考研生物工程2025年生物技術(shù)裝備試卷（含答案）考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。下列每小題選項中，只有一項符合題意，請將正確選項的代表字母填在題后的括號內(nèi)。）1.在連續(xù)攪拌罐反應(yīng)器（CSTR）中，為了保證良好的混合，通常采用什么攪拌方式？A.低速平槳攪拌B.高速渦輪攪拌C.槳式與渦輪結(jié)合攪拌D.無攪拌2.對于處理高濃度固體廢物的生物處理工藝，以下哪種反應(yīng)器形式通常更適用？A.填料床反應(yīng)器B.攪拌罐反應(yīng)器C.流化床反應(yīng)器D.膜生物反應(yīng)器3.下列哪種層析技術(shù)最適合分離分子量大小差異顯著的蛋白質(zhì)？A.離子交換層析B.凝膠過濾層析（分子排阻層析）C.親和層析D.反相層析4.在生物傳感器中，將生物識別信號轉(zhuǎn)換為可測量電信號的元件通常稱為？A.敏感元件B.信號轉(zhuǎn)換器C.檢測系統(tǒng)D.生物基體5.在生物工程過程中，對發(fā)酵罐進行在線溶氧濃度監(jiān)測，其主要目的是？A.精確計算微生物呼吸商B.直接測定微生物濃度C.判斷氧氣傳遞是否是限制步驟，并指導(dǎo)通氣量調(diào)節(jié)D.監(jiān)測設(shè)備密封性6.微濾和超濾在分離原理和膜孔徑大小上有什么主要區(qū)別？A.微濾膜孔徑更大，主要分離大分子和細胞；超濾膜孔徑較小，可分離蛋白質(zhì)、多糖等。B.微濾主要用于分離懸浮顆粒，超濾主要用于液體澄清。C.微濾分離基于壓力，超濾分離基于電荷。D.微濾和超濾原理和孔徑大小基本相同。7.在生物工藝流程中，采用固定床反應(yīng)器的主要優(yōu)點之一是？A.易于攪拌和混合B.處理能力大，停留時間可控C.設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，不易堵塞D.傳質(zhì)效率極高8.下列哪項不屬于生物技術(shù)裝備過程控制的主要內(nèi)容？A.溫度控制B.pH控制C.厭氧環(huán)境維持D.滅菌參數(shù)設(shè)置9.基因測序儀的發(fā)展對生物技術(shù)裝備帶來了哪些影響？A.推動了高通量篩選設(shè)備的需求B.促進了微流控芯片在樣本處理中的應(yīng)用C.提高了生物反應(yīng)器自動控制的要求D.以上都是10.選擇生物反應(yīng)器時，不需要重點考慮的因素是？A.目標(biāo)產(chǎn)物的性質(zhì)B.微生物的生長代謝特性C.工藝規(guī)模和經(jīng)濟成本D.操作人員的個人喜好二、名詞解釋（每小題3分，共15分。請用簡明、準(zhǔn)確的語言解釋下列名詞。）1.傳質(zhì)系數(shù)2.固定化酶3.膜生物反應(yīng)器（MBR）4.單元操作5.微流控技術(shù)三、簡答題（每小題5分，共20分。請簡要回答下列問題。）1.簡述攪拌在生物反應(yīng)器中的主要作用。2.與傳統(tǒng)層析相比，膜分離技術(shù)有哪些優(yōu)點？3.生物傳感器通常由哪幾部分構(gòu)成？各自的功能是什么？4.簡述生物技術(shù)裝備自動化控制的意義。四、論述題（每小題10分，共20分。請結(jié)合所學(xué)知識，回答下列問題。）1.論述影響生物反應(yīng)器中傳質(zhì)效率的主要因素，并提出相應(yīng)的提高傳質(zhì)效率的工程措施。2.以你熟悉的一種生物產(chǎn)品（如抗生素、酶、抗體等）為例，簡述其生產(chǎn)過程中涉及的主要分離純化步驟、所用設(shè)備及其選擇依據(jù)。---試卷答案一、選擇題1.B2.C3.B4.B5.C6.A7.B8.D9.D10.D二、名詞解釋1.傳質(zhì)系數(shù)：在特定條件下，單位濃度差驅(qū)動下，通過單位接觸面積進行傳遞的物質(zhì)量，是衡量傳質(zhì)過程快慢的動力學(xué)參數(shù)。**解析思路：*考察對傳質(zhì)基本概念的理解。傳質(zhì)系數(shù)（k值）是描述物質(zhì)（如氧氣、營養(yǎng)物質(zhì)）從流體主體向微生物細胞或從細胞向流體主體擴散速率的關(guān)鍵參數(shù)，受濃度梯度、溫度、攪拌、細胞膜特性等多種因素影響。定義需包含“單位濃度差驅(qū)動”、“單位接觸面積”、“傳遞物質(zhì)量”、“衡量快慢”等核心要素。2.固定化酶：將酶分子或酶細胞通過物理或化學(xué)方法固定在一定的載體上，使其仍保持酶活性和可重復(fù)使用性能的技術(shù)。**解析思路：*考察對固定化技術(shù)核心概念的理解。固定化酶技術(shù)是將自由酶轉(zhuǎn)化為固定形態(tài)，目的是使酶可以重復(fù)使用、易于從反應(yīng)體系中分離、便于工業(yè)化生產(chǎn)和處理。定義需包含“酶”、“固定在載體上”、“保持酶活性”、“可重復(fù)使用”等關(guān)鍵點。3.膜生物反應(yīng)器（MBR）：將生物處理單元（如活性污泥法）與膜分離技術(shù)（如微濾、超濾）相結(jié)合的一種新型污水處理技術(shù)，利用膜分離組件替代傳統(tǒng)二沉池，實現(xiàn)固液分離。**解析思路：*考察對MBR技術(shù)的核心構(gòu)成和原理的理解。MBR是生物技術(shù)與膜技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，其核心是“生物反應(yīng)器+膜分離”，關(guān)鍵作用是“替代二沉池實現(xiàn)固液分離”，從而帶來出水水質(zhì)好、占地面積小、污泥濃度高等優(yōu)點。4.單元操作：在化學(xué)工程和生物工程中，將復(fù)雜的工藝過程分解為若干個基于物理原理、與物料性質(zhì)無關(guān)的基本操作單元，如流體輸送、傳熱、傳質(zhì)、混合、分離等。**解析思路：*考察對單元操作概念的理解。單元操作是工程學(xué)科分析問題的基礎(chǔ)，它關(guān)注的是操作本身的物理原理（如傳熱定律、流體力學(xué)），而不是特定物料或產(chǎn)品的化學(xué)/生物特性。常見的單元操作在生物技術(shù)裝備中無處不在，如反應(yīng)器的攪拌（混合）、冷卻夾套（傳熱）、過濾設(shè)備（分離）等。5.微流控技術(shù)：在微米或亞微米尺度上對流體進行操控的技術(shù)，通常在具有精密通道結(jié)構(gòu)的芯片上進行，可實現(xiàn)樣品處理、反應(yīng)、分離等操作的微型化、集成化和自動化。**解析思路：*考察對微流控技術(shù)基本特征的理解。微流控的核心特征是“微尺度”（微米級）、“流體操控”、“芯片上集成”。其優(yōu)勢在于“高通量”、“低能耗”、“精準(zhǔn)控制”、“自動化”，廣泛應(yīng)用于生物分析、藥物篩選、細胞操作等領(lǐng)域。三、簡答題1.簡述攪拌在生物反應(yīng)器中的主要作用。*增強流體混合，減小反應(yīng)器內(nèi)濃度、溫度和pH的梯度，保證反應(yīng)物均勻供應(yīng)到微生物細胞，產(chǎn)物及時移走，為微生物提供均勻的培養(yǎng)環(huán)境。*促進傳質(zhì)過程，特別是氧氣的傳遞和營養(yǎng)物質(zhì)的分散，克服自然對流的限制，提高傳質(zhì)效率。*促進傳熱，有助于維持反應(yīng)器內(nèi)溫度的均勻性，防止局部過熱或過冷。*防止微生物沉降，尤其對于固液相分離困難的懸浮培養(yǎng)體系，良好的攪拌可以維持微生物的均勻分散狀態(tài)。*防止泡沫生成和破裂，通過攪拌可以破碎已形成的較大氣泡，并有助于控制泡沫的產(chǎn)生。**解析思路：*考察對攪拌功能的多方面理解?；卮饝?yīng)涵蓋混合、傳質(zhì)（氧氣、營養(yǎng)）、傳熱、防沉降、控泡沫等主要作用，并說明其背后的原理（如克服自然對流、增強分子擴散等）。2.與傳統(tǒng)層析相比，膜分離技術(shù)有哪些優(yōu)點？*分離過程通常在接近常溫常壓下進行，能耗低，操作條件溫和。*分離過程一般不發(fā)生相變，對被分離物質(zhì)（特別是熱敏性物質(zhì)）的破壞小，產(chǎn)品純度高，易得。*設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，體積小，占地面積小，操作方便，易于實現(xiàn)連續(xù)化和自動化。*分離效率高，尤其對于分子量大小、形狀差異明顯的物質(zhì)。*通常不使用有機溶劑，環(huán)境友好，過程更安全。**解析思路：*考察對膜分離技術(shù)優(yōu)勢的掌握。與傳統(tǒng)層析相比，膜分離在能耗、產(chǎn)品破壞、設(shè)備占地、操作方式、效率、環(huán)保安全等方面通常具有優(yōu)勢?；卮饡r應(yīng)突出這些核心對比點。3.生物傳感器通常由哪幾部分構(gòu)成？各自的功能是什么？*敏感元件（SensingElement）：直接接觸被測物質(zhì)，發(fā)生物理化學(xué)變化或生物學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生與待測物濃度成一定關(guān)系的信號。其功能是“識別”和“響應(yīng)”。*信號轉(zhuǎn)換器（SignalTransducer）：將敏感元件產(chǎn)生的微弱信號（如酶促反應(yīng)放熱、電勢變化等）轉(zhuǎn)換為可測量或可處理的信號（如光信號、電信號、壓力信號等）。其功能是“轉(zhuǎn)換”信號形式。*檢測系統(tǒng)/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（Detection/ReadoutSystem）：接收來自信號轉(zhuǎn)換器的信號，進行放大、處理、顯示或記錄。其功能是“測量”、“顯示”或“輸出”結(jié)果。**解析思路：*考察對生物傳感器基本結(jié)構(gòu)的理解。標(biāo)準(zhǔn)的生物傳感器通常包含三個核心部分：負責(zé)“識別”的被測物的是敏感元件；負責(zé)“轉(zhuǎn)換”信號的是信號轉(zhuǎn)換器；負責(zé)“測量”和“輸出”的是檢測系統(tǒng)。需明確各部分的名稱和核心功能。4.簡述生物技術(shù)裝備自動化控制的意義。*穩(wěn)定生物工藝過程，維持最佳操作條件（如溫度、pH、溶氧等），保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。*提高生產(chǎn)效率，減少人工干預(yù)，實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定運行，優(yōu)化工藝參數(shù)。*降低勞動強度，保障操作人員安全，尤其是在處理危險品或進行高溫高壓操作時。*節(jié)約能源和原料，通過精確控制減少浪費。*便于實現(xiàn)遠程監(jiān)控和管理，適應(yīng)大規(guī)模、多工廠的生產(chǎn)需求。*為過程優(yōu)化和智能控制奠定基礎(chǔ)。**解析思路：*考察對自動化控制價值的理解?；卮饝?yīng)從過程穩(wěn)定性、效率提升、勞動安全、資源節(jié)約、管理便利以及未來發(fā)展等多個維度闡述自動化控制的重要性。四、論述題1.論述影響生物反應(yīng)器中傳質(zhì)效率的主要因素，并提出相應(yīng)的提高傳質(zhì)效率的工程措施。*影響因素：*流體動力學(xué)條件：反應(yīng)器內(nèi)的流動狀態(tài)（層流或湍流）、混合效果、剪切力。湍流和良好混合能增強主體與界面之間的濃度梯度，提高傳質(zhì)速率。*傳質(zhì)阻力：包括膜阻力（細胞外膜、細胞內(nèi)膜、細胞壁等）和擴散阻力（液膜層）。膜通透性、厚度以及擴散距離都會影響傳質(zhì)速率。*操作參數(shù)：如攪拌速度（影響混合和剪切）、通氣量（影響氧氣傳遞）、溫度（影響分子擴散系數(shù)和酶活性）、壓力（影響氣體溶解度）。*系統(tǒng)特性：微生物的細胞大小、形狀、表面特性（電荷、疏水性）、細胞聚集狀態(tài)等。細胞團塊內(nèi)部傳質(zhì)效率遠低于單個細胞。*被傳質(zhì)物質(zhì)性質(zhì)：分子量大小、溶解度、電荷狀態(tài)等。*提高傳質(zhì)效率的工程措施：*強化混合與攪拌：優(yōu)化攪拌器類型（如推進式、渦輪式）、安裝位置和轉(zhuǎn)速，提高反應(yīng)器內(nèi)湍流程度和整體混合效果，減小主體與細胞界面之間的濃度梯度。對于高粘度或高固體含量的體系，可能需要特殊設(shè)計的攪拌或流化技術(shù)。*增加界面面積：采用微載體、固定化細胞或細胞immobilization技術(shù)，增大生物催化劑與反應(yīng)液的接觸界面，縮短傳質(zhì)路徑。*優(yōu)化氣體分散：改進通氣系統(tǒng)設(shè)計（如使用特殊噴嘴、增加氣液接觸面積），提高氣體在液體中的分散效率，增加氧氣的溶解和傳質(zhì)速率。*選擇合適的反應(yīng)器類型：根據(jù)傳質(zhì)限制和過程需求，選擇或設(shè)計具有高效傳質(zhì)特性的反應(yīng)器，如氣升式反應(yīng)器、螺旋攪拌反應(yīng)器、微流控芯片反應(yīng)器等。*調(diào)整操作條件：在允許范圍內(nèi)提高攪拌速度或通氣量，適當(dāng)升高溫度（注意酶失活問題），調(diào)整pH和補料策略，以優(yōu)化傳質(zhì)過程。*表面修飾：對細胞或微載體進行表面改性，改變其表面性質(zhì)（如親疏水性、電荷），可能有助于改善傳質(zhì)。**解析思路：*論述題要求全面、深入。首先需系統(tǒng)列出影響傳質(zhì)效率的關(guān)鍵因素（涵蓋物理、生物、操作、系統(tǒng)、物質(zhì)性質(zhì)等層面）。然后針對這些因素，提出具體、可行的工程措施，并簡要說明其原理?；卮饝?yīng)體現(xiàn)對傳質(zhì)過程機理的理解和解決實際工程問題的能力。2.以你熟悉的一種生物產(chǎn)品（如抗生素、酶、抗體等）為例，簡述其生產(chǎn)過程中涉及的主要分離純化步驟、所用設(shè)備及其選擇依據(jù)。*示例產(chǎn)品：青霉素（抗生素）*主要分離純化步驟：1.發(fā)酵液預(yù)處理：發(fā)酵結(jié)束后，通過離心或過濾（如板框過濾、轉(zhuǎn)鼓過濾）去除菌體細胞和大部分固形物，得到含目標(biāo)產(chǎn)物和雜質(zhì)的發(fā)酵液。有時會進行調(diào)節(jié)pH、升溫破壁等操作以利于后續(xù)過濾。**所用設(shè)備：*離心機、板框過濾機、轉(zhuǎn)鼓過濾機、壓濾機。**選擇依據(jù)：*根據(jù)固形物含量和粒徑選擇合適的固液分離設(shè)備。離心機適用于快速分離，過濾適用于去除較大顆粒。預(yù)處理階段要求設(shè)備能高效去除菌體，保護后續(xù)設(shè)備（如層析柱）不被堵塞。2.初步純化（萃取/吸附等）：可采用溶劑萃?。ㄈ缬袡C溶劑萃取青霉素堿）、吸附法（如離子交換吸附柱初步吸附青霉素）等方法，去除部分水溶性雜蛋白、色素等。此步可選，用于提高后續(xù)層析效率。**所用設(shè)備：*萃取塔、攪拌釜、離子交換柱。**選擇依據(jù)：*根據(jù)青霉素的性質(zhì)（如酸堿性、溶解性）和雜質(zhì)的性質(zhì)選擇。萃取利用分配系數(shù)差異，吸附利用吸附親和力差異。選擇設(shè)備需考慮處理量、選擇性、操作便捷性。3.深度純化（層析）：這是青霉素純化的核心步驟，通常采用離子交換層析（去除帶相反電荷的雜蛋白）、凝膠過濾層析（去除分子量差異大的雜蛋白，按分子大小分離）或親和層析（利用青霉素與特定配體的結(jié)合進行選擇性吸附純化）。**所用設(shè)備：*離子交換層析柱、凝膠過濾層析柱、親和層析柱、層析餾分收集器。**選擇依據(jù)：*根