生物化工專業(yè)工廠工藝設(shè)計(jì)課程教學(xué)過程中的思考

呂和鑫

(天津科技大學(xué) 生物工程學(xué)院，天津 300457)

工廠工藝設(shè)計(jì)課程是生物化工專業(yè)本科生必修課程之一，也是衡量與考察高校學(xué)生大學(xué)階段工程設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的一個(gè)重要實(shí)踐過程，是高校學(xué)生畢業(yè)前的最后一個(gè)“實(shí)戰(zhàn)演習(xí)”，對于學(xué)生的工程能力實(shí)質(zhì)性提升具有重要作用。工廠工藝設(shè)計(jì)能力是生物化工行業(yè)工程師的必備能力之一。優(yōu)質(zhì)合理的生物化工專業(yè)課程設(shè)置是學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力得到切實(shí)提高的基礎(chǔ)。工廠工藝設(shè)計(jì)課程訓(xùn)練需要學(xué)生的精心準(zhǔn)備與教師的認(rèn)真負(fù)責(zé)指導(dǎo)，是一個(gè)需將生物安全、成本控制、可行性、可操作性、環(huán)保因素、可維護(hù)性、投產(chǎn)期、可擴(kuò)展性、負(fù)荷能力等多種因素進(jìn)行綜合衡量與評價(jià)的實(shí)踐教學(xué)過程[1]。一個(gè)合格的工廠工藝設(shè)計(jì)往往是眾多因子共同影響下的綜合結(jié)果[2]。盡管工廠工藝設(shè)計(jì)課程對于生物化工專業(yè)培養(yǎng)如此重要，但搜索中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫后，沒有檢索到生物化工專業(yè)工廠工藝設(shè)計(jì)相關(guān)的資料，因此，在我國新工科教育建設(shè)的大背景下[3]，亟需對生物化工專業(yè)工廠工藝實(shí)習(xí)課程進(jìn)行梳理與探索。本文從生物化工專業(yè)工廠工藝設(shè)計(jì)課程知識(shí)儲(chǔ)備、師資與信息資源保障條件以及工廠工藝設(shè)計(jì)的流程與質(zhì)量控制等方面，整合課程教學(xué)實(shí)踐與國內(nèi)外文獻(xiàn)資源，對生物化工專業(yè)工廠工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行了歸納與探索。

1 工廠工藝設(shè)計(jì)課程需具備的專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)

生物化工是化學(xué)工程一個(gè)分支領(lǐng)域，在生物安全與生物有害物控制、細(xì)胞培養(yǎng)、衛(wèi)生檢疫、產(chǎn)品污染控制等方面具有其專業(yè)自身的顯著特點(diǎn)，比如催化劑是對環(huán)境因子較為敏感的活細(xì)胞或者酶蛋白；傳統(tǒng)化學(xué)工程中常用的蒸餾在生物化工領(lǐng)域較少應(yīng)用，而色譜與膜過濾等工藝在生物化工生產(chǎn)中則比較常見。工廠工藝設(shè)計(jì)訓(xùn)練是生物化工相關(guān)專業(yè)的必修課程之一，也是生物化工相關(guān)專業(yè)本科生教育的一個(gè)重要特征。本科生工廠工藝設(shè)計(jì)一般包括設(shè)計(jì)選題過程與具有一定專業(yè)知識(shí)深度與廣度的項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程，主要包括三個(gè)層次的設(shè)計(jì)：工藝設(shè)計(jì)、工廠設(shè)計(jì)以及基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)。特定產(chǎn)品的工廠工藝設(shè)計(jì)除須符合工程原理外，也受到其他多種因素的影響，如產(chǎn)品的市場競爭力，所在地區(qū)的法律法規(guī)，產(chǎn)品的市場前景以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求等等。另一方面，工廠工藝設(shè)計(jì)具有一定的靈活度，設(shè)計(jì)者具有一定的發(fā)揮空間。工廠工藝設(shè)計(jì)的好壞直接決定了生產(chǎn)設(shè)備性能發(fā)揮、工藝效率，進(jìn)而影響產(chǎn)品的綜合生產(chǎn)成本。一個(gè)完整的特定產(chǎn)品的工廠工藝設(shè)計(jì)會(huì)涉及到許多個(gè)學(xué)科，如流體力學(xué)中液體傳質(zhì)，光學(xué)，熱力學(xué)等等，需要學(xué)生具有扎實(shí)的數(shù)理化等學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)，并具備良好的收集資料、獨(dú)立探索與問題解決的能力，因此多數(shù)高校的工廠工藝設(shè)計(jì)課程一般設(shè)在本科階段的最后一個(gè)學(xué)期來完成這一系統(tǒng)工程。對于生物化工相關(guān)專業(yè)而言，生物類相關(guān)基礎(chǔ)課程、化工原理、工程制圖、工藝流程模擬以及工藝經(jīng)濟(jì)學(xué)與成本合算、發(fā)酵工藝與設(shè)備等課程是工廠工藝設(shè)計(jì)課程訓(xùn)練開展前必修的課程。工廠工藝設(shè)計(jì)過程是對學(xué)生工程能力的訓(xùn)練，也是對學(xué)生對前期基礎(chǔ)課程掌握程度的考察。

2 工廠工藝設(shè)計(jì)課程開展的師資與信息資源條件

生物化工專業(yè)工廠工藝設(shè)計(jì)課程開展的前提條件之一是良好的師資資源。在如今唯SCI論文至上的學(xué)術(shù)氛圍下 ，因純工程課題發(fā)表SCI論文較理論性課題困難且論文水平低，難以滿足唯SCI論文至上的學(xué)位授予、高校教師聘用、尋找博士后職位等求職競爭力要求。以上兩個(gè)因素以及教師考核唯SCI論文與高校排名等因素的共同作用下，我國多數(shù)院校生物化工專業(yè)博士生培養(yǎng)已嚴(yán)重偏離工科教育標(biāo)準(zhǔn)，給高校招聘具有良好工程能力教師員工的工作帶來很大的挑戰(zhàn)，間接給本科生工科教育帶來了不利影響，進(jìn)而給我國輕工教育與行業(yè)競爭力帶來深遠(yuǎn)不利影響。原則上，本科生工廠設(shè)計(jì)的指導(dǎo)教師應(yīng)具有工程師資格，并具有工廠實(shí)踐經(jīng)歷。然而高校教師多數(shù)是一直從事科學(xué)研究，博士畢業(yè)或博士后研究結(jié)束后直接進(jìn)入高校，很少有此種資質(zhì)認(rèn)證，多數(shù)教師嚴(yán)重缺乏工廠一線的工作經(jīng)驗(yàn)。因此“破四唯”對于工廠設(shè)計(jì)課程的高質(zhì)量開展乃至我國工業(yè)發(fā)展的“中國智造”宏大計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)均具有重要意義 。

如上所述，工廠設(shè)計(jì)過程涉及許多學(xué)科的知識(shí)，并需要學(xué)生查閱文獻(xiàn)資料。因此，本科生可利用的圖書館資源以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫等資源對于高質(zhì)量的工廠設(shè)計(jì)課程的完成具有重要的保障作用。另一方面，生物化工專業(yè)工廠設(shè)計(jì)的實(shí)施過程中涉及大量數(shù)據(jù)的計(jì)算與分析處理，因此需要高性能計(jì)算機(jī)與相關(guān)軟件資源的支持。

3 工廠工藝設(shè)計(jì)的流程與質(zhì)量控制

目前生物化工專業(yè)本科生工廠工藝設(shè)計(jì)一般包括畢業(yè)設(shè)計(jì)主題部分以及管理文件部分。工廠工藝設(shè)計(jì)主題部分又由畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書、中英文摘要、目錄、正文、參考文獻(xiàn)、致謝等部分組成。管理文件則包括開題報(bào)告、中期檢查表、指導(dǎo)教師評分評語表、評閱教師評分評語表、畢業(yè)答辯記錄表以及答辯小組評分評語表組成等。為了考察學(xué)生的外文文獻(xiàn)的查閱能力，通常還會(huì)加上文獻(xiàn)翻譯部分。工廠工藝設(shè)計(jì)圖紙一般作為主題部分的附件。

開題報(bào)告對設(shè)計(jì)的范圍、設(shè)計(jì)進(jìn)展、進(jìn)展報(bào)告以及主題部分提交等時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)期與限定，并且明確工程工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量的打分標(biāo)準(zhǔn)。生物化工專業(yè)工廠設(shè)計(jì)一般包括文獻(xiàn)調(diào)研與數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)規(guī)模預(yù)估、工藝流程選擇、物料與能量衡算、詳細(xì)流程圖制定、過程模擬與優(yōu)化、設(shè)備參數(shù)選擇、生物反應(yīng)器參數(shù)與構(gòu)造設(shè)計(jì)、生物反應(yīng)器制圖、經(jīng)濟(jì)效益分析及成本核算、可行性報(bào)告、生物安全性評價(jià)、環(huán)境影響評價(jià)以及設(shè)計(jì)課程報(bào)告等部分。工廠工藝設(shè)計(jì)正文部分一般包括一個(gè)介紹性的前言部分，對產(chǎn)品、工藝、經(jīng)濟(jì)需求等情況進(jìn)行簡明扼要的介紹。工藝流程介紹以及物料與能量衡算是論文的主要闡述部分。工廠布局、資金投入與盈利能力、技術(shù)可行性評價(jià)等可以簡要但需全面的介紹。工藝流程部分需對數(shù)據(jù)的計(jì)算方法與公式的采用給予詳細(xì)的介紹。附件圖紙部分應(yīng)對主要設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)給予詳細(xì)標(biāo)識(shí)。附件部分也可將成本核算方法列出。工廠設(shè)計(jì)的最后部分為參考文獻(xiàn)目錄部分。生物化工專業(yè)工廠工藝設(shè)計(jì)中生物安全性與環(huán)境影響評價(jià)是有別于普通化學(xué)工程工廠工藝設(shè)計(jì)的顯著特點(diǎn)之一，需給予專門介紹。生物安全性與環(huán)境評價(jià)部分應(yīng)對工廠工藝設(shè)計(jì)中可能存在的生物危害物種類與含量，針對此有害物設(shè)計(jì)上采用的工藝特點(diǎn)與設(shè)備操作特點(diǎn)等給予介紹。如果工廠設(shè)計(jì)的選題是生物安全防護(hù)要求不明確的新工藝，也需對建立其生物安全防護(hù)要求所需要的信息進(jìn)行詳細(xì)的說明，說明實(shí)驗(yàn)性防護(hù)合理方案。具有特殊活性的生物制品需進(jìn)行說明，其對設(shè)備、設(shè)施設(shè)計(jì)以及操作過程的影響也需進(jìn)行說明。其他易燃、高壓、易產(chǎn)生靜電，有毒等非生物危害物、有害生物廢棄物在排放之前的處理方法、合理的操作流程等控制危害物水平的工藝流程均須給予說明。中期檢查以會(huì)議展示答辯的方式進(jìn)行效果較好，一方面可以給學(xué)生提供一個(gè)溝通交流的機(jī)會(huì)，另一方面可以通過指導(dǎo)教師、評閱教師以及其他參會(huì)人員的提問與學(xué)生的思考辯論，使工廠工藝設(shè)計(jì)更加合理。

工廠圖紙主要用于說明建筑以及工藝設(shè)施設(shè)備的布局。合理的工廠布局對于涉及生物代謝物產(chǎn)物分離純化工藝的工廠工藝設(shè)計(jì)尤其重要，氣候風(fēng)向、工廠周圍環(huán)境、生產(chǎn)中人員與設(shè)備的流動(dòng)、換氣與溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)氣流方向等等因素均會(huì)影響產(chǎn)品品質(zhì)控制過程。因此增設(shè)適當(dāng)?shù)腉MP車間標(biāo)準(zhǔn)方面的課程知識(shí)對于生物化工專業(yè)學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力的提高非常有必要。工藝流程圖與生物反應(yīng)器制圖是附件圖紙的另外兩個(gè)重要組成部分，分別對工藝流程中的管道內(nèi)外徑、壓力等工藝參數(shù)與反應(yīng)器構(gòu)造參數(shù)進(jìn)行圖示界定。

經(jīng)濟(jì)效益分析主要包括建廠資金投入額、年運(yùn)行成本、產(chǎn)品生產(chǎn)成本、投資回報(bào)率等部分，并需說明每部分的計(jì)算方法與依據(jù)，對主要成本、提高投資回報(bào)率的計(jì)算方法等等均需列于附件部分。技術(shù)可行性部分一般列于工廠設(shè)計(jì)正文的最后，對現(xiàn)有技術(shù)的成熟度、原料與能量供應(yīng)、技術(shù)以及相關(guān)設(shè)備的穩(wěn)定性與可靠性、潛在的主要技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、尚不明確的技術(shù)原理等等方面，均可廣泛查閱文獻(xiàn)資料以及與指導(dǎo)教師與生物化工行業(yè)一線工程師等請教討論獲取并展開論述。

4 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在生物化工專業(yè)工廠工藝設(shè)計(jì)中的作用

目前國內(nèi)多數(shù)高校生物化工專業(yè)工廠工藝設(shè)計(jì)對專業(yè)軟件的使用方面尚不普及，對計(jì)算機(jī)軟件的利用多數(shù)依然限于CAD等作圖軟件。因此生物化工專業(yè)本科生培養(yǎng)過程中開設(shè)生物化工工藝流程計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)相關(guān)課程對于工程設(shè)計(jì)能力的提升以及專業(yè)能力培養(yǎng)的現(xiàn)代化非常必要。計(jì)算機(jī)輔助工藝流程設(shè)計(jì)可快速對不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬與評價(jià)。多種軟件包可實(shí)現(xiàn)對工廠工藝的設(shè)計(jì)模擬優(yōu)化以及對單個(gè)工藝過程的模擬與選擇，比如對壓縮機(jī)、冷卻器、循環(huán)泵、酸堿泵等配件及其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇。目前比較流行的化學(xué)工程類計(jì)算機(jī)輔助工藝流程設(shè)計(jì)與模擬軟件，如CHEMSHARE、PROCEDE、CHEMCAD以及HYSIM等在生物化工工藝流程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用尚不廣泛，主要原因?yàn)樯锓磻?yīng)過程自身特點(diǎn)以及對生物反應(yīng)過程與體系的理化規(guī)律數(shù)據(jù)的缺乏，比如細(xì)胞的破碎過程、雙向萃取、蛋白沉淀等過程，在化學(xué)工程中沒有對應(yīng)的反應(yīng)以及工藝過程，對于以上生物反應(yīng)過程的理化數(shù)據(jù)的缺乏，加上生物反應(yīng)過程內(nèi)在的多變性也導(dǎo)致了數(shù)學(xué)模型建構(gòu)的高難度。目前生物化工專業(yè)工廠工藝設(shè)計(jì)中常用的軟件包主要是針對分批發(fā)酵過程，如BatchProDesigner?，EnviroPro Designer?以及BioPro Designer?等。在使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件前，學(xué)生應(yīng)對軟件中采用的設(shè)計(jì)方法原理有全面的了解，并結(jié)合所使用菌株或酶蛋白的生物學(xué)特征，綜合兩方面的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，才能對計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的生物反應(yīng)過程模擬數(shù)據(jù)結(jié)果做出正確且全面的評價(jià)。