2025年大學(xué)大三（生物工程）生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)綜合測(cè)試試題及答案

（考試時(shí)間：90分鐘滿分100分）班級(jí)______姓名______第I卷（選擇題共30分）每題給出的四個(gè)選項(xiàng)中，只有一項(xiàng)是符合題目要求的，請(qǐng)將正確選項(xiàng)前的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)。(總共10題，每題3分，每題只有一個(gè)選項(xiàng)符合題意)1.以下哪種生物反應(yīng)器類(lèi)型常用于細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中提供精確的氣體環(huán)境？A.攪拌式生物反應(yīng)器B.氣升式生物反應(yīng)器C.中空纖維生物反應(yīng)器D.固定床生物反應(yīng)器2.在生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)中，關(guān)于傳質(zhì)系數(shù)的描述，以下正確的是？A.傳質(zhì)系數(shù)只與流體的流速有關(guān)B.傳質(zhì)系數(shù)與反應(yīng)器的材質(zhì)無(wú)關(guān)C.傳質(zhì)系數(shù)越大，物質(zhì)傳遞效率越高D.傳質(zhì)系數(shù)在不同的生物反應(yīng)體系中是固定不變的3.對(duì)于微生物發(fā)酵過(guò)程，以下哪種攪拌槳葉形式能更好地實(shí)現(xiàn)均勻混合？A.平葉式攪拌槳B.彎葉式攪拌槳C.箭葉式攪拌槳D.螺旋式攪拌槳4.生物反應(yīng)器的熱傳遞系數(shù)主要受以下哪種因素影響最大？A.反應(yīng)器的體積B.夾套的材質(zhì)C.發(fā)酵液的粘度D.攪拌的轉(zhuǎn)速5.以下哪種傳感器在生物反應(yīng)器中常用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶解氧濃度？A.pH傳感器B.溫度傳感器C.溶氧電極D.壓力傳感器6.在設(shè)計(jì)生物反應(yīng)器時(shí)，考慮到細(xì)胞生長(zhǎng)的剪切力影響，以下哪種措施是錯(cuò)誤的？A.降低攪拌轉(zhuǎn)速B.增加攪拌槳葉數(shù)量C.優(yōu)化攪拌槳葉形狀D.提高發(fā)酵液的粘度7.對(duì)于連續(xù)流生物反應(yīng)器，以下關(guān)于稀釋率的說(shuō)法正確的是？A.稀釋率越大，底物轉(zhuǎn)化率越高B.稀釋率與反應(yīng)器的停留時(shí)間無(wú)關(guān)C.存在一個(gè)臨界稀釋率，超過(guò)后細(xì)胞濃度會(huì)下降D.稀釋率只影響產(chǎn)物的生成速率，對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)無(wú)影響8.生物反應(yīng)器的材質(zhì)選擇需要考慮多種因素，以下哪種因素不是主要考慮的？A.生物相容性B.耐腐蝕性C.價(jià)格D.透明度9.在生物反應(yīng)器放大過(guò)程中，以下哪種方法不是常用的放大準(zhǔn)則？A.幾何相似放大B.動(dòng)力相似放大C.熱量衡算放大D.細(xì)胞數(shù)量放大10.對(duì)于動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)生物反應(yīng)器，以下哪種氣體成分是不需要特別關(guān)注的？A.氧氣B.二氧化碳C.氮?dú)釪.氫氣第II卷（非選擇題共70分）二、填空題（每題2分，共10分）1.生物反應(yīng)器的主要功能包括物質(zhì)傳遞、______、______等。2.攪拌式生物反應(yīng)器中，攪拌功率的計(jì)算公式為_(kāi)_____（寫(xiě)出公式中涉及的主要參數(shù)）。3.氣升式生物反應(yīng)器的工作原理是基于______和______。4.生物反應(yīng)器的滅菌方式主要有______和______。5.在生物反應(yīng)器中，細(xì)胞的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型主要有______和______。三、簡(jiǎn)答題（每題10分，共30分）1.簡(jiǎn)述生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)中傳質(zhì)過(guò)程的重要性以及影響傳質(zhì)的主要因素。2.說(shuō)明攪拌式生物反應(yīng)器中攪拌槳葉的作用以及不同類(lèi)型攪拌槳葉的特點(diǎn)。3.解釋生物反應(yīng)器放大過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題以及常用的解決方法。四、分析題（每題15分，共15分）材料：在某生物反應(yīng)器中進(jìn)行微生物發(fā)酵生產(chǎn)抗生素的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵液的pH值在發(fā)酵前期迅速下降，而溶解氧濃度在發(fā)酵后期逐漸降低。問(wèn)題：請(qǐng)分析pH值下降和溶解氧濃度降低可能的原因，并提出相應(yīng)的解決措施。五、設(shè)計(jì)題（共15分）設(shè)計(jì)一個(gè)用于生產(chǎn)重組蛋白的生物反應(yīng)器，要求說(shuō)明反應(yīng)器的類(lèi)型、主要結(jié)構(gòu)組成、操作條件以及如何實(shí)現(xiàn)高效的物質(zhì)傳遞和細(xì)胞培養(yǎng)。答案：一、選擇題1.B2.C3.A4.C5.C6.B7.C8.D9.D10.D二、填空題1.能量傳遞、信息傳遞2.P=Npρn3d?（P為攪拌功率，Np為功率準(zhǔn)數(shù)，ρ為液體密度，n為攪拌轉(zhuǎn)速，d為攪拌槳直徑）3.氣體的密度差、液體的循環(huán)流動(dòng)4.濕熱滅菌、干熱滅菌5.Monod模型、Logistic模型三、簡(jiǎn)答題1.傳質(zhì)過(guò)程在生物反應(yīng)器中至關(guān)重要，它影響著底物的供應(yīng)、產(chǎn)物的排出以及細(xì)胞與周?chē)h(huán)境的物質(zhì)交換。影響傳質(zhì)的主要因素包括流體的流速、擴(kuò)散系數(shù)、界面面積、溫度等。流速增加可提高傳質(zhì)系數(shù)，但過(guò)高可能產(chǎn)生剪切力；擴(kuò)散系數(shù)與物質(zhì)本身性質(zhì)有關(guān)；界面面積的增加能促進(jìn)傳質(zhì)，如通過(guò)攪拌等方式增大氣液或液固界面；溫度影響物質(zhì)的擴(kuò)散速率。2.攪拌槳葉的作用是實(shí)現(xiàn)發(fā)酵液的均勻混合，使底物、細(xì)胞、產(chǎn)物等充分接觸，同時(shí)促進(jìn)傳質(zhì)和傳熱。平葉式攪拌槳結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，混合效果較好，但產(chǎn)生的剪切力較大；彎葉式攪拌槳相對(duì)平葉式剪切力較小，且具有較好的軸向混合性能；箭葉式攪拌槳能在保證混合效果的同時(shí)，降低剪切力對(duì)細(xì)胞的損傷；螺旋式攪拌槳可實(shí)現(xiàn)物料的軸向輸送，常用于高粘度發(fā)酵液的攪拌。3.生物反應(yīng)器放大過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題包括：幾何相似放大時(shí)，小試和中試設(shè)備的傳質(zhì)、傳熱等特性可能不同；動(dòng)力相似放大中，攪拌功率等參數(shù)難以準(zhǔn)確按比例放大；熱量衡算放大時(shí)，散熱等問(wèn)題可能導(dǎo)致溫度控制不準(zhǔn)確。常用的解決方法有：采用多參數(shù)綜合放大準(zhǔn)則，結(jié)合傳質(zhì)、傳熱、流體力學(xué)等方面的研究；進(jìn)行中間試驗(yàn)，對(duì)放大過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化；利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)生物反應(yīng)器的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和優(yōu)化。四、分析題pH值下降可能原因：微生物代謝產(chǎn)生酸性物質(zhì)，如有機(jī)酸等。解決措施：可適當(dāng)增加緩沖劑的添加量，調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的初始pH值范圍，使其更適合微生物生長(zhǎng)。溶解氧濃度降低可能原因：發(fā)酵后期微生物數(shù)量增加，耗氧量增大，而通氣量不足或傳質(zhì)效率下降。解決措施：檢查通氣系統(tǒng)，增加通氣量，優(yōu)化攪拌槳葉結(jié)構(gòu)或轉(zhuǎn)速，提高傳質(zhì)效率，以保證足夠的溶解氧供應(yīng)。五、設(shè)計(jì)題可選用攪拌式生物反應(yīng)器。主要結(jié)構(gòu)組成包括罐體、攪拌系統(tǒng)、通氣系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、傳感器及控制系統(tǒng)等。操