生物反应器课程设计报告
生物反应器设计与生物工艺
生物反应器设计与生物工艺随着现代生物工艺的发展，生物反应器设计成为生物工艺的重要环节之一。
有效地设计生物反应器可提高生物工艺的产能和效率，同时确保生物过程的稳定和安全。
本文将探讨生物反应器设计的基本原理和常见的生物工艺应用。
一、生物反应器设计原理生物反应器设计首先需要明确反应器的种类和目标。
常见的生物反应器包括批量反应器、连续流动反应器和固定床反应器等。
每种反应器的设计都有其独特的原理和适用范围。
1. 批量反应器设计批量反应器是最简单的反应器类型，适用于小规模实验和研究。
批量反应器的设计要考虑反应时间、混合方式和温度控制等因素，以实现理想的反应过程。
2. 连续流动反应器设计连续流动反应器适用于大规模生产和持续生物过程。
其设计原理包括反应器的容积、流动速率和停留时间等参数的选择与调控。
3. 固定床反应器设计固定床反应器常用于固定化酶和微生物的生物工艺。
反应器的设计要考虑载体材料选择、液相流动和气相传质等因素，以提高反应效率和稳定性。
二、生物反应器设计关键因素生物反应器设计涉及许多关键因素，以下是常见的几个关键因素：1. 底物浓度与反应速率反应物的浓度对反应速率有直接影响。
反应物浓度过低可能导致反应速率降低，而浓度过高则可能抑制活性酶或细胞的功能。
2. 反应温度温度是生物反应过程中一个重要的操作参数。
不同的生物反应需要适宜的温度条件，过高或过低的温度都会对反应效果产生不良影响。
3. 氧气供应与气体传质许多生物过程需要氧气作为底物或气体传递介质。
因此，生物反应器设计需要保障良好的氧气供应和气体传质条件，以维持反应过程的顺利进行。
4. pH值控制生物反应需要适宜的pH环境来维持生物酶或细胞的正常功能。
因此，合理的pH控制是生物反应器设计中的重要环节。
三、生物工艺应用实例生物反应器设计的应用非常广泛，以下是几个常见的生物工艺应用实例：1. 酒精发酵酒精发酵是一种常见的生物工艺过程，通过将葡萄糖等底物经过酵母菌发酵产生乙醇。
生物工艺原理课程设计
课程设计报告课程名称：生物工艺原理题目：假丝酵母恒化培养生物反应器设计学院：生命科学与食品工程学院专业班级：生物工程101班学号：5602210032学生姓名：辛鑫指导教师：段学辉2012年12月24日目录一、任务要求 (3)1.1设计目的 (3)1.2设计任务 (3)1.3设计要求 (3)二、设计原理 (4)2.1恒化培养生物反应器的概念及原理 (4)2.2恒化培养的优越性 (4)2.3恒化培养反应器的应用 (4)三、具体设计 (5)3.1基本要求 (5)3.3设备组成 (6)3.4具体操作 (6)3.5主要工艺参数 (8)四、总结 (9)4.1设备总结 (9)4.2心得体会 (9)五、参考资料 (10)一、任务要求1.1设计目的假丝酵母(Candida) 细胞圆形、卵形或长形。
多边出芽繁殖。
能形成假菌丝。
在麦芽汁琼脂培养基上菌落为乳白色，平滑，有光泽，边缘整齐或菌丝状。
液体培养的能形成浮膜。
能发酵葡萄糖、蔗糖、棉子糖。
不能发酵麦芽糖、半乳糖、乳糖、蜜二糖。
不分解脂肪。
能同化硝酸盐。
假丝酵母的蛋白质和维生素B含量都比啤酒酵母高。
它能以尿素和硝酸盐作氮源，在培养基中不加其它因子即可生长。
它能利用造纸工业中的亚硫酸废液，也能利用糖蜜、马铃薯淀粉和木材水解液等。
因此能利用假丝酵母来处理工业和农副产品加工业的废弃物，生产可食用的蛋白质，在综合利用中很有价值。
此属中有的菌能转化50％的糖成为甘油。
假丝酵母也是脂肪酶的生产菌种，在工业上可用于绢纺原料的脱脂单细胞蛋白（SCP）是从酵母或细菌等微生物菌体中获取的蛋白质。
微生物细胞中含有丰富的蛋白质，例如酵母菌蛋白质含量占细胞干物质的45%～55%；细菌蛋白质占干物质的60%～80%；霉菌丝体蛋白质占干物质的30%～50%；单细胞藻类如小球藻等蛋白质占干物质的55%～60%，而作物中含蛋白质最高的是大豆，其蛋白质含量也不过是35%～40%。
单细胞蛋白的氨基酸组成不亚于动物蛋白质，如酵母菌体蛋白，其营养十分丰富，人体必需的8种氨基酸，除蛋氨酸外，它具备7 种，故有“人造肉”之称。
课程思政案例-生物工程设备-生物反应器及其生产现状
《生物工程设备》生物反应器及其生产现状生物反应器是生化工艺过程的核心设备，本案例主要介绍生物反应器的作用、分类、发展历史和研究现状。
并对目前国内生物反应器的突出问题，如检测pH、溶氧传感器性能不稳定需要长期进口等问题展开讨论，通过教师列举日常实例，引出对于核心技术及自主研发能力的思考，学生查找和总结专业产品的相关资料，从专业领域角度引导学生关注我国制造业的发展，并对其进行爱国主义教育，鼓励学生从自身做起，为我国的民族产业出一份力。
一、教学目标（一）课程教学目标该章节的主题是生物反应器概述，主要讲生物反应器的作用、地位、分类、发展历史和研究现状。
课程的教学目标包括：1.掌握生物反应器的作用、地位和分类；2.了解生物反应器的发展历史和研究现状。
（二）思政育人目标1.设计思路本课程绪论部分内容介绍国内外生物反应器产业发展概况，其中主导生物工程产业的生物反应器大多为国外（如美国、德国、日本等）研发生产。
近些年，我国虽然能够研发一些生物反应器，但仍然存在很多问题。
比如生物反应器的核心部件，如检测pH、溶氧传感器性能不稳定需要长期进口。
核心部件的依赖必定导致整个产业的对外依赖，不利于今后提高我国生物产业的整体竞争力。
因此在讲述这部分内容时，应从爱国主义和建设中国特色社会主义强国出发，鼓励学生学好专业知识，为以后掌握核心技术，强大我国民族制造业打下基础。
2.思政育人目标使学生认识到掌握核心技术对于提高我国综合国力的重要性，从提高我国制造业市场竞争力角度培养学生学习专业课程的积极性。
3.育人主题创新，发展民族产业等爱国主义教育。
二、教学实施过程1.教学理念：制造业是国民经济的主体，打造具有国际竞争力的制造业，是我国提升综合国力、保障国家安全、建设世界强国的必由之路。
然而，与世界先进水平相比，我国制造业仍然大而不强，在自主创新能力、资源利用效率、产业结构水平、信息化程度、质量效益等方面差距明显，转型升级和跨越发展的任务紧迫而艰巨。
生物反应工程实验报告
一、实验目的1. 理解生物反应工程的基本原理和实验操作。
2. 掌握生物反应器的设计和操作方法。
3. 学习生物反应过程中关键参数的测定和分析。
4. 熟悉生物反应产物的提取和纯化技术。
二、实验原理生物反应工程是研究生物体在生物反应器中的生长、代谢和产物的形成过程，以及如何通过优化反应器的设计和操作来提高生物反应效率的学科。
本实验通过模拟生物反应过程，探究不同因素对生物反应的影响，并学习相关实验操作。
三、实验材料与仪器1. 实验材料：- 转基因大肠杆菌菌株- 培养基（LB培养基）- 葡萄糖- 酵母提取物- 蛋白胨- 氨基酸- 矿物质- pH缓冲液- 空气压缩机- 生物反应器- pH计- 恒温水浴- 离心机- 超滤装置2. 实验仪器：- 生物反应器- pH计- 恒温水浴- 离心机- 超滤装置- 移液器- 电子天平- 烧杯- 烧瓶- 试管- 玻璃棒四、实验步骤1. 生物反应器准备：- 将生物反应器清洗干净，并用70%乙醇消毒。
- 在生物反应器中加入适量的培养基，并用pH缓冲液调节pH值至适宜范围。
- 将空气压缩机连接到生物反应器，确保供氧充足。
2. 菌株接种：- 从冷冻菌株中取出适量菌种，接种到LB培养基中，37℃培养过夜。
- 将过夜培养的菌液用无菌水稀释至适宜浓度，作为接种液。
3. 生物反应：- 将稀释后的菌液加入生物反应器中，设定合适的转速、温度和pH值，开始生物反应。
- 在反应过程中，定期取样，测定pH值、溶解氧、生物量等参数。
4. 产物提取和纯化：- 当生物反应达到预定时间后，停止反应，收集发酵液。
- 使用离心机分离发酵液中的菌体和上清液。
- 对上清液进行超滤，提取目标产物。
5. 数据分析：- 对实验数据进行统计分析，绘制图表，探究不同因素对生物反应的影响。
五、实验结果与分析1. 不同pH值对生物反应的影响：- 通过实验发现，pH值对生物反应的产率有显著影响。
当pH值为7.0时，生物反应产率最高。
2第二章 生物反应器设计
（4）啤酒发酵形式
上面发酵:发酵时酵母上浮,发酵终结很久才部分 下沉
下面发酵:发酵时酵母浮游于发酵液中,发酵完后 酵母即下沉,酵母可重复使用5-7次
上下面发酵工艺区别主要是发酵温度的差异 啤酒种类 起始温度 最高温度 最终温度 上面啤酒 10-15 15-25 5-7 下面啤酒 6-8 8-12 3.5-5
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（五）发酵罐冷却面积计算
发酵罐冷却面积的计算可按传热基本方程式来确定，即：
式中 Q—总的发酵热（ J/h ） K—传热总系数 J/（m2·h·℃）
△tm—对数平均温度差 , ℃
F—冷却面积（ m2 ）
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冷却水耗量的计算
由热平衡方程式得： QA＝QB
式中
QA——酒精或其他发酵产品的总发酵热(J／h) QB——冷却水带走的热量(J／h)
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主发酵控制发酵液温度tw为30℃，按题意冷却 水进出口温度分别为t1＝20℃，t2＝25℃
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传热总系数K值的确定 选取蛇管为水煤气输送钢管，其规格为
53/60mm，则管的横截面积为
考虑罐径较大，设罐内同心装两列蛇管，并 同时进入冷却水，则水在管内流速为：
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冷却面积和主要尺寸
原理：用泵使发酵液通过文 氏管吸气装置，由于液体在 文氏管的收缩段流速增加， 形成真空而将空气吸入，并 使气泡分散与液体均匀混合 ，实现溶氧传质。
优点：吸氧的效率高，气、 液、固三相均匀混合，设备 简单，无须空气压缩机及搅 拌器，动力消耗省。
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（三）溢流喷射自吸式发酵罐
吸气原理 用泵将发酵液从发酵罐的底部提升到罐顶的溢流口，液
体由于自重通过溢流管向发酵罐跌落，形成抛射流，由 于液体表面层作用，使靠近流体表面的无菌空气气体边 界层具有一定的速率，从而形成气体的流动和自吸作用 ，并被高速流动的液体打碎、分散,与液体均匀混合,使 氧溶解在发酵液中的，这是溶氧阶段。发酵液进入发酵 罐后，微生物耗氧，同时将代谢产生的二氧化碳和其它 气体不断地从发酵液中分离并排出，发酵液的比重变大 向发酵罐底部循环，待发酵液中的溶解氧即将耗竭时， 发酵液又从发酵罐底部被泵打入循环管，开始下一个循 环。
机械搅拌生物反应器课程设计说明书
1
生物工程设备课程设计
70m3 机械搅拌生物反应器课程设计说明书正文
一 设计方案的分析和拟定
设计的发酵罐公称容积为 70m³ 。发酵罐主要由罐体和冷却蛇管，以及搅拌 装置， 传动装置,轴封装置， 人孔和其它的一些附件组成。 这次设计就是要对 70m3 通风发酵罐的几何尺寸进行计算；考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料， 确定罐体外形、 罐体和封头的壁厚；根据设计任务的传热面积进行冷却装置的设 计、计算；根据上面的一系列计算选择适合的搅拌装置，传动装置，和人孔等一 些附件的确定,完成整个装备图，完成这次设计。 设计包含设计说明书和装配图二部分，装配图应包含总图和部分截面图，选 用计算机辅助作图，装配图的要求按照工程制图的指标严格制作。说明书主要是 记录设计的思路和过程以及相关参考依据。 根据设计任务，汇总相关设计条件如下表： 表 设计条件 项目及代号 工作压力 设计压力 发酵温度 设计温度 冷却方式 发酵液密度 装料系数 参数及结果 0.2MPa 0.22MPa 不高于 121℃ 120℃ 蛇管冷却 1076kg/m³ 0.75 备注 设计任务要求 计算 设计任务要求 由工艺条件确定 由工艺条件确定 设计任务要求 设计任务要求
3
生物工程设备课程设计
发酵液高度 Hf=h+ha=6.38+0.84=7.22m 2.1.2 厚度计算 （1）筒体设计厚度 δd 计算厚度计算式：
2 Pc
t
Pc D1
式中， Pc—— 计算压力，罐体内最大工作压力 P0=0.2MPa ，取设计压力 P=0.2×1.1=0.22MPa。 装满液体时， 筒体内任一点静压强 P=P0+ρgx， 取 x 极限值， 即 x=H0+ha=8.84m 。 g 取 9.87N/kg 。 则 筒 体 底 部 液 柱 静 压 强 P=1076×9.87×8.84÷10^6=0.094MPa，超过设计压力的 5%，因此计算压力 Pc 应 计算液柱静压力在内，即 Pc=0.22+0.094=0. 314MPa； [ς]t—— 材料在设计温度下的许用应力，根绝设计任务的要求，选用 16MnR 钢，在温度低于 150℃时，其许用应力为 170MPa； φ——焊接接头系数，取 0.85（双面对接焊，局部无损伤害） ； 得到筒体计算厚度
生物反应工程第二版课程设计
生物反应工程第二版课程设计概述生物反应工程是综合应用化学、生物学、工程学等学科知识，以微生物、酶或细胞等为生物反应体进行工程化处理，从而达到产生高附加值化学产品的工程领域。
本课程设计旨在提高学生对生物反应工程的认识和实际操作能力，通过实验掌握反应器操作与控制原理、微生物工程技术、生物过程计算等方面的知识。
实验目的1.掌握反应器操作与控制原理；2.学习微生物工程技术，理解微生物、酶在生物反应过程中的作用；3.掌握生物过程计算方法，具备进行反应过程计算的能力。
实验方案1.实验器材与试剂实验器材：•发酵罐•离心机•pH计•恒温培养箱•吸附型气相色谱仪实验试剂：•葡萄糖•酵母提取物•氨基酸•磷酸盐缓冲液（PBS）2.实验内容2.1 发酵反应操作与控制•发酵罐操作：学生通过实验，掌握发酵罐的操作流程及操作注意事项。
•发酵罐控制原理：学生了解发酵罐的常见控制原理，如温度控制、pH 控制、氧气控制等。
•反应过程动力学建模：学生对发酵反应的动力学建模进行分析，并进行模型参数标定。
•发酵反应过程分析：学生通过离心等实验手段，对反应过程进行分析，了解反应过程中生物体内代谢产物。
2.2 微生物工程技术•微生物培养：学生通过恒温培养箱对微生物进行培养，提高了课程与研究生命科学的联系。
•微生物分离工艺：学生使用不同的分离技术对不同微生物进行分离，并了解微生物分离原理的基本知识。
•酶地工程技术：学生学习如何制备酶，并使用制备好的酶进行试验。
2.3 生物过程计算•线性动力学模型：学生进行线性动力学模型计算，求解线性动力学模型参数。
•非线性动力学模型：学生进行非线性动力学模型计算，并通过计算得到相应参数。
•表观动力学模型：学生通过计算表观动力学模型的计算并进行模型参数标定。
实验结论通过本课程设计，学生学习了生物反应工程相关的知识，并通过实验进行了掌握，最终实现了对反应器操作与控制原理、微生物工程技术、生物过程计算等方面的综合性掌握和应用，达到了本课程设计的教育目的。
生物反应器实验报告PPT
发酵罐由下列几部分构成：
（1）参数输入及显示装置：用 以输入控制发酵条件的各种参数 及显示发酵过程中罐内培养液的 温度、PH、DO（溶氧）的测定 数值。 （2）电极校正装置：用以校正 PH电极和DO电极等。 （3）酸、碱泵：用以向发酵罐 加入酸液，以调节培养液中的PH。
（4）消泡剂加入泵：用以向发酵罐加入消泡剂， 以消除发酵过程中产生过多的泡沫。 （5）报警灯及蜂音器按钮：当发酵罐过程中，电 路发生故障，则报警红灯亮并发出“嘀、嘀…..”声。 按此钮则“嘀嘀”声可消除，但只有当故障排除， 红灯才熄灭。 （6）自动或人工控制按钮：用以决定本控制器是 处在自动控制或人工控制状态。 （7）电极连接导线：有三条连接导线，分别与pH、 DO和AF（消泡）电极连接。
三足式离心机的转鼓直 径一般很大，转速不高 （<2000r/min），过滤 面积约为0.6~2.7m2。
它与其他型式的离心机相比，具有构造简单， 运转周期可灵活掌握等优点，一般可用于间 隙生产过程中的小批量物料的处理，尤其适 用于各种盐类结晶的过滤和脱水，晶体较少 受到破损。它的缺点是卸料时的劳动条件较 差，转动部位位于机座下部，检修不方便。
滤框和滤板的一个对角上分 别开有圆孔，若干个滤框和 滤板的圆孔重叠组成两个通 道，其中一个是悬浮通道， 另一个是滤液通道。滤框内 侧上角设计有暗道与圆孔相 通，滤板下角开设的暗道与 板面排液沟槽相通，当板和 框装合时在滤框两侧覆盖滤 布，形成了可容纳悬浮液及 滤渣的滤室。为了防止泄露， 常在滤板和滤框间用橡胶密 封圈密封。
发酵的附属仪器储气罐
发酵的附属仪器空气压缩机
空气压缩机：排气量0.05m∧3/min，0.7Mpa， 0.55kw/220v。
蒸气发生器
Байду номын сангаас 谢谢观赏！
第四章 生物反应器设计和分析
CS
X
上式表示反应物S反应到某一程度时所需要的反应时间，是一普遍式，对于 不同的反应，有不同的动力学方程，积分可以求得不同的反应时间的表达式。
• 均相酶反应
rS
• 固定化酶反应
rmaxCS 1 rmaxtr CS 0 X S K S ln K S CS 1 X S
假定反应器中液相物料 占的体积分率为 L，则固定化酶占的体积 分率为（ L）， 1 酶反应发生在固相，又 考虑到有内扩散的影响 ，则反应器中底物消耗 速率应为： dCS （ L）VR rS ; 累积项则应为反应器内 1 液相中的物浓度随时间 的变化： LVR . dt 物料衡算式如下： dCS （ L）VR rS LVR 1 dt 积分得到： X S dX V X S dX S S t r CS 0 L CS 0 L 1 L 0 rS VP 0 rS VL 和VP 分别为液相和固相的体 积。 如果反应速率是以单位 催化剂的质量来定义， 此时反应速率以 SW 表示，则有： r t r CS 0 VL W dX S rSW
对细胞作衡算： 如果指数期开始时的细 胞浓度为C X 0，指数期末的细胞浓度 C X 1 , 为 减速期末的细胞浓度为 X 2，则所需反应时间 r 应包括这两个时期所需 C t 时间的和： t r t r1 t r 2
CX 1 CX 0 C X 2 dC dCX X CX 0 r CX 1 r X1 X2 CX 1
• 按反应物系在反应器内的流动和混合状态：活塞流反应器和全混流反应器。
生物反应器的分类
生物反应器
间歇操作
半间歇半连续操作
连续操作
生物团块反应器 全混流型
•搅拌釜式反 应器 •循环反应器 •环流反应器
气升式环流生物反应器实验报告
非聚并体系 5.67 6.1 6.41 6.64 6.78 6.9 6.98 7.01 7.07 7.08 7.11 7.14 7.15 7.18 7.16 7.17 7.2 7.22 7.21 7.19 7.22 5.67 6.1
三、实验结果及讨论 根据式：
5
实验 7 气升式环流生物反应器实验
dC K La (Cs CL ) dt
ln(Cs-C) /通用格式 /通用格式 /通用格式
/通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 t/s
图 5 非聚并体系气速 2L/min 数据散点
7
实验 7 气升式环流生物反应器实验
ln(Cs-C) /通用格式 /通用格式 /通用格式 y = -/通用格式x + /通用格式 R² = /通用格式
图 12 聚并体系气速 8L/min 拟合曲线 聚并体系体积传质系数为： K La 0.0183s 1
ln(Cs-C) /通用格式 /通用格式
/通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 t/s
图 13 非聚并体系气速 8L/min 数据散点
体系： 时间 t//mg/L 体系： 时间 t/s 溶氧浓度 C/mg/L 时间 t/s 气流量： 环流液速： 气流量： 环流液速：
3
实验 7 气升式环流生物反应器实验
溶氧浓度 C/mg/L 体系： 时间 t/s 溶氧浓度 C/mg/L 时间 t/s 溶氧浓度 C/mg/L 时间 t/s 溶氧浓度 C/mg/L 气流量： 环流液速：
图 2 气升式环流反应器流程图 4. 实验步骤 通过冷模实验研究环流反应器的流体力学性质。具体步骤如下： 1）溶解氧体积传质系数的测定 向塔内注入一定量的水，等待塔内溶氧平衡； 打开通气装置，通入一定流量的空气，记录不同时刻溶氧量的数值； 关闭气体，等待塔内溶氧恢复到通气前的状态； 改变进塔气体流量，重复记录溶氧变化曲线；
生物反应工程课程设计
生物反应工程课程设计一、教学目标本节课旨在让学生掌握生物反应工程的基本概念、原理和应用，培养学生对生物反应工程技术的兴趣和好奇心，提高学生的科学素养。
1.了解生物反应工程的定义、分类和特点。
2.掌握生物反应器的设计原理和操作条件。
3.熟悉生物反应工程在医药、食品、环保等领域的应用。
4.能够运用生物反应工程的原理解决实际问题。
5.能够分析生物反应工程案例，提出优化方案。
情感态度价值观目标：1.培养学生对生物反应工程技术的认同感和责任感。
2.激发学生对生物反应工程技术的创新意识。
二、教学内容本节课的教学内容主要包括生物反应工程的定义、分类和特点，生物反应器的设计原理和操作条件，以及生物反应工程在医药、食品、环保等领域的应用。
1.生物反应工程的定义、分类和特点。
2.生物反应器的设计原理和操作条件。
3.生物反应工程在医药、食品、环保等领域的应用案例。
三、教学方法为了激发学生的学习兴趣和主动性，本节课将采用多种教学方法，如讲授法、讨论法、案例分析法和实验法等。
1.讲授法：通过讲解生物反应工程的定义、分类和特点，使学生掌握基本概念。
2.讨论法：学生讨论生物反应器的设计原理和操作条件，提高学生的思考能力。
3.案例分析法：分析生物反应工程在医药、食品、环保等领域的应用案例，培养学生解决实际问题的能力。
4.实验法：安排实验课程，让学生亲身体验生物反应工程的魅力。
四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，丰富学生的学习体验，我们将选择和准备以下教学资源：1.教材：《生物反应工程》。
2.参考书：相关领域的学术论文和专著。
3.多媒体资料：生物反应工程的图片、视频等。
4.实验设备：生物反应器、分析仪器等。
五、教学评估为了全面、客观地评估学生的学习成果，本节课将采用多种评估方式，包括平时表现、作业和考试等。
1.平时表现：观察学生在课堂上的参与程度、提问和回答问题的表现，了解学生的学习态度和兴趣。
2.作业：布置生物反应工程的相关的练习题，评估学生对知识点的掌握程度。
生物反应器课程设计
.生物反应器设计（啤酒露天发酵罐设计）姓名：高金利班级：生工2072学号：3072106245时间：2010年11月20日第一章啤酒发酵罐结构与动力学特征一、啤酒是以大麦喝水为主要原料，大米、酒花和其他谷物为辅料经制麦、糖化、发酵酿制而成的一种含有二氧化碳、酒精和多种营养成分的饮料酒。
我国是世界上用谷物原料酿酒历史最悠久的国家之一，但我国的啤酒工业迄今只有100余年的历史。
改革开放以来，我国啤酒工业得到了很大的发展，生产大幅度增长，发展到现在距世界第二位。
由于啤酒工业的飞速发展，陈旧的技术，设备将受到严重的挑战。
为了扩大生产，减少投资保证质量，满足消费等各方面的需要，国际上啤酒发酵技术子啊原有传统技术的基础上有很大进展。
尤其是采用设计多种形式的大容量发酵和储酒容器。
这些大容器，不依靠室温调节温度，而是通过自身冷却来控制温度，具有较完善的自控设施，可以做到产品的均一性，从而降低劳动强度，提高劳动生产率。
就发酵罐的外形来分，主要有圆柱锥形底罐、圆柱蝶形罐、圆柱加斜底的朝日罐和球形罐等。
二、啤酒发酵罐的特点1、单位占地面积的啤酒产量大；而且可以节约土建费用；2、可以方便地排放酵母及其他沉淀物（相对朝日罐、通用罐、贮就罐而言）；3、发酵温度控制方便、有效，麦汁发酵时对流好，发酵速度快，可以缩短发酵周期（相对卧式罐、发酵槽而言）；4、可以回收利用二氧化碳，并可有利于啤酒的口味稳定性与非生物稳定性（相对开口容器而言）；5、可以一关多用，生产工艺比较灵活；简化生产过程与操作，而且酒损也现对减少；6、制作相应要比其他发酵罐简单；7、便于自动控制，如自动清洗和自动灭菌，节省人力与洗涤费用，卫生条件好。
三、露天圆锥发酵罐的结构（一）罐体部分露天圆锥发酵罐的罐体有灌顶、圆柱体与锥底3部分组成，其中：灌顶：为圆拱形，中央开孔用于可拆卸大直径法兰，以安装CO2与CIP管道及其连接件，灌顶还装有真空阀，安全阀与压力传感器。
100M3机械搅拌通风式发酵罐
课程名称：机械搅拌通风式生物反应器 学生学院： 化学工艺与技术学院 生物工程0901 200922153035 桂文涛 杨忠华
专业班级： 学 号：
学生姓名： 指导教师：
2012 年10 月 14 日
目
录
设计任务书 ............................................
H=H0+2ha=9.0+2×0.95=10.9m 忽略搅拌器的体积，假设发酵液最高不超过筒体上端，则发酵罐内溶 液体积满足： V‘h= Va +
式h中为筒体部分发酵液的高度，h取ห้องสมุดไป่ตู้.75
则有h=7.07m< H0= 9 m
说明假设成立。
发酵液高度 Hf=h+ha=7.07+0.95=8.02m 考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料和封头材料，封头 结构、与罐体连接方式。罐体和封头都使用16MnR钢为材料，封头设计 为标准椭圆封头，因D>500mm，所以采用双面缝焊接的方式与罐体连 接。 2.1.2 壁厚计算 （1）筒体设计厚度δd 计算厚度计算式: δd =
V0=V公+V封
查阅文献《钢制压力容器用封头》（JB/T 4746-2002）标准，
当公称直径D=3600mm时，标准椭圆封头的曲面高度h=900mm，直边高 度 hb=50mm，总深度为ha=950mm，内表面积Af=14.6m²，容积 Vf=6.62m³ 罐筒身高 :H0 =
=8.5m,圆整到9m 此时:H0/D=9000mm/3600mm=2.5，与前面的假设符合， 故可认为D=3600mm是合适的. 实际发酵罐体积:V=π/4D²H0+2Vf=104.8m³ （2）封头规格 查《钢制压力容器用封头》（JB/T 4746-2002）标准，由发酵 罐工程内径可得封头规格如下： 公称直径 3.6m 曲面直度 度 0.90m 0.05m ㎡ 直边高 积 14．6 6． 62m³ 内表面 容积 罐体高度 H 和筒体 高度H0 筒体高度
生物工程中的生物反应器设计与生产实验报告
生物工程中的生物反应器设计与生产实验报告一、引言生物反应器是生物工程领域中用于进行生物转化和合成的关键设备。
本实验旨在通过对生物反应器的设计与生产实践，探索其在生物工程中的应用。
二、材料与方法1. 反应器材料：选用优质不锈钢作为反应器材料，具有较好的耐腐蚀性和机械强度。
2. 反应器类型：采用批量发酵反应器，以控制反应条件并保证产品质量。
3. 反应器控制系统：使用PLC控制系统监测和调节温度、压力、pH值等关键参数。
4. 发酵菌株：选择能够生产目标产物的优良菌株，并进行前期培养和活化。
5. 发酵培养基：根据菌株需求，配制适宜的培养基，提供营养物质和生长条件。
6. 反应器操作：按照实验要求，对反应器进行喂料、通气、搅拌等操作。
三、结果与讨论1. 反应器设计：根据实验要求，确定反应器尺寸、内部结构和传热方式，保证反应物料均匀混合和适宜的传质效果。
2. 反应器实验过程：在良好的控制下，菌株在培养基中进行了发酵和生长，产物随着反应时间的增加逐渐积累。
3. 反应器控制性能：通过PLC控制系统，实时监测并调节反应器温度、压力、pH值等参数，保证了反应过程的稳定性和产品质量。
4. 产品分离纯化：经过反应后，通过合适的离心、过滤和萃取等方法，将产物从发酵液中分离出来，并进行进一步的纯化处理。
四、结论本实验通过对生物反应器的设计与生产过程进行了探索，验证了生物反应器在生物工程中的重要性和有效性。
通过合理的设备选择、运行控制和产品处理，可以实现对目标产物的高效生产和分离纯化。
五、参考文献[1] Smith R.T. et al. (2010). Bioreactor design considerations for continuous manufacturing. J Biotechnol, 155(3): 197-204.[2] Li Y. et al. (2015). Design and operation of bioreactors for cell cultures. Eng Life Sci, 15(5): 469-483.[3] Wang J. et al. (2018). Bioreactor strategies for improving production performance of microbial fermentation. Biotechnol Adv, 36(4): 1078-1089.以上是本次生物工程中的生物反应器设计与生产实验的报告，总结了实验的材料与方法、结果与讨论以及结论等内容。
生物反应工程原理第三版课程设计
生物反应工程原理第三版课程设计前言本文档是生物反应工程原理第三版课程设计的实施报告。
本次课程设计的目的是加深学生对生物反应工程原理的理解，提高其实践能力。
本文档将从以下几个方面来介绍本次课程设计的实施情况。
课程设计内容本次课程设计的主要内容是设计一个生物反应器，并对其进行相关参数的优化。
生物反应器的设计需涉及以下方面：•生物反应器的基本构造和工作原理•生物反应器的控制要点及控制系统的结构•生物反应器的传热和传质问题•生物反应器的物质代谢动力学本次课程设计需要学生自行选择合适的生物反应器类型，以及适当的菌种。
并根据所选反应器和菌种的特点，确定反应条件和控制系统的结构。
学生需要根据理论和实验结果，进行相关参数的优化。
课程设计实施过程确定生物反应器类型和菌种根据本次课程设计的要求，学生需要自行选择适合的生物反应器类型和菌种。
学生需要结合课程中已学习的生物反应器类型和菌种的基本特点，选择最合适的生物反应器类型和菌种。
设计生物反应器在选定生物反应器类型和菌种后，学生需要进行生物反应器的详细设计。
学生需要考虑以下方面：生物反应器基本参数的确定生物反应器的基本参数包括体积、进出口口径、搅拌方式、输入功率等。
学生需要根据菌种和反应器类型的特点来确定这些参数。
控制系统的设计生物反应器的控制系统是指控制反应器内各参数的仪器和设备。
学生需要确定反应器内各参数的监测方式，并选择合适的控制设备来实现控制系统的结构。
反应器传热和传质问题的分析学生还需要对生物反应器的传热和传质问题进行分析。
生物反应器内的物质与能量的转移过程涉及到传热和传质现象。
学生需要对生物反应器内传热和传质现象的规律进行分析，并根据反应器内各参数的实时变化，设计合适的传热和传质条件。
实验操作在生物反应器设计完成后，学生需要进行实验操作，以验证设计的合理性和可行性。
学生需要记录各实验过程中的数据和结果，并进行分析。
数据分析与结论每个小组在完成实验后，需要对所得到的数据进行分析，并根据实验结果，优化反应器参数。
化学工程中的生物反应器设计与优化
化学工程中的生物反应器设计与优化在化学工程领域，生物反应器是一种用于进行生物转化过程的装置。
它是通过控制环境条件，使微生物或酶在特定的温度、压力和pH值下进行生物反应。
生物反应器的设计和优化对于提高生物转化过程的效率和产量至关重要。
一、生物反应器的设计原则生物反应器的设计需要考虑多个因素，包括反应物的特性、反应条件、反应器的类型和规模等。
以下是一些常见的生物反应器设计原则：1. 选择合适的反应器类型：生物反应器的类型多种多样，如批量反应器、连续流动反应器和固定床反应器等。
选择合适的反应器类型取决于反应物的特性和反应过程的要求。
2. 控制温度和pH值：温度和pH值是生物反应过程中非常重要的参数。
合理控制温度和pH值可以提高反应速率和产物质量。
3. 提供适当的营养物质：微生物或酶需要适当的营养物质来维持其生长和代谢活动。
在设计生物反应器时，需要提供足够的营养物质，以确保反应的正常进行。
4. 考虑氧气传递：氧气传递是生物反应过程中的一个关键因素。
在设计生物反应器时，需要考虑如何提供足够的氧气以满足微生物或酶的需求。
二、生物反应器的优化方法生物反应器的优化旨在提高反应效率和产物质量。
以下是一些常见的生物反应器优化方法：1. 优化反应条件：反应条件的优化可以通过改变温度、压力和pH值等参数来实现。
通过对反应条件的优化，可以提高反应速率和产物选择性。
2. 优化反应器结构：反应器的结构对反应过程的效率和产物质量有重要影响。
通过改变反应器的尺寸、形状和内部结构等参数，可以优化反应器的质量传递和混合效果。
3. 使用优化的微生物或酶：选择合适的微生物或酶对于提高反应效率至关重要。
通过基因工程和筛选技术，可以获得具有高活性和稳定性的微生物或酶。
4. 进行过程监测和控制：过程监测和控制是生物反应器优化的关键环节。
通过使用传感器和自动控制系统，可以实时监测反应过程，并根据监测结果进行反应条件的调整。
三、生物反应器设计与优化的应用生物反应器设计与优化在许多领域都有广泛的应用，包括制药、食品工程和环境工程等。
生物反应器工程的设计与控制
生物反应器工程的设计与控制随着科学技术的不断发展，生物反应器工程的设计与控制越来越受到人们的关注。
生物反应器工程是指将生物过程与反应器工程相结合，通过设计和控制反应器操作条件，以达到生产高品质、高效的微生物产品的一门学科。
本文将探讨生物反应器工程的设计与控制。
一、生物反应器工程的目的生物反应器工程的主要目的是通过合理控制反应器操作条件，最大限度地提高微生物生长速度，并使微生物生产出预期的产品。
其次，生物反应器工程还可以通过调整反应器操作条件，优化微生物培养环境，提高微生物代谢能力，进而提高微生物生产效率。
二、生物反应器的构成生物反应器通常由反应器本体、调节系统、控制系统和测量仪表等部分组成。
1. 反应器本体反应器本体是整个反应器的核心部分，它主要包括反应器釜、搅拌器、进气口、出气口等。
反应器釜一般采用不锈钢或玻璃材质制成，反应器的釜体积、形状与反应物种类和反应条件密切相关。
搅拌器的作用是使反应物充分混合，增强反应速率与效率。
2. 调节系统调节系统主要是指反应器中调节反应条件的设备组成，例如pH计、温度计、溶氧计等。
pH计通常被用于检测反应器中的酸碱度值，而温度计则用于检测反应器内的温度变化。
溶氧计则用于检测反应器中的氧气含量。
3. 控制系统控制系统是整个反应器的控制中枢，它主要负责设定反应器的操作条件，例如温度、酸碱度、氧气含量等。
常见的控制系统有PID控制、模糊控制等。
PID控制是最常见的一种自动控制方法，它通过调整反应器内的电磁阀、加热器、搅拌器等设备，以达到预设的反应条件。
4. 测量仪表测量仪表主要用于检测反应器中的各项参数，包括pH值、温度、氧气含量、电导率等。
测量仪表的选型应根据反应器的用途和反应条件的不同而变化。
三、“生物反应器”常见类型目前，生物反应器的种类繁多，其中常见的包括静置式反应器、搅拌式反应器、气升式反应器、膜式反应器等。
1. 静置式反应器静置式反应器是一种非搅拌式反应器，它通过提供良好的通气条件来实现氧气传递，以达到反应目的。
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.生物反应器设计（啤酒露天发酵罐设计）XX：高金利班级：生工2072学号：3072106245时间：2010年11月20日第一章啤酒发酵罐结构与动力学特征一、啤酒是以大麦喝水为主要原料，大米、酒花和其他谷物为辅料经制麦、糖化、发酵酿制而成的一种含有二氧化碳、酒精和多种营养成分的饮料酒。
我国是世界上用谷物原料酿酒历史最悠久的国家之一，但我国的啤酒工业迄今只有100余年的历史。
改革开放以来，我国啤酒工业得到了很大的发展，生产大幅度增长，发展到现在距世界第二位。
由于啤酒工业的飞速发展，陈旧的技术，设备将受到严重的挑战。
为了扩大生产，减少投资保证质量，满足消费等各方面的需要，国际上啤酒发酵技术子啊原有传统技术的基础上有很大进展。
尤其是采用设计多种形式的大容量发酵和储酒容器。
这些大容器，不依靠室温调节温度，而是通过自身冷却来控制温度，具有较完善的自控设施，可以做到产品的均一性，从而降低劳动强度，提高劳动生产率。
就发酵罐的外形来分，主要有圆柱锥形底罐、圆柱蝶形罐、圆柱加斜底的朝日罐和球形罐等。
二、啤酒发酵罐的特点1、单位占地面积的啤酒产量大；而且可以节约土建费用；2、可以方便地排放酵母及其他沉淀物（相对朝日罐、通用罐、贮就罐而言）；3、发酵温度控制方便、有效，麦汁发酵时对流好，发酵速度快，可以缩短发酵周期（相对卧式罐、发酵槽而言）；4、可以回收利用二氧化碳，并可有利于啤酒的口味稳定性与非生物稳定性（相对开口容器而言）；5、可以一关多用，生产工艺比较灵活；简化生产过程与操作，而且酒损也现对减少；6、制作相应要比其他发酵罐简单；7、便于自动控制，如自动清洗和自动灭菌，节省人力与洗涤费用，卫生条件好。
三、露天圆锥发酵罐的结构（一）罐体部分露天圆锥发酵罐的罐体有灌顶、圆柱体与锥底3部分组成，其中：灌顶：为圆拱形，中央开孔用于可拆卸大直径法兰，以安装CO2与CIP管道及其连接件，灌顶还装有真空阀，安全阀与压力传感器。
圆柱体：为发酵罐主体，发酵罐的高度主要决定于圆柱体的直径与径高比，由于大直径的光耐压低，考虑到使用钢板的厚度，一般直径＜6.0m。
圆锥底：它的夹角多为60—90°，也有90—120°，但这多用于大直径的罐及大容量的罐；如夹角过小会使椎体部分很高。
露天圆锥发酵罐圆锥底的高度与夹角有关，大致占总高的1/4—1/3。
圆锥底的外壁一般安装冷却夹套、阀门与视镜、取样管阀、测温、测压的传感元件或温度计，CO2洗涤装置等。
（二）温度控制部分发酵罐的温度控制部分主要由冷却层、保温层、测温元器件、温度记录及温度控制装置等组成，其中：冷却层是调节发酵罐内液体温度的主要部分，按其结构可分为盘式和夹套式两种；发酵罐的保温层一般使用聚氨酯泡沫塑料或脲醛泡沫塑料，也有使用聚苯乙烯泡沫塑料，在发泡保温时，为了未来的维修剥离及复原的方便，罐身与发泡塑料之间最好能用塑料薄膜隔离；发酵罐的测温元件有直接感应与遥控两种；发酵罐的温控装置实际起供、断冷却水的作用。
（三）操作附件部分发酵罐的操作附件比较多，主要包括：进、出管道、阀门和视镜；CO2回收和CO2洗涤装置；真空/过压保护装置；取样阀；原位清洗装置（CIP）；换间板。
（四）仪器与仪表部分发酵罐对一次仪表、二次仪表、记录装置、报警装置以及微机程序控制、自动控制的应用很广泛，这些仪器、仪表主要对发酵罐的物料数量（以容积或液位表示）、压力、温度三个参数进行显示、自动记录、自动控制及报警，还有测定浸出物含量与CO2含量的一次仪表，这样就可以进行真正的自动控制。
四、发酵罐发酵的动力学特征发酵罐发酵的主要特点是采用较高的发酵温度和高凝性酵母、进一步提高发酵液浓度，保持茁盛的酵母层和缩短发酵时间进行可控发酵，其主要动力学特征有：1、由于采用凝聚性酵母，S3＞S1，使发酵速度3区＞1区；导致B3＜B1浓度差，促进发酵液的对流；2、由于3区发酵速度快，产生CO2多，加上液压，使P3＞P1而形成压力差推动发酵液对流；3、由于发酵时控制t3＞t1，形成温度差对流。
第二章 发酵罐设计计算步骤第一部分：生物反应器设计化工计算一、发酵罐的容积确定设计需要选用V 有效=32m 3的发酵罐则V 全=V 有效/φ=32m 3/80%=40m 3二、基础参数选择1．D ∶H ：选用D ∶H=1∶22．锥角：取锥角为70°3．封头：选用标准椭圆形封头4．冷却方式：选取槽钢盘绕罐体的三段间接冷却5．罐体所承受的最大内压：2.5㎏/cm ³ 外压：0.3㎏/cm ³6．锥形罐材质：A3钢材外加涂料，接管均用不锈钢7．保温材料：硬质聚氨酯泡沫塑料，厚度200㎜8．内壁涂料，环氧树脂三、D 、H 确定由D ∶H=1∶2，则锥体高度H 1=D/2tan35°=0.714D封头高度 H 2=D/4=0.25D圆柱部分高度 H 3=（2.0－0.714－0.25）=1.04D又因为V 全=V 封＋V 锥＋V 柱=3231242443H D D H D ⨯⨯∏+⨯∏+⨯⨯∏=0.187D ³＋0.131D ³＋0.87D ³=40m ³得D=3.23m查1154-74《椭圆形封头和尺寸》取发酵罐直径D=3400mm 再由V 全=40m ³ D=3.4m得经高比 D ∶H=1:1.9由D=3400mm 查表得h 1=850mm h 0=50mm F=13.0㎡ V=5.60m ³筒体几何尺寸为：H=5940mm F=63.44㎡ V=32.43m ³锥体封头几何尺寸为：h 0=50mm V=9.83m ³ H=3115mm F=6.86㎡则锥形罐体总高：H=850＋50＋5940＋50＋3115=10005mm 总体积：V 全=5.60＋32.43＋9.83=47.86m ³实际充满系数ψ=83.6％罐内液柱高：H ′=[40-9.83/(3.14×3.42)/4]×102+(3115+50)=8434㎜四、发酵罐的强度计算（一）罐体为内压容器的壁厚计算1．标准椭圆封头设计压力为1.1×2.5=2.75㎏／㎝²S=[]C P PDgt +-ϕσ2式中：P=2.75㎏／㎝²[σ]：A 3钢工作温度下的许用力取1520.㎏／㎝²ψ：焊接系数，本设计采用双面对接焊作为局部无探伤0.9 壁厚附加量：C=C 1＋C 2＋C 3查表得：C 1：钢板厚度的负偏差取0.8负偏差C 2：腐蚀裕量取2mmC 3：制造减薄量取0.6则：S=(2.75×3400/2×1520×0.9-2.75)＋3.4=7mm取S 0=8mm 直边高h 0=50mm校核σ=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛h D s PD 24中中 =[2.75×(3400+8)/4×8]×(3400＋8)/2×900=554.5≦[δ]e2．筒体P 设=1.1×(P 工作＋P 静)=1.1×（2.5+0.61）=3.42㎏／㎝²S=[]C PPD +-ϕσ2（取C 1=0.6，C 2=2，C 3=0.6） =3.42×3400/(2×1520×0.9－3.42)＋3.2=7.5mm取S=8mm校核σ2=s PD 2中=620.1≦ψ[σ]t3．锥形封头1）过渡区壁厚S=[]C P DgKP t +-5.02ϕσ设P 设=1.1×（2.5＋0.9）=3.74㎏／㎝²（0.9为静压）K=0.716S=[]C P DgKP t +-5.02ϕσ设=0.716×3.74×3400/(2×1520×0.9－0.5×3.74)＋C=3.33＋C=3.33＋0.6＋2＋0.59=6.52mm(2)锥体S=[]C P PDgf t +-⨯5.0ϕσS 0= []PPDg f t 5.0-⨯ϕσ =0.60×3.74×3400/(1520×0.9－0.5×3.74) （f 查表为0.60） =5.58mmS= S 0＋C=5.58＋0.6＋2＋0.59=8.77mm取S=10mm h 0=25mm校核锥体所受最大应力处：σ= 45cos 2s PD 中=3.74×3410/(2×10×cos35°)=778.5≦[σ]t（二）锥体为外压容器的壁厚计算1．标准椭圆封头设S0=5mmR内=0.9Dg=3060mmR内／100S0=3060／100×5=6.12查图表4-1得B=375[P]=B×S0／R内=375×5／3060=0.61㎏／㎝²＞0.3㎏／㎝²满足要求取C1=0.5mm，C2=2mm，C3=0.5mm则S=S0＋C=8mm2．筒体设S0=5mmL/D=0.57D=3400/5=680查图表4-1得B=320[P]=320×5／3400=0.47㎏／㎝²＞0.3㎏／㎝²S0=5mm故可取C1=0.5mm，C2=2mm，C3=0.5mm则S= S0＋C=8mm3．锥形封头因为α=35°所以22.50°＜α＜60°按第四章发酵罐设计的中封头设计可知，加强圈间中锥体截面积最大直径为：2×3115／2×tan35°=2181.5mm取加强圈中心线间锥体长度为1557.5mm设S0=5mmL／D=1557.5／3400=0.458D／S0=3400／5=680查表4-1得B=370[P]=B×S0/D=370×5/3400=0.54㎏／㎝²＞0.3㎏／㎝²故取S0=5mmC1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm所以S= S0＋C=8.2mm取S=9㎜综合前两步设计，取两者中较大的。
由生产经验确定标准椭圆型封头厚度为8mm h0=50mm圆筒壁厚8mm标准型封头壁厚10mm h0=50mm五、锥形罐的强度校核1．内压校核液压试验P试=1.25P设由于液体的存在，锥体部分为罐体受压最中之处即最危险设计压力P=3.74㎏／㎝²液压试验P设=1.25P=4.68㎏／㎝²查得A3钢σ=2400㎏／㎝²()[]()C S C S Dg P --+=2试试σ=4.68×[3400＋(10-3.2)]/2×(12-3.2) =905.9㎏／㎝²0.9ψσ=0.9×0.9×2400=1944㎏／㎝²＞σ试 可见符合强度要求，试压安全 2．外压试验 以内压代替外压P=1.5×（S ＋C ）=1.5×（1.0＋0.3）=1.3㎏／㎝² P 试=1.25P=1.63㎏／㎝²＜P 内试 故可知试压安全 3．刚度校核本设计中允许S=2×3400／1000=6.8mm 而设计时取厚度为S=8mm ，故符合刚度要求第二部分发酵罐热工设计计算一、计算依据计采用A3钢作为发酵罐材料，用8号槽钢做冷却夹套，分三段冷却，筒体二段，锥部一段，夹套工作压力为2.5㎞／㎝²冷媒为20%（V/V）酒精溶液，T进=-4℃，T出=-2℃，麦汁发酵温度维持12℃（主发酵5—6天，封头及筒体部分保温层厚度为200mm，锥底部分为98mm）二、总发酵热计算Q=q×v=119×32=3808㎏／hrq每立方米发酵麦汁在主发酵期间每小时放热量；v为发酵麦汁量三、冷却夹套型号选择选取8号槽钢起截流面积为A=hb-截面积=8×4.3－10.24=24.16㎝²冷却剂流量为（三段冷却）3×24.16×10-4×1=7.284×10-3m³/s查得20%（V/V）酒精溶液Δt平=-3℃下的ρ=976㎏／m³Cρ=1.04kcal／㎏·℃冷却剂的冷却能力为：Q=7.248×103×976×1.041×2×3400 =50075.8 kcal ／hr ＞3808 kcal ／hr 故可选取8号槽钢为冷却夹套。