发酵工程试题及答案

发酵工程经典试题及答案考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题只有一个正确答案，请将正确选项字母填在题干后的括号内）1.发酵工程中，用于扩大培养和种子培养的微生物接种量通常控制在（）。A.10^-1%至10^-2%B.10^-3%至10^-4%C.10^-5%至10^-6%D.10^-7%至10^-8%2.在设计用于生产乙醇的微生物培养基时，通常需要重点考虑（）。A.高氮源含量以促进蛋白质合成B.高碳源浓度以提供充足能量C.高磷源含量以支持核酸合成D.高镁源含量以激活多种酶3.灭菌操作中，使用最广泛、效果最可靠且能处理较热敏物质的方法是（）。A.巴氏消毒法B.紫外线照射法C.热压灭菌法D.过滤除菌法4.发酵过程中，溶解氧是影响好氧微生物生长和产物合成的重要因素。通常通过调节（）来控制发酵罐中的溶氧水平。A.通气量和搅拌速度B.培养基pH值C.发酵温度D.接种量5.下列关于分批补料发酵法的描述，错误的是（）。A.发酵过程分为接种、发酵和补料三个阶段B.可有效延长稳定生长期，提高产物产量C.与分批发酵相比，操作相对复杂D.适用于所有类型的发酵过程6.在从发酵液中提取目标产物时，若产物是水溶性小分子物质，常用的初步分离方法是（）。A.萃取B.吸附C.膜分离D.重结晶7.固定化细胞技术中，使用海藻酸钠包埋法时，细胞通常被包埋在（）中。A.交联的蛋白质凝胶B.不可逆的聚合物基质C.可溶性的多糖凝胶网格D.金属氧化物载体8.发酵罐内壁的粘壁现象会带来负面影响，主要包括（）。A.增加搅拌功率消耗B.影响传质效率C.导致局部缺氧或营养缺乏D.以上都是9.下列哪种微生物通常被用于生产青霉素？（）A.乳酸杆菌B.酵母菌C.链霉菌D.大肠杆菌10.发酵过程中，pH值的剧烈波动可能由以下因素引起（）。A.微生物代谢产生酸性或碱性物质B.培养基成分的分解C.温度突然变化D.以上都是二、填空题1.发酵工程的核心是利用微生物的特性，为人类生产有用的产品或达到某种目的。2.常用的培养基灭菌方法是和高压蒸汽灭菌法。3.发酵罐的主要功能包括提供微生物生长的环境、维持合适的和控制产物形成。4.简单表示微生物生长规律的数学模型是模型。5.下游工程是发酵工程的重要组成部分，其目的是将发酵液中的目标产物进行分离、纯化并加工成最终产品。6.常用的固定化细胞方法包括包埋法、吸附法和法。7.在连续发酵中，接种的新鲜培养物与原有培养物之间的浓度比称为。8.影响发酵过程的经济性因素主要包括原料成本、能力和产品收率。9.搅拌在发酵罐中主要起到混合、传质和的作用。10.某些微生物在特定条件下会分泌一些具有抑制其他微生物生长的物质，这类物质被称为。三、判断题（请将“正确”或“错误”填在题干后的括号内）1.发酵工程只能利用细菌进行生产，不能利用真菌。（）2.理想发酵培养基应尽可能简化，只包含微生物生长所必需的最低组分。（）3.热压灭菌法处理过的培养基，在无菌条件下放置过夜仍可能被污染。（）4.发酵过程中，搅拌的主要目的是为了使微生物均匀分布，避免沉降。（）5.流加发酵属于连续发酵的一种类型。（）6.萃取法分离目标产物是基于目标产物在两种不互溶或微溶溶剂中分配系数的差异。（）7.固定化酶技术比固定化细胞技术具有更高的反应转化效率。（）8.发酵过程中产生的泡沫会妨碍传质，需要及时消除。（）9.任何微生物都可以用于工业发酵生产。（）10.发酵工程产品中，乙醇和乳酸均属于有机酸类产品。（）四、简答题1.简述分批发酵和连续发酵的主要区别及其各自的特点。2.简述影响发酵罐传质效率的主要因素。3.简述固定化酶和固定化细胞的优缺点。4.简述发酵过程中常用的灭菌方法及其原理。五、计算题1.某工厂采用分批补料方式生产某抗生素，初始接种量为10L培养液（含菌体干重0.5g/L），当发酵液体积达到50L时，开始以恒定的流速补加新鲜培养基（含营养物质A10g/L）。假设营养物质A的消耗速率为0.1g/(g菌体·h)，且发酵过程中菌体浓度保持恒定（忽略补料液带入的菌体）。试计算：（1）发酵液体积达到50L时，培养液中的菌体干重是多少？（2）从开始补料到发酵结束（假设营养物质A刚好耗尽），培养液中营养物质A的总量减少了多少？（不考虑补料液体积变化和菌体生长对A消耗的影响）2.某生物反应器内体积为100L，装有80L液体培养基，接种量为10%（体积分数）。培养过程中，微生物呼吸作用消耗氧气，产生的二氧化碳被载气带走，反应器内的溶氧浓度（饱和浓度）为8mg/L。测量发现，稳态运行时，氧气的实际浓度仅为1mg/L。假设微生物耗氧速率为0.1mgO2/(g干菌·h)，菌体干重浓度为10g/L。试计算该反应器的溶氧传递效率（KLa）。（提示：KLa=V*(Ca_sat-Ca)/(Qt*(Ca_sat-Ca_0))，其中V为体积，Ca_sat为饱和氧浓度，Ca为实际氧浓度，Qt为比耗氧速率，Ca_0为入口氧浓度，通常假设为零或忽略）六、论述题1.试论述发酵工程在食品、医药、化工等工业领域的重要意义及应用前景。2.结合实际，论述发酵过程中进行无菌控制的重要性以及可能遇到的主要挑战。试卷答案一、选择题1.B2.B3.C4.A5.D6.A7.C8.D9.C10.D二、填空题1.代谢2.灼烧灭菌法3.氧气、营养物质4.指数5.发酵液、纯化6.化学结合7.D值8.生产9.排除泡沫10.抗生素三、判断题1.错误2.正确3.正确4.正确5.正确6.正确7.正确8.正确9.错误10.错误四、简答题1.答：分批发酵是指将微生物接种到装有初始培养基的发酵罐中，发酵过程不再补充培养基，直至发酵结束。连续发酵是指将新鲜培养基连续不断地补入发酵罐，同时等量地连续取出发酵液，使罐内发酵液体积和成分保持相对稳定的状态。特点：*分批发酵：操作简单，设备投资相对较低，但发酵周期长，产物浓度和产量可能受限，过程不易控制。*连续发酵：发酵周期短，产物浓度和产量高，过程易于控制，适合大规模工业化生产，但操作要求高，对菌种和条件稳定性要求高，易染菌。2.答：影响发酵罐传质效率的主要因素包括：*搅拌速度：搅拌能促进液体混合，增加发酵液中的溶解氧浓度梯度，提高氧气传递速率。但搅拌速度过高会增加能耗，并可能对细胞造成剪切损伤。*通气量：通气提供氧气并带走二氧化碳等代谢产物，增大气液两相接触面积和传质推动力。通气量不足会导致缺氧，影响好氧微生物生长和产物合成；通气量过大可能产生过多泡沫。*发酵罐结构：发酵罐的形状、尺寸、挡板设计等都会影响液体的流动模式，进而影响传质效率。例如，挡板的存在可以增加液体湍流，强化传质。*发酵液粘度：粘度越高，分子扩散越慢，传质阻力越大。发酵过程中产物积累或菌体生长可能导致粘度增加，影响传质。*微生物自身因素：细胞膜的通透性、细胞呼吸速率等也会影响对氧气等气体的利用效率。3.答：*固定化酶：*优点：酶可重复使用，稳定性提高，易于从反应体系中分离，便于实现连续化生产，可简化产物纯化步骤。*缺点：酶的固定化过程可能导致部分酶活性损失，传质阻力可能增大，固定化方法本身可能成本较高。*固定化细胞：*优点：利用细胞内多种酶系，能进行复杂反应，操作相对简单，成本可能较低。*缺点：细胞活性通常低于游离细胞，稳定性较差，分离纯化产物时可能较困难，传质和酶促反应动力学复杂。4.答：*灼烧灭菌法（干热灭菌法）：利用高温干热空气灭菌。原理是高温使微生物的蛋白质变性、酶失活、细胞结构破坏。通常用于灭菌玻璃器皿、金属器具、石棉滤板等耐高温物品。要求温度高（160-180℃），时间长（1-4小时）。*高压蒸汽灭菌法（湿热灭菌法）：利用高压下的饱和蒸汽进行灭菌。原理是高温高湿能使微生物的蛋白质变性凝固，细胞壁破裂，核酸降解。效率高，效果好，是实验室和工业生产中最常用的灭菌方法。通常在103-105kPa（1.05-1.1kg/cm²）压力下，温度达121-126℃，灭菌时间根据物品性质和体积而定（通常15-30分钟）。*过滤除菌法：利用多孔滤材将液体或气体中的微生物截留，以达到除菌目的。原理是利用物理屏障。适用于热敏性物质（如抗生素、酶）的除菌。不能去除热原。*紫外线照射法：利用紫外线（特别是UV-C）照射破坏微生物的DNA和RNA结构，使其失去繁殖能力。原理是破坏遗传物质。适用于表面、空气和少量液体的消毒，穿透力弱，易被有机物吸收，对生物安全有要求。五、计算题1.答：（1）初始接种量为10L，菌体干重浓度为0.5g/L，则初始菌体干重=10L*0.5g/L=5g。发酵液体积达到50L时，假设菌体浓度保持恒定，则此时菌体干重浓度为5g/50L=0.1g/L。此时培养液中的菌体干重=50L*0.1g/L=5g。（2）营养物质A的消耗速率为0.1g/(g菌体·h)。从开始补料到发酵结束，菌体总量不变，仍为5g。总消耗量=菌体总量*消耗速率*时间。需要计算消耗时间。初始10L培养基和后续补加的培养基中营养物质A总量=(10L+补料液体积*补料速率)*10g/L。补料液体积=发酵液最终体积-初始体积=50L-10L=40L。补料速率为(50L-10L)/发酵时间=40L/发酵时间(L/h)。补料液中的A总量=40L*10g/L/发酵时间=400g/发酵时间(g)。发酵液初始A含量=10L*10g/L=100g。总投入A=初始A+补料A=100g+400g/发酵时间(g)。发酵过程A的消耗量=菌体总量*消耗速率*时间=5g*0.1g/(g菌体·h)*发酵时间=0.5*发酵时间(g)。A刚好耗尽时：总投入A=发酵过程A的消耗量。100+400/发酵时间=0.5*发酵时间。100*发酵时间+400=0.5*(发酵时间)^2。0.5*(发酵时间)^2-100*发酵时间-400=0。(发酵时间)^2-200*发酵时间-800=0。解一元二次方程：(发酵时间+4)*(发酵时间-200)=0。发酵时间=200h(取正值)。总消耗量=0.5*发酵时间=0.5*200h=100g。答：发酵液体积达到50L时，培养液中的菌体干重是5g；从开始补料到营养物质A刚好耗尽，培养液中营养物质A的总量减少了100g。2.答：*反应器体积V=100L。*液体体积V_liquid=80L。*接种量=10%，即液体体积占总体积的10%，V_liquid=0.1*V=0.1*100L=10L。此处计算有矛盾，按题目给定的80L计算。*微生物耗氧速率Qt=0.1mgO2/(g干菌·h)。*菌体干重浓度X=10g/L。*发酵液体积(V_liquid)=80L。*菌体总量(M)=X*V_liquid=10g/L*80L=800g。*比耗氧速率Qt=0.1mgO2/(g干菌·h)。*总耗氧速率Q=Qt*M=0.1mgO2/(g干菌·h)*800g=80mgO2/h。*氧气饱和浓度Ca_sat=8mg/L。*实际氧浓度Ca=1mg/L。*入口氧浓度Ca_0=0mg/L(假设忽略不计)。*代入KLa公式：KLa=V_liquid*(Ca_sat-Ca)/(Qt*V_liquid*(Ca_sat-Ca_0))*KLa=80L*(8mg/L-1mg/L)/(0.1mgO2/(g干菌·h)*800g*80L)*KLa=80L*7mg/L/(0.1*800*80L*mgO2/g干菌)*KLa=560L/(L·h)/(6400L·mgO2/(L·g干菌))*KLa=560/6400L/(L·h)·(g干菌/mgO2)*KLa=0.0875L/(L·h)*答：该反应器的溶氧传递效率（KLa）为0.0875L/(L·h)。六、论述题1.答：发酵工程是现代生物技术的重要分支，利用微生物（或动植物细胞、组织）的特定代谢功能，在适宜的条件下进行大规模培养，以生产有用物质或完成特定生物转化过程。其重要意义及应用前景体现在：*食品工业：生产各种食品添加剂（如氨基酸、有机酸、维生素）、食品保藏剂（如乙醇、醋酸）、风味物质、调味品（如酱油、醋、腐乳）、饮料（如啤酒、葡萄酒）以及单细胞蛋白（SCP）作为蛋白质来源。应用前景在于开发更健康、天然、功能性的食品成分。*医药工业：是抗生素（青霉素、链霉素等）、疫苗（如乙肝疫苗）、激素（如胰岛素）、氨基酸（如L-谷氨酸用于生产味精）、维生素（如维生素B2、维生素C）、生物酶制剂（如淀粉酶、蛋白酶）以及各种药用中间体和原料药的主要生产手段。应用前景在于利用基因工程等手段改造微生物，生产更多疗效更好、成本更低的药物和生物制品。*化工工业：生产有机酸（如柠檬酸、乳酸）、醇类（如乙醇、丁醇）、酯类香料、生物聚合物（如聚羟基脂肪酸酯PHA）、酶制剂以及用于农业的植物生长调节剂等。应用前景在于开发绿色、可持续的化工原料和能源替代品（如生物燃料）。*农业：生产微生物肥料、生物农药、生物除草剂以及用于动植物饲料添加剂的酶制剂和维生素。应用前景在于发展环境友好、高效的生物农业技术。*环境治理：利用微生物进行废水处理、废气净化、固体废弃物堆肥等。应用前景在于构建高效、智能的生物反应器用于环境修复。*其他：还可用于生物传感器、生物检测等领域。随着生物技术的飞速发展，特别是基因工程、细胞工程、酶工程等技术的融合应用，发酵工程将在深度、广度上不断拓展，为人类提供更多高附加值产品，满足社会经济发展和人民生活水平提高的需求，具有广阔的应用前景。2.答：无菌控制在发酵工程中至关重要，贯穿于从种子培养、发酵过程到产品收获的整个环节。其重要性体现在：*保证产品质量和安全性：防止杂菌污染是确保发酵产物纯度、收率和稳定性的关键。杂菌的存在不仅会与生产菌竞争营养物质，消耗能量，影响产物合成，甚至产生对产物有害或有毒的物质，还可能导致发酵过程异常，甚至失败。对于医药、食品等工业，杂菌污染还可能带来食品安全和生物安全风险。*保证生产效率和经济性：杂菌污染会消耗大量资源（培养基、能源、时间