2026年大学第四学年(生物化工)发酵工程工艺优化测试题及答案

2026年大学第四学年(生物化工)发酵工程工艺优化测试题及答案一、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.在分批发酵中，若比生长速率μ与基质浓度S的关系符合Monod方程，则当S≫Ks时，μ的取值趋近于（）A.0  B.μmax  C.Ks  D.μmax/2答案：B2.下列哪种补料策略最适合解决高浓度基质抑制问题（）A.恒速流加  B.指数流加  C.脉冲流加  D.DO-stat反馈补料答案：D3.在放大过程中，若保持P/V（单位体积功率）不变，则当发酵罐体积增加1000倍时，搅拌桨叶尖速度约变为原来的（）A.1  B.0.1  C.10  D.100答案：B4.对于好氧发酵，若kLa与表观气速Vs的0.7次方成正比，则Vs提高1倍，kLa提高约（）A.40%  B.70%  C.100%  D.170%答案：B5.在代谢网络分析中，若胞外丙酮酸分泌速率突然升高而氧气摄取速率不变，最可能的原因是（）A.TCA循环增强  B.乙醛酸循环激活  C.溶解氧升高  D.呼吸链受限答案：D6.下列哪项不是高细胞密度发酵中“二氧化碳抑制”现象的直接表现（）A.比生长速率下降  B.产物比合成速率下降  C.发酵液pH升高  D.菌体形态变长答案：C7.若采用两阶段温度策略提高重组蛋白可溶性表达，第一阶段与第二阶段温度应分别设置为（）A.37°C,42°C  B.30°C,37°C  C.37°C,25°C  D.42°C,30°C答案：C8.在连续发酵中，若稀释率D>μmax，则系统将出现（）A.振荡  B.洗出  C.稳态  D.高密度答案：B9.对于产抗生素的链霉菌，下列哪种前体补加方式最能降低副产物PKS毒性（）A.一次性投料  B.指数流加  C.恒速流加  D.周期脉冲低剂量答案：D10.若采用CRISPRi下调zwf基因，则胞内NADPH/NADP⁺比值将（）A.升高  B.降低  C.不变  D.先升后降答案：B11.在发酵尾气在线分析中，若OUR突然下降而CER不变，则RQ值（）A.升高  B.降低  C.不变  D.无法判断答案：A12.下列哪种传感器信号最适合作为溶氧反馈补料的间接指标（）A.温度  B.氧化还原电位  C.浊度  D.电容答案：B13.若采用管式反应器进行连续酶转化，当Damköhler数Da=1时，底物转化率约为（）A.37%  B.50%  C.63%  D.90%答案：C14.在发酵过程多参数相关分析中，若DO与pH呈显著负相关，最可能的机制是（）A.有机酸分泌  B.氨氮同化  C.二氧化碳溶解  D.温度波动答案：C15.若采用微滤膜进行菌体循环，当跨膜压力TMP>临界压力时，通量将（）A.线性上升  B.指数上升  C.趋于平台  D.骤降答案：C16.在代谢流分析中，若异柠檬酸节点分支比由20%提高到40%，则理论上谷氨酸产率将（）A.升高20%  B.降低20%  C.升高40%  D.降低40%答案：B17.下列哪种灭菌方式对维生素B1破坏最小（）A.121°C,30min  B.135°C,5s  C.100°C,60min  D.60°C,8h答案：B18.若采用两相发酵提取乙醇，油醇/水分配系数Kow=5，则理论上水相乙醇浓度降低至原来的（）A.1/5  B.1/6  C.5/6  D.6/5答案：B19.在发酵动力学参数估计中，若采用非线性最小二乘拟合，目标函数通常取（）A.残差和  B.残差平方和  C.残差绝对值和  D.残差立方和答案：B20.若采用动态法测定kLa，当ln(DO-DO)对t作图得斜率−0.35s⁻¹，则kLa为（）20.若采用动态法测定kLa，当ln(DO-DO)对t作图得斜率−0.35s⁻¹，则kLa为（）A.0.35s⁻¹  B.0.70s⁻¹  C.0.175s⁻¹  D.2.86s⁻¹答案：A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，多选少选均不得分）21.下列哪些措施可同时提高kLa并降低剪切损伤（）A.改用Rushton桨为Intermig桨  B.加入0.1%PPG2000  C.提高搅拌转速  D.通纯氧答案：AB22.关于高细胞密度发酵中“乙酸抑制”现象，正确的有（）A.乙酸以未解离形式进入胞内  B.抑制磷酸转乙酰酶  C.导致胞内ATP下降  D.可通过降低比生长速率缓解答案：ACD23.下列哪些参数可直接用于在线估算比生长速率μ（）A.在线光密度  B.尾气CO₂释放速率  C.底物补加速率  D.溶解氧答案：ABC24.在代谢流分析中，若采用¹³C标记葡萄糖，可获得的同位素异构体有（）A.M+0  B.M+1  C.M+2  D.M+6答案：ABCD25.下列哪些属于“智能补料”算法（）A.PID  B.MPC  C.ANN-GA  D.DO-stat答案：ABC26.若采用管式循环反应器进行高密度培养，需重点优化的操作变量有（）A.循环比  B.氧传递速率  C.管径  D.温度梯度答案：ABC27.下列哪些因素会导致在线NADH荧光信号失真（）A.菌体浓度变化  B.气泡  C.pH漂移  D.温度波动答案：ABCD28.在抗生素合成期，下列哪些酶活性上调有利于提高产量（）A.酰基载体蛋白合成酶  B.丙酮酸羧化酶  C.磷酸戊糖途径脱氢酶  D.柠檬酸合酶答案：AC29.若采用原位产物吸附（ISPR）技术，吸附剂需满足（）A.生物相容  B.高选择性  C.易再生  D.粒径<50nm答案：ABC30.下列哪些属于发酵过程“数字孪生”核心模块（）A.机理模型  B.实时数据库  C.可视化界面  D.云计算平台答案：ABCD三、填空题（每空1分，共20分）31.Monod方程表达式为μ=__________，其中Ks的单位为__________。答案：μmax·S/(Ks+S)，g/L32.若氧传递速率OTR=__________，则OUR=OTR时系统处于溶氧稳态。答案：kLa·(DO-DO)答案：kLa·(DO-DO)33.在青霉素发酵中，若侧链前体苯氧乙酸投料过量，易导致__________合成受抑制。答案：青霉素G34.若采用两阶段pH策略，前期pH7.0利于生长，后期调至6.5可激活__________途径，提高谷氨酸产量。答案：α-酮戊二酸脱氢酶35.若在线电容信号C=45pF，已知1pF≈0.8g/L干细胞重，则菌体浓度≈__________g/L。答案：3636.在代谢流分析中，若某反应净通量为负，则该反应为__________方向。答案：逆向37.若采用动态gassing-out法测kLa，需记录DO随时间变化的曲线，并用__________法求斜率。答案：半对数线性回归38.若连续发酵洗出临界稀释率Dc=__________，则μmax=Dc。答案：μmax39.若发酵液体积为50m³，通气比1vvm，则标准状态空气流量=__________Nm³/h。答案：300040.若采用管式反应器进行酶转化，佩克莱特数Pe=∞，则返混=__________。答案：041.若溶氧电极响应时间为t95=30s，则动态法测kLa时，推荐最小采样周期≤__________s。答案：342.若采用离心分离回收菌体，当离心分离因数Z=5000，转速8000rpm，则离心半径≈__________cm。答案：7.043.若在线红外测乙醇，特征吸收峰为__________cm⁻¹。答案：104544.若采用CRISPRa上调ppsA基因，则理论上苯丙氨酸产率将__________。答案：升高45.若发酵尾气中CO₂体积分数为4%，空气流量为1vvm，则CER=__________mmol/(L·h)。答案：74.546.若采用渗透蒸发膜分离丁醇，分离因子β=40，则透过液丁醇质量分数≈__________%。答案：8047.若在线拉曼光谱采用785nm激光，则瑞利散射滤光片截止波长应≤__________nm。答案：78548.若采用微滤膜进行菌体循环，当通量J=30L/(m²·h)，菌体浓度X=80g/L，则比滤速=__________L/(kg·h)。答案：0.37549.若采用气升式反应器，当气体滞留率ε=0.2，则液体循环速度约提高__________倍。答案：1.550.若采用响应面法优化三因素，中心复合设计需实验次数最少为__________次。答案：15四、简答题（共30分）51.（封闭型，6分）简述高细胞密度发酵中“二氧化碳抑制”机制，并给出两条工程解决措施。答案：机制：溶解CO₂升高→胞内HCO₃⁻↑→抑制丙酮酸羧化酶、乙酰CoA羧化酶→碳流受阻；HCO₃⁻与Mg²⁺络合→降低游离Mg²⁺→抑制ATP合成。措施：1.尾端安装在线CO₂电极，当pCO₂>100mbar自动提高通气比；2.采用微气泡+真空脱气双级系统，将CO₂分压降至50mbar以下。52.（开放型，8分）某重组大肠杆菌产胰岛素原，采用两阶段温度策略，前期37°C诱导后降温至22°C。请解释降温对可溶性表达的影响，并提出进一步优化的代谢工程思路。答案：降温减缓蛋白合成速率，给分子伴侣系统足够折叠时间，减少包涵体；低温下RNA聚合酶σ³²活性降低，减少应激聚集。进一步优化：1.共表达GroEL/ES或DsbC促进二硫键正确配对；2.敲除lon与ompT蛋白酶减少降解；3.引入分子伴侣触发因子Tig；4.采用CRISPRi下调tnaA降低吲哚应激；5.过表达ppk提高ATP供应，增强GroEL循环。53.（封闭型，6分）写出OUR、CER、RQ的定义式，并说明RQ>1.1时可能的代谢状态。答案：OUR=qO₂·X，CER=qCO₂·X，RQ=CER/OUR；RQ>1.1可能：1.发酵性酸大量生成，如乳酸、乙酸；2.还原性产物乙醇、丁醇合成；3.丙酮酸脱羧酶活跃，碳流经丙酮酸→乙醛→乙醇。54.（开放型，10分）某抗生素发酵效价长期徘徊在1.2g/L，工厂拟采用“数字孪生”提升。请给出完整技术路线，包括数据采集、模型构建、验证与闭环控制策略。答案：路线：1.硬件：安装尾气质谱、在线拉曼、电容、NIR、CO₂电极，采样周期1min；2.数据：建立PI数据库，采用Kafka流式传输；3.清洗：小波去噪+Savitzky-Golay平滑+缺失值MICE插补；4.模型：构建混合模型，生长段用Monod+Luedeking-Piret，产物段用代谢流+神经网络补偿；5.标定：采用¹³C-MFA离线标定通量，误差<5%；6.验证：用历史20批数据回代，预测效价误差R²=0.94；7.闭环：MPC控制器以效价为输出，补糖、前体、通气为输入，约束DO>30%，pCO₂<80mbar；8.部署：边缘计算+云端协同，控制周期5min；9.结果：效价提升至1.8g/L，批次间CV由12%降至4%。五、应用题（共60分）55.（计算类，15分）某50m³发酵罐分批产丁醇，已知：X₀=0.2g/L，Xmax=18g/L，μmax=0.35h⁻¹，Yx/s=0.3g/g，Yp/s=0.25g/g，初始葡萄糖100g/L，忽略维持。求：(1)达到Xmax所需时间；(2)此时剩余葡萄糖浓度；(3)丁醇产量；(4)若采用指数补料维持μ=0.15h⁻¹，求补料速率F(t)表达式，设罐内体积不变。答案：(1)t=ln(Xmax/X₀)/μmax=ln(18/0.2)/0.35=13.2h(2)消耗ΔS=(Xmax−X₀)/Yx/s=17.8/0.3=59.3g/L，剩余S=100−59.3=40.7g/L(3)丁醇P=Yp/s·ΔS=0.25×59.3=14.8g/L(4)指数补料：F(t)=V·μ·X₀·e^(μt)/(Yx/s·Sf)，设Sf=500g/L，则F(t)=50×0.15×0.2×e^(0.15t)/(0.3×500)=0.01e^(0.15t)m³/h56.（分析类，15分）某好氧发酵出现“溶氧反弹”现象：DO在20h内从10%骤升至60%，同时尾气CO₂下降50%，菌体浓度增长停滞。请给出诊断流程、可能原因及量化判定方法。答案：流程：1.检查仪表：用离线溶氧仪对照，误差<5%则排除仪表；2.检查泄漏：肥皂泡法，若气泡增大则停止；3.检查耗氧：取发酵液离心，重悬生理盐水测OUR，若OUR下降>50%则生物原因；4.检查底物：HPLC测葡萄糖，若<1g/L则为碳源耗尽；5.检查抑制：HPLC测乙酸、乳酸，若乙酸>5g/L则为酸抑制；6.检查噬菌体：双层平板出现噬菌斑；7.量化：若OUR下降50%、RQ由1.0降至0.3、糖<1g/L，判定为碳源耗尽；若OUR下降80%、乙酸>5g/L，判定为酸抑制；若OUR下降90%、噬菌斑阳性，判定为噬菌体污染。57.（综合类，30分）某200m³谷氨酸发酵拟放大至1000m³，要求：Xmax=60g/L，P=80g/L，μmax=0.25h⁻¹，OTR≥120mmol/(L·h)，kLa≥600h⁻¹，剪切率<8000s⁻¹。现有：搅拌：Rushton桨，P/V=2kW/m³，n=1.5rps，D/T=1/3通气：1vvm，空气压缩机最大50000Nm³/h冷却：ΔT≤2°C，冷却面积A/V=3m²/m³请完成：(1)计算放大后P/V、n、Re、叶尖速度、剪切率，判断是否满足剪切约束；(2)计算kLa，判断是否满足OTR；(3)计算热量与冷却能力，判断是否超温；(4)若kLa不足，提出三条工程改造方案并量化效果。答案：(1)几何相似