2025年大學《化學》專業(yè)題庫——化學工程在生物技術中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項字母填在括號內(nèi)）1.在動物細胞培養(yǎng)生物反應器中，提高氧氣傳遞效率的關鍵措施之一是（）。A.降低攪拌速度B.使用低粘度培養(yǎng)基C.增大氣液接觸面積D.降低操作壓力2.對于酶催化反應，以下哪個因素通常對反應速率的影響最為顯著？（）A.底物濃度B.溫度C.pH值D.以上都是，但程度不同3.在生物產(chǎn)品的分離純化過程中，若目標產(chǎn)物分子量較小且?guī)щ姾?，以下哪種分離技術可能最為有效？（）A.超濾B.逆流萃取C.離心分離D.離子交換色譜4.與傳統(tǒng)板式塔相比，填料塔在生物反應過程中的主要優(yōu)勢之一是（）。A.處理能力更大B.液體分布更均勻C.操作彈性更寬D.建設成本更低5.在生物工藝放大過程中，需要特別關注并可能進行修正的因素是（）。A.反應器尺寸B.混合時間C.傳質(zhì)系數(shù)D.以上都是6.用于從發(fā)酵液中分離去除細胞群的常用單元操作是（）。A.吸附B.膜過濾（微濾或超濾）C.液-液萃取D.離心分離7.以下哪種分離方法屬于基于分子大小進行分離的膜分離技術？（）A.超臨界流體萃取B.電滲析C.納濾D.微濾8.在生物技術產(chǎn)品的下游工程中，結晶通常被用作（）。A.預分離步驟B.最終純化步驟C.原料預處理步驟D.活性保持步驟9.為了防止膜分離過程中膜污染，可以采取的措施包括（）。A.調(diào)整操作溫度B.控制跨膜壓差C.定期清洗膜D.以上都是10.符合綠色化學工程理念的生物技術過程應該是（）。A.產(chǎn)率最高B.能耗最低C.對環(huán)境最友好D.成本最低二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.生物反應器設計中，為了描述反應器內(nèi)物料的混合情況，通常引入______和______兩個無量綱數(shù)。2.在固定床生物反應器中，傳質(zhì)阻力主要集中在______和______之間。3.分離因數(shù)是衡量萃取過程______的指標。4.影響生物分離過程效率的關鍵因素除了傳質(zhì)效率外，還包括______和______。5.生物工藝放大遵循的______原則指出，當反應器體積增加時，為了保持相同的轉化率，反應器內(nèi)體積比表面積應保持不變。6.膜分離技術的應用范圍很廣，根據(jù)孔徑大小，可分為微濾、超濾、______和______等。7.在生物技術過程中，吸附法常用于______和______。8.攪拌是攪拌式生物反應器中實現(xiàn)______和______的重要手段。9.酶反應動力學中，米氏方程描述了酶促反應速率與______和______之間的關系。10.采用中空纖維膜進行氣體分離時，氣體分子主要通過______方式通過膜孔。三、簡答題（每小題5分，共15分）1.簡述提高生物反應器混合效率對生物反應過程的意義。2.比較板式塔和填料塔在生物技術過程中作為分離設備時的主要優(yōu)缺點。3.簡述生物分離過程中“下游工程”的概念及其主要包含的單元操作類型。四、計算題（共15分）某攪拌罐式生物反應器，有效體積為10m3，用于培養(yǎng)微生物生產(chǎn)某目標產(chǎn)物。在一定條件下，測得微生物生長符合Monod模型，最大比生長速率μmax=0.5h?1，半飽和常數(shù)Ks=0.1g/L。假設反應器內(nèi)微生物濃度X=10g/L，底物初始濃度Cs=10g/L，忽略產(chǎn)物對生長的抑制。試計算：（1）當反應器內(nèi)底物濃度降至5g/L時，微生物的比生長速率是多少？（2）若要求底物濃度維持在3g/L以上，理論上該反應器允許的最大停留時間是多少？（假設無底物補充）五、論述題（共20分）結合你所學的化學工程知識，論述如何通過優(yōu)化生物反應器設計和操作條件，提高生物產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。請從至少三個方面進行闡述，例如反應器類型選擇、混合與傳質(zhì)、操作參數(shù)調(diào)控等。試卷答案一、選擇題1.C2.D3.D4.B5.D6.B7.D8.B9.D10.C二、填空題1.攪拌強度混合時間2.固體顆粒之間固體顆粒與流體之間3.選擇性4.傳質(zhì)推動力傳質(zhì)面積5.體積比表面積6.納濾反滲透7.去除雜質(zhì)純化目標產(chǎn)物8.混合傳質(zhì)9.底物濃度酶濃度10.溶解擴散三、簡答題1.解析思路：混合效率直接影響反應物（如氧氣、營養(yǎng)物質(zhì)）向微生物的傳遞速率和代謝產(chǎn)物從微生物向液相的擴散速率。良好的混合可以減小反應器內(nèi)的濃度梯度和溫度梯度，保證反應器內(nèi)物料分布均勻，使微生物始終處于最佳的生長和代謝環(huán)境，從而提高反應速率和產(chǎn)物得率，避免局部“耗盡”或“積累”現(xiàn)象。2.解析思路：板式塔優(yōu)點是處理能力大、壓降小、易于清洗；缺點是液體分布可能不均勻，易堵塞，對物性變化敏感。填料塔優(yōu)點是壓降小、操作彈性大、不易堵塞、傳質(zhì)效率高；缺點是處理能力相對較小、液體分布對填料性能敏感、清洗困難。在生物技術中，填料塔因其較好的傳質(zhì)性能和操作彈性，在精餾、萃取等過程中有較多應用，但需注意選擇合適的填料和保證預分布器的效果。3.解析思路：“下游工程”指在生物反應結束后，對發(fā)酵液或細胞培養(yǎng)物進行一系列處理，以分離、純化目標產(chǎn)物，并去除雜質(zhì)，最終得到符合質(zhì)量要求產(chǎn)品的過程。主要單元操作包括：固液分離（如離心、過濾）、萃取、吸附、膜分離、色譜、結晶、干燥等。四、計算題（1）解析思路：根據(jù)Monod模型，比生長速率μ=μmax*(Cs/(Ks+Cs))。將Cs=5g/L,μmax=0.5h?1,Ks=0.1g/L代入公式計算即可。計算：μ=0.5*(5/(0.1+5))=0.5*(5/5.1)≈0.490h?1（2）解析思路：要求底物濃度維持在3g/L以上，即反應過程中Cs始終大于等于3g/L。設允許的最大停留時間為τ，初始底物濃度Cs?=10g/L，最終底物濃度Cs=3g/L。假設無底物補充，微生物生長速率為μ，則μ=dX/dτ。根據(jù)Monod模型μ=μmax*(Cs/(Ks+Cs))。在τ時刻，X=X?+μ*τ。聯(lián)立方程組，消去X和μ，即可求解τ。計算：設初始微生物濃度X?=10g/L。根據(jù)Monod模型μ=0.5*(Cs/(0.1+Cs))。在τ時刻，微生物濃度X=10+∫??μdτ=10+∫??0.5*(Cs(t)/(0.1+Cs(t)))dτ。由于dX/dτ=μ，即dX=0.5*(Cs/(0.1+Cs))dτ。積分∫(X?toX)dX=∫??0.5*(Cs(t)/(0.1+Cs(t)))dτ。∫(X?toX)dX=X-X?=0.5∫??(Cs(t)/(0.1+Cs(t)))dτ。因為X=10+∫??μdτ，所以X-10=∫??μdτ。將μ代入：X-10=∫??0.5*(Cs(t)/(0.1+Cs(t)))dτ。即X-10=0.5*∫??(Cs(t)/(0.1+Cs(t)))dτ。兩邊平方：(X-10)2=(0.5)2*(∫??(Cs(t)/(0.1+Cs(t)))dτ)2。這個積分方程直接求解復雜，通常采用近似或數(shù)值方法。但可以近似認為在大部分時間內(nèi)底物濃度接近一個值。當?shù)孜餄舛葟?0降至3時，平均底物濃度約為6.5g/L。近似計算：平均μ≈0.5*(6.5/(0.1+6.5))≈0.5*(6.5/6.6)≈0.492h?1。τ≈(X-X?)/μ≈(10+0.492*τ-10)/0.492≈τ/0.492。解得τ≈6.3h。更精確的方法需要數(shù)值積分，但此近似可給出一個合理估計。按題目要求，此處給出解析思路和計算步驟。五、論述題解析思路：論述應圍繞如何利用化學工程原理優(yōu)化生物反應器設計和操作，以提升產(chǎn)量（速率和總量）和產(chǎn)品質(zhì)量（純度、活性等）。需結合具體原理展開?？梢詮囊韵路矫嬲归_：1.反應器類型選擇與設計：根據(jù)生物過程特性（如生長階段、產(chǎn)物合成方式、對混合的要求）選擇合適的反應器類型（如攪拌罐、固定床、流化床、膜反應器等）。優(yōu)化反應器結構（如攪拌槳式、擋板設計、填料類型和布置）以改善混合和傳質(zhì)效率。例如，對于需要高效傳質(zhì)的微生物反應，應選擇或設計具有高體積傳質(zhì)系數(shù)的反應器。2.混合與傳質(zhì)強化：強調(diào)良好混合對于減小濃度和溫度梯度、保證反應器內(nèi)物料均勻分布的重要性。討論強化混合和傳質(zhì)的方法，如優(yōu)化攪拌器設計、提高攪拌速度（在能耗允許范圍內(nèi)）、采用新型混合設備（如靜態(tài)混合器、微通道反應器）、利用外場（如超聲波、磁場）等。高效的混合和傳質(zhì)能確保營養(yǎng)物供應、氧氣傳遞充足，并及時移走產(chǎn)物和代謝熱，從而維持高細胞密度和較高的比生長速率/產(chǎn)物生成速率，并有助于提高產(chǎn)物質(zhì)量和產(chǎn)率。3.操作參數(shù)優(yōu)化：論述通過優(yōu)化關鍵操作參數(shù)（如溫度、pH、溶氧、攪拌速度、通氣量、補料策略等）對生物反應過程的影響。這通常需要結合動力學模型和過程模擬進行。例如，通過精確控制溫度和pH在最優(yōu)范圍內(nèi)，維持酶活性和代謝活性；通過優(yōu)化溶氧水平和通氣策略，保證高細胞密度下的氧氣供應；通過智能補料策略（如分批補料、連續(xù)培養(yǎng)），維持底物濃度在最佳范圍，避免反饋抑制或限制性效應；通過控制攪拌速度，平衡混合效果和能耗。參數(shù)的優(yōu)化最終目標