發酵罐在線滅菌模擬教學儀器在高職課程的應用

康 偉，宋立軍，劉 建，張 建

（1.天津生物工程職業技術學院，天津 300462；2.天津市芯慧鴻業科技有限公司，天津 300384）

1 概述

生物醫藥產業是高新技術的產業之一，隨著新冠病毒疫情的發展，越來越多的人開始重視生命健康，國家從新的高度上加大了生物醫藥的建設力度，尤其是疫苗、抗體、生物因子等制造倍受關注。隨著生物醫藥產業的重大變革，高新技術的細胞發酵和微生物發酵企業作為疫苗、抗體、生物因子的生產依托迅猛發展，數量顯著增加，生產規模不斷擴大，科技水平不斷增高，這些企業對人才的需求不斷變化，急需大量熟練掌握發酵技術的人才補充市場。這對生物設備類的課程改革提出了新的挑戰。

高職類院校的生物制藥設備課程中，發酵設備是學習的重點，涉及發酵主體設備、能源支持設備以及附屬設施，是一個龐大的綜合性教學章節。目前，由于經費和場地等原因，授課中教師局限性很大，不能做到人手一臺發酵罐進行練習，操作練習只能分組進行，少部分人操作，大部分人觀望，無法保證每個學生技能掌握的水平。很多院校為了解決實訓設備缺乏的問題，采用了軟件模擬仿真進行彌補，缺乏真實性操作，只能看設備、講原理，學生看不到設備內部任何設備信號傳導的動態變化，缺乏自主解決生產中發生的故障問題，學生的掌握能力懸在空中，無法落地。由于生物發酵企業制造環境要求嚴格，相應的實習企業無法接受學生下廠實際操練。加上市場上又缺乏相應的專用教學儀器，整體教學質量有待提高。

為了全面貫徹黨的教育方針，落實立德樹人根本任務，解決當前課程教學無法深入講解和新的教學手段缺失的矛盾。以好氧發酵罐為研究對象，對在線滅菌進行分析，提取實消的全過程參數變化，并制作成生物發酵罐半虛擬仿真教學儀器，然后將其投入到生物制藥設備課程教學中，檢驗其功效。

2 生物發酵罐控制系統半虛擬仿真儀器的結構與功能

2.1 結構設計

該教學儀器的控制器為Mega2560控制板，儀器的人機界面由三塊LCD1602 液晶顯示屏構成。驅動控制器為電機驅動模塊，采用 TB6612FNG 驅動芯片。

2.2 功能說明

半虛擬仿真儀器模擬了生物發酵罐在線滅菌的操作過程，涉及pH 電極的標定、溶氧值的標定、溫度設定與變化的三個操作單元。

2.2.1 pH標定模塊

好氧發酵罐在線滅菌前，需要利用標準pH 液（4、7、10）對pH 電極進行標定。設計了三個固定數值（4、7、10）進行3個值得標定，先做酸堿度值4的標定，儀器模擬實際電極測量酸堿度的一個浮動數值（3.0～5.0），待顯示數值穩定后，按確認健，將其數值糾正到4.0。然后做酸堿度值7的標定，儀器模擬實際電極測量酸堿度的一個浮動數值（6.0～8.0），待數值穩定后，按確認健，將其數值糾正到7.0。最后做酸堿度值10的標定，儀器模擬實際電極測量酸堿度的一個浮動數值（9.0～11.0），待顯示數值穩定后，按確認健，將其數值糾正到10.0。

2.2.2 溶氧標定模塊

溶氧值的標定，分為兩個階段，一個是在滅菌溫度達到最高（根據不同菌株的滅菌溫度而定），攪拌轉速最低（有的滅菌過程中攪拌轉速最低為零），最小通氣量（有的滅菌過程中通氣量為零）的時候標定零值；一個是在溫度降到發酵常態溫度后（根據不同菌株的最適發酵溫度而定），最大攪拌速度和最大通氣的條件下（各個菌株發酵需求不同）標定100%。設計了一個常用大腸桿菌的過程，當滅菌溫度達到121℃時，溶氧值標定模塊啟動，設定最低轉速值為0，通氣量為0，模擬顯示出現一個浮動數值（0～5%），按確定鍵歸零，當滅菌結束后溫度降至37℃，設定最高轉速值為1 000r/min，通氣量為20L/min（不同發酵設備不同），模擬顯示出現一個浮動數值（90%～100%），按確定鍵歸100%，整個溶氧標定過程完畢。

2.2.3 溫度變化模塊

設計了一個大腸桿菌的滅菌過程，溫度在啟動時從一般室溫25℃開始進行攀升，到達最高溫度121℃停止，開始計時，時間一般設定在20min（實際5min）結束。在這個階段，學生開始操作溶氧模塊的最低值的標定練習，溫度逐漸下降，達到60℃停止（此溫度為發酵罐滅菌結束警示溫度，部分發酵罐可能無此功能），學生按確認鍵，溫度繼續下降至37℃，在這個階段，學生開始操作溶氧模塊最高值的標定練習。

3 生物發酵罐半虛擬仿真教學儀器教學驗證

從天津生物工程職業技術學院的生物制藥技術專業和藥品生物技術專業中各隨機抽取30名學生分成三個組，一組為實物練習組、二組為軟件模擬組、三組教學儀器組。每組學生先由教師針對設備進行演示和講解，然后分組進行練習，最后進行教學效果的調研。老師講解的設備為30L 德國貝朗全自動發酵罐，講解內容為在線實消滅菌，練習階段一組采用30L德國貝朗發酵罐進行練習，二組采用學院自主開發的發酵罐模擬練習3D 軟件進行練習，三組采用研制的半虛擬仿真教學儀器進行練習。授課結束后通過同一標準化操作測試。第一組90分以上的2人，80～90分的4人，70～80分的3人，60～70分的1人。第二組90分以上的5人，80～90分的3人，70～80分的2人。第三組90分以上的8人，80～90分的2人。從實操成績的結果分析，如圖1所示；使用實體設備教學組成績明顯處于劣勢，使用半仿真教學儀器進行教學能夠有效提升學生對在線滅菌參數調節學習效果。從三組學生學習滿意度調查反饋也能得到與此相似的結論，如圖2所示；使用半虛擬仿真儀教學儀器的學生，對教學形式比較認同，對參數的變化理解程度較高，標定操作比較熟練。而使用實體設備教學組的學生，由于操作人員較少，大部分同學理解程度不高。

圖1 操作測試分析表

圖2 教學滿意度調查

4 結論

本教學儀器通過模擬耗氧發酵罐在線滅菌全過程中的參數變化，使得學生對實消滅菌中的溫度變化，什么時間做pH電極的標定，什么時候做溶氧值的標定有了深入的理解和掌握。通過調研結果分析，實體設備教學的效果明顯不足，設備數量少，學生要實際演練的機會少之又少，大部分人是觀察學習，如果人手一套設備，投資很大，場地限制，能源供應都是無法解決的問題，學生們的感性認識不夠深刻。完全靠軟件模擬學習，學生只是在感性認識上得到了提升，一旦接觸實物操作，存在很多的差異，教學效果不很理想。而通過半虛擬仿真教學儀器來進行教學，每個學生都能獲得操作的練習，認識度深刻，避免了昂貴的設備出現問題，使實訓教學環節更具有經濟性、安全性、可重復性，提高高等職業教育教學質量。