生物工艺原理第二学期期末考试题库及答案

生物工艺原理第二学期期末考试题库及答案一、选择题1.在微生物发酵过程中，以下哪个参数通常用于表征菌体的比生长速率？A.菌体干重浓度B.底物消耗速率C.产物生成速率D.比生长速率常数μ答案：D解析：比生长速率μ是描述微生物生长速度的核心参数，定义为每单位菌体浓度在单位时间内的增长量，其计算公式为μ=(1/X)*(dX/dt)，其中X为菌体浓度。菌体干重浓度是状态量，底物消耗速率和产物生成速率是关联过程，但不直接等同于比生长速率。2.对于好氧发酵过程，下列哪种方式不属于提高溶氧速率（OTR）的有效手段？A.提高搅拌转速B.增加通气量C.降低罐压D.使用富氧空气答案：C解析：提高溶氧速率（OTR）旨在增加氧从气相到液相的传质推动力与速率。提高搅拌转速可减小气泡直径、增大气液接触面积；增加通气量和使用富氧空气可直接提高气相中的氧分压。降低罐压会降低氧分压（=×3.在酶固定化技术中，共价结合法的主要优点是什么？A.操作简单，成本低廉B.酶与载体结合牢固，不易脱落C.对酶活性中心影响小D.适用于所有类型的酶答案：B解析：共价结合法是通过酶分子上的功能基团与载体表面的活性基团形成共价键而实现固定化的方法。其最大优点是结合非常牢固，酶不易从载体上脱落或流失，可长期重复使用。缺点是操作较复杂，反应条件可能较剧烈，有时会对酶活中心产生影响。A项描述更符合物理吸附法，C项是包埋法的潜在优点，D项错误，因为某些酶可能缺乏合适的反应基团。4.动物细胞培养与微生物发酵相比，最显著的特点不包括：A.对剪切力敏感B.生长速率快C.需要复杂的培养基D.通常进行贴壁或悬浮培养答案：B解析：动物细胞无细胞壁，对剪切力非常敏感（A正确）；其培养基通常需添加血清、生长因子等，成分复杂（C正确）；培养方式主要为贴壁依赖型或悬浮培养（D正确）。与微生物（如细菌）相比，动物细胞的生长速率通常要慢得多，倍增时间常在十几小时至几十小时，因此B项“生长速率快”不是其特点。5.下游加工过程中，利用物质溶解度差异进行分离的方法是：A.离子交换层析B.超滤C.盐析D.亲和层析答案：C解析：盐析是通过向溶液中加入高浓度中性盐（如硫酸铵），使蛋白质等大分子物质溶解度降低而沉淀析出的方法，其核心原理是溶解度差异。离子交换层析基于电荷差异，超滤基于分子尺寸差异，亲和层析基于生物特异性相互作用。6.下列哪种生物反应器最适用于对剪切力高度敏感的细胞培养？A.机械搅拌罐反应器B.鼓泡塔反应器C.气升式环流反应器D.中空纤维反应器答案：D解析：中空纤维反应器将细胞保留在壳程或纤维外空间，营养物质通过纤维管腔扩散，细胞基本不直接暴露于气泡破裂或机械搅拌产生的强剪切力场中，非常适合娇嫩的动物细胞、某些植物细胞和干细胞培养。搅拌罐、鼓泡塔和气升式反应器都存在由通气或搅拌产生的、相对较强的流体剪切力。7.在发酵动力学中，当限制性底物浓度远大于米氏常数（S≫A.μB.μC.μD.μ答案：A解析：Monod方程描述比生长速率μ与限制性底物浓度S的关系：μ=。当S≫时，分母中的可忽略，方程简化为μ8.用于大规模蛋白质分离纯化，且基于分子大小差异的层析技术是：A.疏水相互作用层析B.凝胶过滤层析C.固定化金属离子亲和层析D.羟基磷灰石层析答案：B解析：凝胶过滤层析，又称尺寸排阻层析，其固定相是多孔凝胶颗粒。不同大小的分子在穿过层析柱时，大分子无法进入凝胶孔洞，流程短，先流出；小分子可进入孔洞，流程长，后流出，从而实现按分子尺寸（流体力学半径）分离。其他选项：A基于疏水性，C基于与金属离子的配位作用，D基于与钙磷结晶的混合作用模式。9.在连续培养的恒化器操作中，稀释率D必须满足什么条件才能保证菌体不被“洗出”？A.DB.DC.DD.D答案：C解析：在恒化器中，稳态时稀释率D等于比生长速率μ，即D=μ。而μ受限于。若D>，则实际μ无法达到D的要求，反应器内菌体浓度会持续下降直至被全部“洗出”。因此，稳定操作的前提是D<10.下列哪种灭菌方法属于“冷灭菌”，适用于热敏性物料？A.高压蒸汽灭菌B.辐射灭菌C.干热灭菌D.煮沸消毒答案：B解析：辐射灭菌（如γ射线、电子束）在常温或低温下进行，通过破坏微生物的DNA等遗传物质达到灭菌目的，不产生显著热效应，故称“冷灭菌”，适用于不耐热的药品、医疗器械、高分子材料等。A、C、D均属于利用热效应的灭菌方法。二、填空题1.在发酵工程中，通常将微生物的生长过程分为四个时期：延滞期、______、稳定期和衰亡期。答案：对数期（指数期）解析：这是微生物标准生长曲线的四个典型阶段。对数期菌体以最大比生长速率呈指数增长，是产物合成（特别是初级代谢产物）的重要阶段。2.用于测量发酵液溶氧（DO）的电极，其核心原理是基于氧分子在阴极上的______反应。答案：还原解析：溶氧电极通常为覆膜Clark电极。氧分子透过透气膜扩散到阴极（如铂或金），在一定的极化电压下发生还原反应（如+23.酶工程中，通过化学修饰使酶分子间交联，形成不溶性网状结构的固定化方法称为______。答案：交联法解析：交联法是利用双功能或多功能试剂（如戊二醛），与酶分子表面的氨基等基团发生反应，使酶分子之间相互交联聚合，形成三维网状结构的不溶性聚集体。此法常与吸附法或包埋法联用。4.在动物细胞培养的培养基中，常需要添加______以提供细胞生长必需的生长因子和激素。答案：血清（通常指胎牛血清FBS）解析：血清成分复杂，含有丰富的蛋白质、多肽、激素、生长因子、微量元素等，能为细胞提供生长、贴壁和增殖所必需的物质，是目前大多数动物细胞培养不可或缺的添加成分，尽管存在批次差异、成本高和潜在风险等问题。5.下游纯化中，______是利用目标产物与特定配基之间可逆的特异性结合作用进行分离的高选择性方法。答案：亲和层析解析：亲和层析是基于生物分子与固定化配基之间可逆的特异性相互作用（如抗原-抗体、酶-底物/抑制剂、受体-配体、凝集素-糖蛋白等）进行分离的方法。它具有高选择性、高分辨率和高浓缩效应。6.描述发酵过程中菌体生长、底物消耗和产物生成之间定量关系的数学模型，统称为______。答案：发酵动力学解析：发酵动力学是生物工艺原理的核心内容之一，它通过数学模型定量描述发酵过程中细胞生长、底物消耗、产物生成及代谢副产物生成等随时间变化的规律，是过程优化、放大和控制的基石。7.在空气除菌系统中，利用纤维或颗粒材料间隙对微生物进行拦截、扩散和惯性碰撞等作用而除菌的设备是______。答案：纤维介质过滤器（或深层过滤器）解析：这是发酵工业中空气除菌的常用方法。过滤介质（如棉花、玻璃纤维、聚丙烯纤维、烧结金属等）通过多种机制（拦截、惯性碰撞、扩散、静电吸附等）截留空气中的微生物，达到无菌要求。8.对于丝状真菌的发酵，为了降低菌丝体生长导致的发酵液粘度过高问题，常通过控制______来获得分散的菌丝球形态。答案：搅拌剪切力（或转速、通气条件等，核心是流体力学条件）解析：丝状真菌的形态（分散菌丝、团状菌丝或菌丝球）显著影响发酵液流变特性和传质效率。通过调控搅拌转速（剪切力）、接种量、孢子浓度、培养基成分（尤其是微量元素）等，可以诱导形成大小适中、疏松的菌丝球，有利于降低粘度，改善传质。9.在蛋白质的沉淀分离中，向水溶液中加入大量与水互溶的有机溶剂（如乙醇、丙酮），可降低水的介电常数，从而使蛋白质分子间______增加而沉淀。答案：静电引力（或相互作用）解析：水的介电常数高，削弱了蛋白质分子表面带电基团之间的静电相互作用。加入有机溶剂降低了溶液的介电常数，增强了蛋白质分子间相反电荷的吸引力，同时有机溶剂也争夺蛋白质表面的水化层，导致蛋白质溶解度下降而沉淀。10.生物传感器通常由______和信号转换器两部分组成。答案：生物识别元件（或分子识别元件）解析：生物传感器的基本构成包括生物识别元件（如酶、抗体、核酸、细胞、组织等）和信号转换器（如电化学电极、光敏元件、热敏电阻、压电晶体等）。识别元件与待测物发生特异性反应，转换器将该反应转化为可定量检测的电、光、热等信号。三、判断题1.补料分批培养（Fed-batch）过程中，培养液体积始终保持不变。答案：错误解析：补料分批培养的特征是在分批培养基础上，连续或间歇地补加一种或多种营养物质，同时不取出培养液（或不以相同速率取出）。因此，随着补料的进行，培养液体积是逐渐增加的。只有连续培养（如恒化器）在稳态时体积才恒定。2.超临界流体萃取技术中，最常用的超临界流体是二氧化碳（CO₂）。答案：正确解析：超临界CO₂因其临界温度（31.1℃）和临界压力（7.38MPa）相对温和、化学惰性、无毒、无残留、易获取且成本低等优点，成为应用最广泛的超临界流体，特别适用于天然产物中热敏性、脂溶性成分的萃取。3.在固定床吸附操作中，当流出液中目标产物浓度达到进口浓度的5%时，即认为达到了穿透点。答案：正确解析：穿透点是吸附操作的一个重要概念。通常定义为流出液中目标物浓度达到进口浓度某一特定百分比（常用5%或10%）的时刻。达到穿透点后，吸附柱接近饱和，需要停止进料并进行洗脱再生。4.对于基因工程菌的发酵，为了获得高表达，应始终使菌体处于最高的比生长速率下。答案：错误解析：对于许多基因工程菌，特别是使用可诱导型启动子（如lac,trp,T7等）的系统，外源蛋白的高表达往往与菌体的高比生长速率相矛盾。高比生长速率下，细胞资源主要用于生长，可能不利于外源蛋白的合成，甚至引起包涵体形成。通常采用两阶段培养策略：生长期使用适宜条件获得高菌体密度，然后通过诱导（如添加IPTG、温度转换等）启动表达，此时往往需要降低生长速率以利于产物合成。5.膜分离过程中，截留分子量（MWCO）是指膜能截留90%以上的最小球形蛋白质的分子量。答案：正确解析：截留分子量是表征超滤或微滤膜孔径大小（分离特性）的常用指标。其定义为膜对某种标准球形分子（如聚乙二醇、蛋白质）的截留率达到90%时，该分子的分子量。它提供了一个相对比较的标准，但实际截留性能还受分子形状、电荷、操作条件等影响。四、名词解释题1.次级代谢产物答案：次级代谢产物是指微生物在生长对数期后期或稳定期合成的一类分子结构复杂、对微生物自身生长繁殖非必需的代谢产物。其合成往往受环境条件影响，具有种属特异性。典型的次级代谢产物包括抗生素、毒素、色素、生物碱等。2.贴壁培养答案：贴壁培养是指大多数动物细胞和某些植物细胞需要附着在带有适当电荷的固体或半固体表面才能进行生长、分裂和增殖的培养方式。这些细胞被称为贴壁依赖型细胞。培养时需提供合适的基质（如塑料培养瓶/皿、微载体、中空纤维等）供细胞贴附。3.代谢流分析答案：代谢流分析是基于拟稳态假设，利用细胞代谢网络的化学计量模型、物料平衡以及实验测定的底物消耗速率和产物生成速率，定量计算细胞内各条代谢途径通量（即代谢流）分布的分析方法。它是代谢工程研究细胞生理状态和进行理性改造的重要工具。4.双水相萃取答案：双水相萃取是利用两种亲水性高分子（如聚乙二醇和葡聚糖）或一种高分子与一种高浓度盐（如聚乙二醇和磷酸盐/硫酸盐）在水溶液中形成两个互不相溶的水相，利用目标产物（如蛋白质、核酸、细胞器）在两相中分配系数的差异进行分离的液-液萃取技术。其特点是两相含水量均很高，为生物活性物质提供了温和的分离环境。5.规模放大答案：生物工艺规模放大是指将实验室或中试规模优化的发酵或生物反应过程，按照一定的工程原理和准则，转移到工业规模生产设备中运行，并期望重现或达到小规模时的工艺性能（如产物浓度、得率、生产率等）的技术过程。其核心是解决因设备尺寸变化引起的传质、传热、混合和剪切等物理环境差异所带来的挑战。五、简答题1.简述机械搅拌通风发酵罐中搅拌器的主要作用。答案：机械搅拌通风发酵罐中搅拌器的主要作用包括：（1）混合作用：使发酵罐内的物料（菌体、底物、产物、热量等）充分混合均匀，避免形成浓度梯度或温度梯度。（2）分散作用：将通入的空气打散成细小气泡，增大气-液接触面积，提高溶氧速率（OTR）。（3）传质作用：通过产生湍流，减小液膜阻力，强化氧及其他营养物质的传质过程。（4）传热作用：促进发酵液与冷却管（或夹套）壁之间的热量交换，有利于温度控制。2.简述单克隆抗体制备中杂交瘤技术的基本原理与关键步骤。答案：基本原理：将能产生特异性抗体但寿命短的B淋巴细胞（通常来自免疫小鼠的脾细胞），与具有无限增殖能力但不能分泌抗体的骨髓瘤细胞，在聚乙二醇（PEG）或电融合等诱导下进行细胞融合。筛选出的杂交瘤细胞既继承了B淋巴细胞分泌特异性抗体的能力，又具备了骨髓瘤细胞无限增殖的特性。关键步骤：（1）免疫动物：用抗原免疫小鼠，刺激脾脏内B淋巴细胞产生特异性抗体。（2）细胞融合：取免疫小鼠脾细胞与骨髓瘤细胞在融合剂作用下混合，进行融合。（3）选择性培养：将融合后细胞置于HAT选择性培养基中培养。未融合的脾细胞和脾细胞-脾细胞融合体不能长期存活；未融合的骨髓瘤细胞因缺乏HGPRT酶而被氨基蝶呤阻断DNA合成途径死亡；只有杂交瘤细胞能从脾细胞获得HGPRT酶，从而在HAT培养基中存活并增殖。（4）克隆化与筛选：通过有限稀释法或克隆环法将存活的杂交瘤细胞进行单克隆化培养，并利用ELISA等方法筛选出能分泌所需特异性抗体的阳性克隆。（5）扩增与冻存：将阳性克隆扩大培养，并冻存保种。3.简述下游加工过程的一般流程单元操作，并说明其遵循的基本原则。答案：一般流程单元操作通常按以下顺序排列：（1）发酵液预处理与固液分离：如加热、调pH、絮凝、离心、过滤等，目的是去除菌体或细胞碎片，获得澄清的含产物液体。（2）产物初步分离（提取）：如沉淀、吸附、萃取（包括双水相萃取、反胶束萃取）、超滤等，目的是浓缩产物，去除大量杂质。（3）产物精制（纯化）：如各种层析技术（离子交换、疏水、亲和、凝胶过滤等）、高效液相色谱、电泳等，目的是高度纯化产物，去除结构类似物和微量杂质。（4）成品加工：如浓缩、结晶、干燥（喷雾干燥、冷冻干燥）、无菌过滤、制剂等，目的是将产物转化为稳定的最终产品形式。遵循的基本原则是：“先粗后精，先低选择性后高选择性，先高通量后低通量，成本与收率平衡”。即早期处理量大、成分复杂，采用快速、低成本、处理能力大的单元操作进行浓缩和粗分；后期处理量小、纯度要求高，采用高分辨率、高选择性但可能处理速度较慢、成本较高的精细分离技术。整个过程需在保证产品质量的前提下，追求高的总收率和低的生产成本。4.比较分批培养、补料分批培养和连续培养三种操作方式的主要特点与优缺点。答案：分批培养：一次性加入所有培养基，接种后培养至结束，一次性收获。特点：操作简单，染菌和退化风险低。优点：易于控制，灵活性高，适用于多品种、小批量生产。缺点：非生产性的辅助时间（清洗、灭菌、接种、放罐）占比高，设备利用率低；存在底物抑制或产物抑制时，难以维持最优环境。补料分批培养：在分批培养基础上，连续或间歇补加营养物，不取出或不同步取出培养液。特点：培养液体积和成分动态变化。优点：能解除底物抑制、葡萄糖效应等，可延长产物合成期，获得高细胞密度和高产物浓度，是应用最广泛的工业发酵方式。缺点：操作和控制比分批复杂，仍是非稳态过程。连续培养：连续加入新鲜培养基，同时以相同流速取出培养液，保持反应器内体积恒定。特点：可达到稳态，各参数恒定。优点：设备利用率高，生产率高，易于实现自动控制，适用于生理学研究。缺点：对无菌操作要求极高，长期运行易导致菌种退化或染菌，灵活性差，适用于稳定性好、需求大的产品。六、计算题1.在一好氧分批发酵中，测得初始菌体浓度=0.2g/（1）计算该微生物在此条件下的比生长速率μ（单位：h⁻¹）。（2）计算其菌体倍增时间（单位：h）。答案：（1）解：在对数生长期，菌体生长遵循=。代入数据：6.4即=两边取自然对数：5l所以，μ（2）解：菌体倍增时间与比生长速率μ的关系为：=已知μ=0.6931所以，=解析：本题考察对数生长动力学的基本计算。关键公式为指数生长方程=和倍增时间公式=(2.某发酵过程生产抗生素，采用补料分批培养。已知：发酵罐初始有效体积=初始底物（葡萄糖）浓度=以恒定流速F=0.5/假设发酵过程中菌体对底物的得率系数=0.5补料开始后，菌体比生长速率μ维持在0.2。求补料进行到第10小时时，发酵罐内的菌体总质量（单位：kg）。答案：解：本题需计算补料分批培养中菌体总量的变化。由于μ恒定，且假设维持消耗为零，菌体生长仅与底物消耗用于生长部分有关。定义：t时刻发酵液体积Vt时刻底物加入总量为F初始底物总量为到时间t时，消耗的底物总量（用于菌体生长）应等于菌体净增加量除以得率系数。设t时刻菌体总质量为(t)，初始菌体总质量题目未给出，但通常初始菌体浓度已知或可假设。本题未给出初始菌体浓度，需从条件中推断或视为从补料开始计算生长？题目表述存在歧义。更合理的假设是：补料开始时（t=0），罐内已有一定菌体浓度，且补料期间μ恒定。但题目未提供。一个可能的思路是，题目可能隐含在补料期间，菌体生长仅由补加的底物支持，且初始底物已被消耗完或用于建立初始菌体。若假设补料开始时，初始底物已耗尽并转化为菌体，则初始菌体总量=×()。按此假设计算：初始菌体总质量==在补料阶段，μ恒定，菌体总量随时间变化关系为：=μ但更精确的方法是考虑底物料料平衡。补料加入的底物用于菌体生长。从t=0到t，补加入的底物总量为Ft这些底物用于生长，产生的菌体量为Δ=因此，t时刻菌体总质量(t此公式成立的前提是：所有补加的底物立即被消耗用于生长，且无维持消耗或其他用途。这与μ恒定的条件一致吗？实际上，若μ恒定，则菌体呈指数增长，而非线性增长。题目条件“μ恒定”与“仅由补加底物线性支持生长”可能存在矛盾。重新审视：经典补料分批（无取出）且μ恒定，若比生长速率μ恒定，则菌体浓度X的变化率为dX/dd这不是一个简单的指数关系。若假设补料速率F相对于生长速率很小，或X变化不大，有时可近似处理。但本题给出具体数值，需精确解。另一种常见简化模型：当以恒速补加限制性底物，且该底物在罐内浓度S维持在很低水平（远小于）时，比生长速率μ≈(μ_max/K_S)S也近似恒定，此时菌体总量随时间线性增加：d/dt这正是上面所用的线性模型。因此，采用线性模型：补料10小时加入的底物总量：F注意单位换算：0.5所以加入底物质量=500产生的菌体增量：Δ初始菌体总量=100所以第10小时时，菌体总质量=解析：本题是典型的补料分批培养计算，关键点在于理解操作模式。题目条件“μ恒定”在补料分批中通常指通过控制补料速率使限制性底物浓度维持在很低水平，从而使μ稳定在某个值（通常小于μ_max）。在此假设下，菌体总量的增加主要来源于补加的底物，且近似线性增长。计算时需注意单位统一（将m³转换为L，g与kg），并明确初始条件。初始菌体由初始底物转化而来的假设是合理的，否则题目信息不足。七、综合论述题1.请论述在利用基因工程菌进行重组蛋白生产时，可能遇到的主要问题及其相应的解决策略。答案：利用基因工程菌生产重组蛋白虽然潜力巨大，但在工艺开发中常面临一系列挑战，主要问题及解决策略如下：1.质粒不稳定性问题：问题：包括分裂不稳定性（质粒在复制和分配过程中丢失）和结构不稳定性（质粒发生重组、缺失或插入突变）。这会导致生产菌株性能衰退，产物产率下降。解决策略：构建稳定表达系统：使用低拷贝数但更稳定的质粒；将外源基因整合到宿主染色体上；使用营养缺陷型或抗生素抗性基因进行选择压力维持。优化培养条件：控制比生长速率，避免过高的生长压力；采用两阶段培养，在生长阶段不加选择压力，在诱导表达阶段施加适度选择压力或利用整合型宿主。应用发酵控制策略：如采用补料分批培养，精确控制营养供给，减少因底物过剩引起的代谢负担和质粒复制压力。2.包涵体形成问题：问题：许多重组蛋白，尤其是原核系统（如大肠杆菌）中高表达时，会形成无活性、不溶性的蛋白质聚集体，即包涵体。虽然包涵体易于分离，但后续复性过程复杂、收率低。解决策略：分子生物学策略：与分子伴侣或折叠酶共表达；分泌表达（如使用信号肽将蛋白转运至周质或培养基）；使用可溶性标签（如GST、MBP、SUMO）融合表达；对目标