自考本科生物工程2025年生物反應(yīng)器理論測試試卷（含答案）考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、單項(xiàng)選擇題（每小題2分，共20分。在每小題列出的四個選項(xiàng)中，只有一個是符合題目要求的，請將正確選項(xiàng)字母填在題干后的括號內(nèi)。)1.生物反應(yīng)器中，描述微生物或細(xì)胞濃度隨時間變化的曲線稱為（）。A.產(chǎn)物生成曲線B.傳質(zhì)效率曲線C.生長動力學(xué)曲線D.物料消耗曲線2.對于許多微生物的生長過程，描述其特定生長速率隨底物濃度變化的經(jīng)典模型是（）。A.Monod模型B.Haldane模型C.Michaelis-Menten模型D.Langmuir模型3.在生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)中，增加攪拌的主要目的是（）。A.提供滅菌條件B.控制反應(yīng)溫度C.促進(jìn)底物傳遞和產(chǎn)物移除D.降低反應(yīng)能耗4.生物反應(yīng)器中，通常用（）來衡量氣體與液體之間的傳質(zhì)效率。A.液體通量B.氣體分?jǐn)?shù)C.溶解氧濃度D.傳質(zhì)系數(shù)5.在動物細(xì)胞或組織培養(yǎng)的生物反應(yīng)器中，通常需要特別關(guān)注（）。A.高溫高壓滅菌B.高剪切力保護(hù)C.高濃度鹽環(huán)境D.高底物濃度6.生物反應(yīng)器放大過程中，面臨的主要挑戰(zhàn)之一是（）。A.保持無菌條件B.維持操作參數(shù)的相似性C.提高設(shè)備利用率D.降低生產(chǎn)成本7.用于連續(xù)培養(yǎng)的生物反應(yīng)器通常需要配備（）。A.排出泵和新鮮培養(yǎng)基補(bǔ)給系統(tǒng)B.高效滅菌裝置C.恒溫控制單元D.攪拌裝置8.在生物反應(yīng)器中，描述細(xì)胞濃度與體積的關(guān)系的參數(shù)是（）。A.比生長速率B.容積產(chǎn)率C.干物質(zhì)濃度D.摩爾分?jǐn)?shù)9.無菌操作是生物反應(yīng)器運(yùn)行中至關(guān)重要的一環(huán)，其主要目的是（）。A.防止雜菌污染B.提高反應(yīng)溫度C.增加攪拌效果D.縮短反應(yīng)時間10.利用固定化細(xì)胞或酶進(jìn)行反應(yīng)的生物反應(yīng)器，其主要優(yōu)點(diǎn)之一是（）。A.反應(yīng)物濃度高B.產(chǎn)物分離困難C.可重復(fù)使用D.生長速度快二、填空題（每空2分，共20分。請將正確答案填在橫線上。)1.生物反應(yīng)器的基本功能包括提供適宜的______、______和______環(huán)境，以及有效的混合和傳質(zhì)條件。2.攪拌在生物反應(yīng)器中的作用是強(qiáng)化______和______，確保反應(yīng)物供應(yīng)和產(chǎn)物移除。3.生物反應(yīng)器的放大通常遵循______原理，即保持關(guān)鍵操作參數(shù)在相似尺度下的比例關(guān)系。4.在進(jìn)行生物反應(yīng)時，溶解氧是許多好氧微生物生長的______限制因素。5.固定化酶或細(xì)胞技術(shù)可以提高生物催化劑的______和______。6.生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)需要考慮的因素包括反應(yīng)類型、______、______、操作方式和規(guī)模等。7.無菌保障系統(tǒng)是用于生物反應(yīng)器______和______的關(guān)鍵組成部分。8.衡量生物反應(yīng)器混合效果的指標(biāo)通常包括______和______。9.發(fā)酵罐作為生物反應(yīng)器的一種，其最典型的應(yīng)用是利用微生物進(jìn)行______的生產(chǎn)。10.微生物生長動力學(xué)研究的是微生物群體數(shù)量隨______和______的變化規(guī)律。三、名詞解釋（每小題4分，共20分。請給出每個名詞的defini??o簡潔明了的解釋。)1.生物反應(yīng)器(Bioreactor)2.生長動力學(xué)(GrowthKinetics)3.傳質(zhì)系數(shù)(MassTransferCoefficient)4.固定化酶(ImmobilizedEnzyme)5.生物反應(yīng)器放大(BioreactorScale-up)四、簡答題（每小題6分，共30分。請簡要回答下列問題。)1.簡述生物反應(yīng)器中攪拌的主要作用及其對傳質(zhì)的影響。2.簡述Monod方程及其在生物反應(yīng)器中的應(yīng)用意義。3.簡述生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)中需要考慮的無菌保障措施。4.簡述固定化細(xì)胞技術(shù)的幾種主要方法及其優(yōu)缺點(diǎn)。5.簡述生物反應(yīng)器放大過程中可能遇到的主要挑戰(zhàn)及應(yīng)對策略。五、論述題（每小題10分，共20分。請就下列問題展開論述。)1.論述生物反應(yīng)器在醫(yī)藥工業(yè)中的重要作用，并舉例說明。2.論述影響生物反應(yīng)器性能的關(guān)鍵因素有哪些，以及如何優(yōu)化這些因素以提高生產(chǎn)效率。試卷答案一、單項(xiàng)選擇題1.C2.A3.C4.D5.B6.B7.A8.C9.A10.C二、填空題1.生化反應(yīng)、能量供應(yīng)、環(huán)境條件2.混合、傳質(zhì)3.相似性4.素5.穩(wěn)定性、易分離6.反應(yīng)規(guī)模、操作條件7.種子培養(yǎng)、生產(chǎn)運(yùn)行8.混合時間、軸向返混9.微生物代謝產(chǎn)物10.時間、培養(yǎng)條件三、名詞解釋1.生物反應(yīng)器：指能夠?yàn)樯锎呋瘎ㄎ⑸?、酶、動植物?xì)胞等）提供適宜的生長或反應(yīng)環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)有效的物質(zhì)傳遞、能量交換和信息傳遞的裝置或系統(tǒng)。2.生長動力學(xué)：研究微生物或細(xì)胞群體數(shù)量隨時間以及環(huán)境條件（如營養(yǎng)物濃度、溫度、pH等）變化的規(guī)律的科學(xué)。3.傳質(zhì)系數(shù)：描述單位時間內(nèi)，單位濃度梯度下，通過單位表面積進(jìn)行傳遞的物質(zhì)的量，是衡量傳質(zhì)速率的參數(shù)。4.固定化酶：將酶分子通過物理或化學(xué)方法固定在不溶性載體上，使其仍保持催化活性，但可重復(fù)使用的技術(shù)。5.生物反應(yīng)器放大：指根據(jù)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的生物反應(yīng)器研究結(jié)果，設(shè)計(jì)和制造更大規(guī)模生產(chǎn)用生物反應(yīng)器的過程，需保持關(guān)鍵操作參數(shù)的相似性比例。四、簡答題1.攪拌在生物反應(yīng)器中的主要作用是產(chǎn)生液體的循環(huán)流動，從而強(qiáng)化反應(yīng)物（如氣體、營養(yǎng)物質(zhì)）向微生物或酶表面的傳遞（傳質(zhì)），以及將反應(yīng)產(chǎn)物從表面移除。良好的混合能減小濃度梯度和溫度梯度，使反應(yīng)器內(nèi)環(huán)境更均勻，提高反應(yīng)效率，并保護(hù)細(xì)胞或酶不被高剪切力損傷。2.Monod方程描述了在限制性底物濃度下，微生物的比生長速率與底物濃度之間的量級關(guān)系，其表達(dá)式為μ=μmax*(S/(Ks+S))，其中μ是比生長速率，μmax是最大比生長速率，S是限制性底物濃度，Ks是半飽和常數(shù)。該方程在生物反應(yīng)器中應(yīng)用廣泛，可用于預(yù)測微生物生長速度，指導(dǎo)培養(yǎng)基設(shè)計(jì)、確定最佳接種量、分析底物消耗動態(tài)以及進(jìn)行生物過程控制。3.生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)中需要考慮的無菌保障措施主要包括：①空氣過濾系統(tǒng)，使用高效空氣過濾器（HEPA）或超高效空氣過濾器（ULPA）去除空氣中的微生物和塵埃；②材料選擇，使用耐腐蝕、易清洗、無死角、不易附著微生物的材料（如316L不銹鋼）；③設(shè)備設(shè)計(jì)，確保結(jié)構(gòu)光滑、無死角、易于滅菌和清潔；④滅菌工藝，采用合適的滅菌方法（如高溫高壓滅菌、蒸汽滅菌）對反應(yīng)器及附件進(jìn)行徹底滅菌；⑤操作過程控制，在接種、補(bǔ)料等操作過程中嚴(yán)格遵循無菌操作規(guī)程，減少污染風(fēng)險。4.固定化細(xì)胞技術(shù)的常用方法及其優(yōu)缺點(diǎn)有：①吸附法：利用載體（如多孔玻璃、活性炭）的物理吸附作用固定細(xì)胞。優(yōu)點(diǎn)是簡單、成本低、操作方便；缺點(diǎn)是結(jié)合力弱，易脫落，固定化程度低。②包埋法：將細(xì)胞包裹在凝膠（如海藻酸鹽、卡拉膠、聚丙烯酰胺）或聚合物（如聚氨酯）基質(zhì)中。優(yōu)點(diǎn)是固定化密度高，細(xì)胞存活率較好，不易泄漏；缺點(diǎn)是傳質(zhì)阻力大，可能影響細(xì)胞活性。③共價結(jié)合法：通過化學(xué)鍵將細(xì)胞表面的功能基團(tuán)與載體上的活性基團(tuán)連接起來。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)合牢固，可重復(fù)使用；缺點(diǎn)是可能使用化學(xué)試劑影響細(xì)胞活性，操作較復(fù)雜。④交聯(lián)法：使用交聯(lián)劑（如戊二醛）使細(xì)胞之間或細(xì)胞與載體之間形成化學(xué)交聯(lián)。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)合牢固；缺點(diǎn)是交聯(lián)劑可能毒害細(xì)胞，影響其功能。5.生物反應(yīng)器放大過程中可能遇到的主要挑戰(zhàn)及應(yīng)對策略：挑戰(zhàn)主要包括①傳質(zhì)限制加劇，尤其在大型反應(yīng)器中，氣體溶解氧傳遞和產(chǎn)物移除困難；②混合不均，反應(yīng)器不同區(qū)域可能存在環(huán)境差異（濃度、溫度、pH），導(dǎo)致反應(yīng)不一致；③放大效應(yīng)，某些生理特性（如產(chǎn)毒）可能在放大后變得顯著；④剪切力影響，大型反應(yīng)器中剪切力可能過大，損傷細(xì)胞或酶。應(yīng)對策略包括：優(yōu)化攪拌和通氣設(shè)計(jì)，提高傳質(zhì)效率；采用多級反應(yīng)器或改進(jìn)混合方式；進(jìn)行詳細(xì)的放大實(shí)驗(yàn)，研究關(guān)鍵參數(shù)的相似性；選擇耐剪切力的細(xì)胞或酶；使用合適的固定化技術(shù)；建立精確的數(shù)學(xué)模型指導(dǎo)放大過程。五、論述題1.生物反應(yīng)器在醫(yī)藥工業(yè)中扮演著至關(guān)重要的角色。首先，它是生產(chǎn)抗生素、疫苗、氨基酸、激素等生物制藥的核心設(shè)備。例如，大型發(fā)酵罐生物反應(yīng)器用于工業(yè)化生產(chǎn)青霉素等抗生素，為治療感染性疾病提供了關(guān)鍵藥物。其次，生物反應(yīng)器是生產(chǎn)重組蛋白質(zhì)藥物（如胰島素、干擾素、單克隆抗體）的基礎(chǔ)，通過基因工程改造的微生物或細(xì)胞在生物反應(yīng)器中大規(guī)模培養(yǎng)表達(dá)目標(biāo)蛋白。此外，生物反應(yīng)器在生物制藥過程中還用于細(xì)胞治療產(chǎn)品的生產(chǎn)（如T細(xì)胞療法），需要提供精確控制的環(huán)境（如CO2分壓、細(xì)胞因子濃度）以支持細(xì)胞增殖和功能活化。最后，在藥物研發(fā)領(lǐng)域，生物反應(yīng)器也用于藥物篩選、代謝研究以及仿生膜研究等。總之，生物反應(yīng)器是現(xiàn)代醫(yī)藥工業(yè)不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)平臺。2.影響生物反應(yīng)器性能的關(guān)鍵因素眾多，主要包括：①反應(yīng)器設(shè)計(jì)參數(shù)：包括幾何結(jié)構(gòu)（形狀、尺寸、內(nèi)件）、攪拌系統(tǒng)（類型、轉(zhuǎn)速、槳葉設(shè)計(jì)）、通氣系統(tǒng)（氣速、氣泡大小分布）等，這些決定了混合效率、傳質(zhì)系數(shù)和剪切力水平。②操作條件：包括溫度、pH、溶氧濃度、攪拌轉(zhuǎn)速、補(bǔ)料策略等，需要根據(jù)具體生物過程的要求進(jìn)行精確控制。③生物催化劑：包括微生物/細(xì)胞的種類、株系、接種量、活力、穩(wěn)定性等。④培養(yǎng)基：底物濃度、組成、配比、緩沖能力等直