2026年生物制药(发酵工艺优化与控制)试卷及答案

2026年生物制药(发酵工艺优化与控制)试卷及答案一、单项选择题（每题1分，共20分。每题只有一个正确答案，请将正确选项字母填入括号内）1.在发酵过程中，若溶氧浓度突然下降而搅拌转速未变，最可能的原因是（）A.菌体耗氧速率增加B.空气流量减少C.罐压升高D.温度降低答案：A2.下列哪种碳源最容易引起大肠杆菌的“Crabtree效应”？（）A.甘油B.乳糖C.葡萄糖D.蔗糖答案：C3.在青霉素发酵中，加入苯乙酸的主要作用是（）A.提供氮源B.诱导β-内酰胺环合成C.作为侧链前体D.抑制杂菌生长答案：C4.关于发酵罐的kLa值，下列说法正确的是（）A.与菌体浓度成正比B.与搅拌功率成正比，与空气流量无关C.可用动态溶氧法测定D.单位是mol/(L·h)答案：C5.若某菌株的比生长速率μ=0.35h⁻¹，则其倍增时间约为（）A.1.0hB.1.5hC.2.0hD.2.5h答案：C6.在补料分批发酵中，采用指数流加策略的目的是（）A.维持底物浓度恒定B.维持比生长速率恒定C.维持溶氧恒定D.维持pH恒定答案：B7.下列哪种传感器属于“原位”在线检测？（）A.离线HPLCB.尾气质谱C.荧光溶氧电极D.手工取样OD600答案：C8.若某抗生素发酵过程出现“泡沫溢出”，最优先的应急操作是（）A.立即停搅拌B.立即关闭空气C.立即加入消泡剂并降低罐压D.立即降温答案：C9.在酵母高密度发酵中，限制乙醇生成的关键调控参数是（）A.溶氧>30%且糖浓度<0.5g/LB.溶氧<10%且糖浓度>50g/LC.pH>7.0D.温度>38°C答案：A10.关于菌体死亡动力学，正确的是（）A.通常符合零级动力学B.通常符合一级动力学C.与溶氧无关D.与pH无关答案：B11.在发酵放大中，保持“单位体积功率”P/V不变主要解决（）A.溶氧限制B.剪切损伤C.混合时间延长D.泡沫问题答案：A12.若某发酵液黏度显著上升，最可能的原因是（）A.菌体自溶B.胞外多糖分泌C.钙离子浓度过高D.温度过低答案：B13.在青霉素发酵后期，降低温度的主要目的是（）A.促进菌体生长B.促进产物合成并减少降解C.降低溶氧D.抑制杂菌答案：B14.关于OUR（摄氧率）与CER（二氧化碳释放率）比值，下列说法正确的是（）A.青霉素发酵中OUR/CER>1表示还原性产物积累B.酵母乙醇发酵中OUR/CER≈0C.大肠杆菌好氧生长中OUR/CER≈1D.该比值无法在线获得答案：B15.若尾气O₂浓度由21%降至20%，空气流量100L/min，罐体积50L，则OUR为（）A.5.0mmol/(L·h)B.8.9mmol/(L·h)C.12.5mmol/(L·h)D.18.0mmol/(L·h)答案：B16.在发酵过程中，若pH电极漂移，可用下列哪种标准缓冲液进行两点校准？（）A.pH4.01和6.86B.pH6.86和9.18C.pH7.00和10.00D.pH3.00和11.00答案：A17.关于发酵罐的“混合时间”，下列说法正确的是（）A.与搅拌桨直径无关B.放大后混合时间通常缩短C.可用酸碱脉冲法测定D.与温度无关答案：C18.若某菌株对剪切敏感，放大时应优先采用（）A.提高搅拌转速B.提高空气流量C.改用大直径低转速桨D.提高罐压答案：C19.在补料分批发酵中，若底物浓度突然升高而溶氧骤降，此时应（）A.立即停搅拌B.立即关闭空气C.立即降低补料速率并提高搅拌D.立即升温答案：C20.关于发酵过程“经济最优化”，下列指标最直接的是（）A.产物浓度最高B.产物体积生产率最高C.单位产物成本最低D.菌体浓度最高答案：C二、多项选择题（每题2分，共20分。每题有两个或两个以上正确答案，多选、少选、错选均不得分）21.下列哪些因素会显著影响kLa值？（）A.搅拌功率B.空气流量C.菌体浓度D.消泡剂浓度答案：ABCD22.在青霉素发酵中，下列哪些操作可提高产物合成速率？（）A.后期降低温度B.后期限制糖浓度<5g/LC.前期高磷浓度D.后期加入苯乙酸答案：ABD23.关于发酵尾气分析，下列说法正确的是（）A.可在线计算OURB.可在线计算CERC.可估算呼吸商RQD.可检测挥发性产物答案：ABCD24.下列哪些属于“原位”在线检测技术？（）A.近红外光谱B.拉曼光谱C.荧光溶氧电极D.离线HPLC答案：ABC25.在酵母高密度发酵中，防止乙醇积累的策略包括（）A.指数流加葡萄糖B.溶氧>30%C.糖浓度<0.5g/LD.温度>38°C答案：ABC26.下列哪些参数可用于判断发酵是否污染？（）A.尾气CO₂异常升高B.溶氧异常下降C.pH异常上升D.菌体形态镜检异常答案：ABCD27.关于发酵放大准则，下列哪些属于“几何相似”？（）A.高径比相同B.搅拌桨直径/罐径相同C.挡板宽度/罐径相同D.搅拌转速相同答案：ABC28.下列哪些方法可用于测定菌体浓度？（）A.干重法B.OD600C.在线电容法D.流式细胞仪答案：ABCD29.在补料分批发酵中，若采用“DO-stat”策略，下列哪些说法正确？（）A.溶氧高于设定值时增加补料B.溶氧低于设定值时减少补料C.需配合搅拌联动D.适用于高耗氧菌答案：ABCD30.下列哪些属于发酵过程“智能控制”技术？（）A.PID控制B.模型预测控制MPCC.神经网络控制D.专家系统答案：BCD三、填空题（每空1分，共20分）31.Monod方程描述比生长速率μ与底物浓度S的关系，其表达式为________，其中μmax表示________，Ks表示________。答案：μ=μmax·S/(Ks+S)；最大比生长速率；半饱和常数32.若某发酵罐体积为100m³，装液量80%，通气比为1vvm，则空气流量为________m³/h。答案：480033.在青霉素发酵中，苯乙酸作为侧链前体，其最适添加浓度通常为________g/L，添加时机为________期。答案：0.3–0.5；生产34.若某菌体干重为10g/L，菌体含碳量约为50%，则碳含量为________gC/L。答案：535.发酵液中溶氧浓度C与饱和溶氧浓度C的差值称为________，其单位常用________。35.发酵液中溶氧浓度C与饱和溶氧浓度C的差值称为________，其单位常用________。答案：溶氧驱动力；mg/L或mmol/L36.若尾气中O₂浓度为20.5%，N₂为79.5%，则氧的摩尔分数为________，对应的氧分压为________kPa（总压101.3kPa）。答案：0.205；20.7737.在发酵放大中，若采用“恒叶端速度”准则，则搅拌转速n与桨径D的关系为n∝________。答案：1/D38.若某发酵过程RQ（呼吸商）=1.2，则表示________产物可能积累。答案：还原性（如乳酸、甘油）39.在酵母发酵中，若糖浓度>5g/L且溶氧<1%，则主要产物为________，其生成途径为________发酵。答案：乙醇；酵母酒精40.若某发酵罐kLa=100h⁻¹，C=7mg/L，OUR=600mg/(L·h)，则溶氧浓度C=________mg/L。40.若某发酵罐kLa=100h⁻¹，C=7mg/L，OUR=600mg/(L·h)，则溶氧浓度C=________mg/L。答案：1四、简答题（共30分）41.（封闭型，6分）简述Monod方程与Andrews抑制方程的区别，并写出Andrews方程表达式。答案：Monod方程描述无抑制时μ随S增加而饱和上升；Andrews方程考虑底物抑制，μ随S过高而下降。表达式：μ=μmax·S/[Ks+S+(S²/Ki)]，其中Ki为抑制常数。42.（开放型，6分）某青霉素发酵后期产物效价下降，请列出三种可能原因并提出对应解决措施。答案：原因1：产物被酶降解；措施：降低温度至22°C。原因2：pH升高导致β-内酰胺环开环；措施：用H₃PO₄控pH6.5。原因3：菌体自溶释放蛋白酶；措施：提前结束发酵或加入蛋白酶抑制剂。43.（封闭型，6分）说明“指数流加”策略的原理，并推导维持恒定μ的补料速率F(t)表达式。已知：μ恒定，菌体浓度X，体积V，得率系数YX/S。答案：原理：通过指数增加补料使底物浓度保持极低，菌体以恒定μ生长。推导：由μ=1/X·dX/dt，得X=X₀e^{μt}；生物量增加速率：d(XV)/dt=μXV；底物消耗速率：F·S₀=μXV/YX/S；故F(t)=(μX₀V₀/YX/S·S₀)·e^{μt}=F₀e^{μt}。44.（开放型，6分）发酵放大后常出现溶氧限制，请列举三种放大准则并比较其优缺点。答案：准则1：恒P/V；优点：溶氧较好；缺点：剪切升高。准则2：恒kLa；优点：溶氧直接保证；缺点：实验测定工作量大。准则3：恒混合时间；优点：环境均一；缺点：大型罐难以实现，能耗高。45.（封闭型，6分）简述“动态溶氧法”测定kLa的实验步骤及计算公式。答案：步骤：1.通氮气除氧至溶氧接近零；2.迅速切换空气，记录溶氧上升曲线；3.用公式kLa=ln[(C−C₀)/(C−C)]/(t−t₀)计算，其中C饱和溶氧，C₀、C为t₀、t时溶氧。答案：步骤：1.通氮气除氧至溶氧接近零；2.迅速切换空气，记录溶氧上升曲线；3.用公式kLa=ln[(C−C₀)/(C−C)]/(t−t₀)计算，其中C饱和溶氧，C₀、C为t₀、t时溶氧。五、应用题（共60分）46.（计算题，15分）某50L发酵罐进行大肠杆菌高密度发酵，目标菌体浓度80gDCW/L，μ=0.4h⁻¹，YX/S=0.4gDCW/g葡萄糖，初始体积25L，糖源500g/L浓缩液。采用指数流加，忽略生长消耗体积。求：(1)起始补料速率F₀；(2)10h时补料速率F(10)；(3)10h时累计补料体积；(4)10h时总菌体量；(5)若kLa=120h⁻¹，C=6mg/L，求此时溶氧浓度（已知菌体维持耗氧qm=0.1gO₂/(gDCW·h)）。(5)若kLa=120h⁻¹，C=6mg/L，求此时溶氧浓度（已知菌体维持耗氧qm=0.1gO₂/(gDCW·h)）。答案：(1)F₀=μX₀V₀/(YX/S·S₀)=0.4×(假设X₀=1)×25/(0.4×500)=0.05L/h；(2)F(10)=F₀e^{μt}=0.05×e^{4}=0.05×54.6=2.73L/h；(3)V_feed=∫₀¹⁰F₀e^{μt}dt=F₀/μ(e^{μt}−1)=0.05/0.4(54.6−1)=6.7L；(4)X(10)=X₀e^{μt}=1×54.6=54.6gDCW/L，总菌体量=54.6×(25+6.7)=1731g；(5)OUR=X·qm=54.6×0.1=5.46gO₂/(L·h)=5460mg/(L·h)；溶氧浓度C=C−OUR/kLa=6−5460/120=6−45.5=−39.5mg/L（不可行，需提高kLa或降低μ）。溶氧浓度C=C−OUR/kLa=6−5460/120=6−45.5=−39.5mg/L（不可行，需提高kLa或降低μ）。47.（分析题，15分）某抗生素发酵放大至100m³后，产物浓度由放罐1.2g/L降至0.8g/L。已知小罐：P/V=2kW/m³，kLa=150h⁻¹，混合时间30s；大罐：P/V=1kW/m³，kLa=90h⁻¹，混合时间90s。分析可能原因并提出三条改进方案。答案：原因：1.溶氧下降导致合成受限；2.混合时间延长造成底物梯度，菌体代谢失衡；3.剪切下降导致菌体形态改变。改进：1.增加搅拌功率至P/V=1.5kW/m³；2.采用多段浆+变频，提高kLa至130h⁻¹；3.优化补料点位置，采用多点补料减少梯度。48.（综合题，15分）设计一个基于“DO-stat”与“pH-stat”联合的葡萄糖补料策略，用于青霉素发酵，要求：(1)画出控制逻辑框图；(2)给出控制算法伪代码；(3)说明两种模式切换条件；(4)分析可能振荡原因及抑制方法。答案：(1)框图：溶氧信号→PID→补料阀；pH信号→PID→补料阀；选择器→输出。(2)伪代码：ifDO<30%thenF=F_base−Kdo(30−DO);ifDO<30%thenF=F_base−Kdo(30−DO);ifpH>7.0thenF=F_base+Kph(pH−7.0);ifpH>7.0thenF=F_base+Kph(pH−7.0);ifDO<30%andpH>7.0thenF=min(F_do,F_ph);(3)切换：DO优先，pH辅助；当DO恢复>35%且pH<6.8时退出pH-stat。(4)振荡原因：PID参数过大、