生物工程工厂设计教学研究与实践

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生物工程是着重解决生命科学研究成果产业化面临的技术与工程问题、推动生物产业健康发展的新兴学科，具有明显的工程化和产业化特征。在生物工业中，工厂设计发挥着重要的作用。根据中国工程教育专业认证通用标准[1]，工科学生必须具有设计/开发解决方案、工程与社会、环境和可持续发展等方面的能力，“工厂设计”课程是支撑工科专业以上毕业要求的主要课程。“生物工程工厂设计”是生物工程专业重要的工程设计类实践课程。学生通过自主设计工厂生产线，掌握厂址选择与工厂总平面设计、工艺计算、设备的设计与选型、车间布置设计等单项设计环节，深刻理解工厂生产工艺设计与总体设计和公用工程的关系，比较全面系统地了解和掌握生物工程工厂工艺设计的内容、工作程序、设计方法、规范标准、技术经济等，具备未来从事生物工厂设计工作的能力。企业实践是学生了解生产工艺、设备及生产管理的必要途径。随着生物产业现代化程度的不断提升，学生企业实践期间接触的多数是研发、质控岗位，在生产一线顶岗实践的机会逐渐减少，对企业一线生产的认知主要是通过参观工厂生产线。生物产业对生产环境的卫生、安全要求较高，许多企业为了保障生产的顺利进行，往往设置参观走廊，用于学生及其他人员的参观学习，学生参观时距离生产线较远，学习效果大打折扣。这导致学生对工厂的生产过程和技术管理比较陌生，对工程概念比较模糊，即使前期学习了相关理论知识，也很难保质保量地完成工厂设计的课程任务，这对本课程的实践教学提出了更高要求。为解决以上问题，本课程组将线上教学资源与线下自主设计充分结合，并将计算机仿真引入工程设计的实践教学，使学生能够在较短时间内提升生物工程工艺设计能力，实现本课程的教学目标。

1线上线下相结合的课程框架

在大多数高校的培养方案中，“工厂设计”课程开设在大三下学期或大四上学期，此时学生已经学习了发酵工程、过程工程、生产设备、技术经济等相关课程，将这些理论知识与生产实际结合进行合理的工厂设计，是本课程的重要教学目标。为保证课程教学效果，本课程教学分为理论知识学习、计算机仿真模拟、生产线观摩、自主设计四个环节：

1.1理论知识学习

理论知识是生物技术产业化开发的基础，学生对前期学习的理论课程的掌握程度存在较大差异，如果采用课堂统一授课，难以达到预期效果，而线上教学可以很好地解决这一问题。本课程组建设了“生物工程工厂设计”在线课程，从满足工程要求的需要出发，系统介绍了生物工程工厂设计的基本程序和方法，包括厂址选择、总体设计、工艺设计、非工艺设计等多项设计。学生可以根据自己的实际情况，结合网络教学资源自主学习，相对薄弱的部分可以反复学习，教师辅助指导答疑。这有效解决了不同基础学生的学习需求，同时锻炼了学生自主学习的能力。

1.2计算机仿真模拟

通过在线课程的自主学习，学生初步掌握了工程设计的工作程序和内容，但对于工艺流程，尤其是流程中的控制点，学生仍然比较迷茫。针对这一问题，我们以生物产业具有代表性的产品生产工艺为基础，自主开发了谷氨酸生产、基因工程菌生产白蛋白等几款计算机仿真模拟软件，每个仿真软件均包含发酵生产、产品分离提取等几个主要生产过程。学生通过模拟仿真训练，对于工艺流程有了较深的认识，明确了生产过程是不可分割的整体，同时理解了何为控制点、流程中如何设置控制点。

1.3生产线观摩

在工厂设计过程中，学生需要对生产车间进行设备安装布置。但学生缺乏经验，对生产设备的了解仅限于教材，对于设备的体积、布置要求等也缺乏了解。只有在生产现场，才能切实了解生产设备、生产车间的布置等相关知识。为使学生对生产过程有更进一步的了解，我们建设了两条校内中试生产线，学生可随时进行观摩学习，亲身感受工艺流程中各生产单元的相互关系、设备安装布置的原则以及需要注意的问题。

1.4自主设计

按照“生物工程工厂设计”教学大纲的要求，每位学生都要独立完成一个设计题目。设计内容包括厂址选择、工艺设计、非工艺设计等工厂设计的全部内容，学生从满足工程要求的需要出发，根据设计要求，提出单元操作和工艺流程解决方案；综合考虑先进性、经济性、环境保护、安全性等方面，进行多种方案的分析比较研究，集成各单元操作；查阅技术资料、国家技术标准，正确选用公式和数据进行工艺计算和设备设计计算；进行生物产品生产总工艺流程设计，以及车间设备的平面布置和立面布置设计；从满足环境保护和可持续发展的要求出发，提出“三废”治理和综合利用方案；运用工程管理与经济决策方法，进行简单的成本核算；运用工程语言表述设计思想和结果，编写设计说明书并绘制带控制点的工艺流程图和车间设备布置图。以上四个环节各有侧重、相辅相成，在课程的组织实施过程中根据需要穿插进行。

2实践教学的组织实施

“生物工程工厂设计”实践教学需要学生完成一个生产车间的完整工程设计，为保证设计任务的顺利完成，实践教学可以分为以下几个阶段组织实施：

2.1设计题目的确定

课程开始之前，课程组指导教师结合产业现状，从近几年的新兴产业或技术中选取适当内容作为本学期的设计题目。此类设计题目的特点是技术比较新、研究类文献较多、生产类资料较少，很难查阅到现成的工业化生产资料。学生需要通过查阅相关文献自主确定生产技术和工艺，综合考虑技术、经济、环保、安全等多方面因素，进行多种方案的分析和比较，此过程可以强化学生的探索精神和工程意识，培养学生设计能力和解决实际工程问题的能力。为培养学生团结协作的精神，课程设计以小组为单位进行，由5～7名学生组成一个设计小组。课程组指导教师仅给出小组设计总题目，小组成员在查阅文献、讨论后，根据生产原料、生产工艺、生产能力等的差异，自主拟定每个人的具体题目，指导教师审核后确定。例如“以纤维质原料发酵生产生物乙醇”题目，项目内容为目前生物产业研究发展的热点领域之一，可以根据工厂实际，以秸秆、木薯、甘蔗渣等不同的纤维质物料为原料，不同原料由于成分差异较大，原料预处理方法也有较大差异。发酵生产过程可以采用分步水解发酵、同步糖化发酵等不同方法。小组成员讨论后确定的6个具体题目为：以水稻秸秆为原料生产年产10万吨的生物乙醇工厂设计；以甘蔗渣为原料生产年产10万吨的生物乙醇工厂设计；以玉米秸秆为原料生产年产1万吨的燃料乙醇工厂设计；以海带渣为原料生产年产10万吨的生物乙醇工厂设计；以稻壳为原料年产10万吨的生物乙醇工厂设计；以木薯为原料生产年产10万吨的生物乙醇工厂设计。由于原料和产量的差异，每个设计的工艺均不相同，既满足了一人一题的要求，小组成员也可在设计过程中充分讨论交流。

2.2教师讲解

布置小组题目后，指导教师对本实践环节的设计内容、具体要求、基本方法等进行详细讲解，使学生对工厂设计有大致了解，明确本实践环节的学习任务和要求，同时向学生介绍在线课程的情况。

2.3自主学习

上述两个步骤完成后，学生对设计内容有了基本了解。在设计过程中，可以根据自己的前期基础，结合线上资源随时学习。尤其是在具体设计阶段，学生可以根据自己的设计题目进行重点内容学习。比如在车间设备布置阶段，学生可以利用线上资源，学习工厂对设备布置的要求和常规设备的布置方法，结合自己设计的设备类型和生产工艺，进行本设计的车间布置。在此过程中，学生可以将理论知识与生产实际密切结合，通过实际应用使所学知识得到巩固、加深和扩展。

2.4计算机虚拟仿真

课程组结合目前生物工业领域的特点和发展方向，自主开发了“谷氨酸发酵生产”“基因重组酵母规模化发酵生产人血清白蛋白”等计算机仿真软件，包括培养基制备、实罐灭菌、发酵生产、提取分离等几个单元模块，将生产过程的变化展示出来，学生可反复练习每个工艺的操作过程。特别是可以在人为设置的工艺条件下，对系统进行开停车、工艺条件调整、设备故障处理等操作，这加深了学生对工厂生产及调控过程的认知，为其进行生产工艺流程和控制点设计提供了直观参考。

2.5生产线观摩

本专业建设了两条中试生产线——谷氨酸发酵生产线和酶解生产线，随时对学生开放。在设计过程中，通过设备、生产线观摩，学生在设备选型、设备布置等方面的设计内容更贴近实际，增强了设计的可行性和实用性。

2.6设计实践

根据生物工程工厂具体建设项目的设计工作程序、内容和步骤，学生以小组为单位进行选定题目的设计，确定设计产品的标准，完成生产工艺设计与论证、工艺计算、设备计算与选型、成本核算、环境保护与综合利用等内容的设计，绘制带控制点工艺流程图和生产车间设备布置图，编写设计说明书。在设计过程中，指导教师采取集中指导与分散答疑相结合的方式，对学生的设计成果随时进行点评，及时发现并指出存在的问题，提出建设性修改意见，帮助学生按时保质地完成设计任务。

3实践教学考核

本实践环节考核采用课程目标对应的模块化考核方法，考核内容针对课程目标设计，严格按照大纲的考核要求进行：

3.1生产方法、生产工艺的设计与论证

本模块重点考查学生是否熟悉本生产领域的国内外发展趋势，能否从满足工程要求的需要出发，根据影响设计目标和技术方案的各种因素提出单元操作和工艺流程解决方案，并进行有效论证。

3.2工艺计算及设备计算选型

本模块重点考查学生能否熟练运用技术资料、国家技术标准，能否正确选用公式和数据进行工艺设计中每个生产过程（或工序）的工艺计算和设备设计计算，并以简洁的文字和工程语言表述结果。

3.3成本核算

本模块重点考查学生能否正确选用公式和数据进行整个车间或工厂的非工艺计算，确定水、电、蒸汽的消耗，能否充分考虑经济技术指标进行成本核算，以及能否做出科学合理的决策。旨在使学生初步掌握项目实施过程的管理技能。

3.4“三废”排放及处理

本模块要求学生能够明确本设计产生“三废”的情况，从满足环境保护和可持续发展的要求出发，推荐几种有效的处理措施并加以比较，进而选择一个经济合理的“三废”处理方法。旨在培养学生清洁生产的理念。

3.5工艺流程设计

本模块要求学生综合考虑先进性、经济性、环境保护、安全性等方面，确定由原料到产品的全过程，以及每个生产过程（或工序）之间如何连接，确定生产流程中各个生产过程的具体内容、顺序、组合方式和操作条件。

3.6工艺流程图绘制

本模块要求学生采用CAD/CAXA技术，将设计的工艺流程方案用带控制点的工艺流程图表示出来，遵守国家技术标准绘出流程所需全部设备、物料管线、阀件、设备的辅助管路以及工艺和自控仪表图例、符号，标出物流方向及主要控制点。培养学生运用工程语言正确表述设计思想和结果。

3.7车间布置设计

本模块要求学生在充分调查的基础上，综合考虑工艺、操作、安全、维修、施工、经济、美观及扩建的需求，遵循常用的设计规范和规定，将各工段与各设备按生产流程在空间上进行组合、布置。采用CAD/CAXA技术，按照国家技术标准绘制车间设备布置图，包括平面图与剖面图。经课程组教师讨论，确定总成绩组成：生产方法、生产工艺的设计与论证5%，工艺计算及设备计算选型35%，其他工艺计算及成本核算10%，三废排放及处理5%，工艺流程设计10%，工艺流程图绘制10%，车间布置设计25%。

4实施效果

采用本教学方式后，学生学习成绩有较大提高，平均成绩提高了4.2分，课程目标达成度提高了0.02，为后续的毕业设计打下了良好的基础。学生对课程的评价较高，连续两年教学综合评价均为良好以上（2020年度优秀，2021年度良好），学生认可课程的教学理念，对本课程的整体设计、教学内容、教学方法、考核方式和内容的满意度均达到85%以上，超过70%的毕业生表示本课程对于他们考研和找工作起到了很好的支撑作用。与学校、学院督导及校外同行进行多次交流讨论，他们均认为本课程充分体现了OBE的教学理念，课程教学内容、教学方式、考核方法等的设计有助于提升学生的工程素养；计算机仿真、自主学习、现场教学等方式可有效提升学生的学习兴趣和专业自信心，强化学生解决复杂工程问题的能力，明确专业工程师的职业担当。

5结语

（1）将线上教学、计算机虚拟仿真引入“生物工程工厂设计”，将学生自学、教师讲解与自主设计有机结合，锻炼学生自学能力，真正体现以学生为中心、以产出为导向的工程教育认证理念。

（2）采用边学习边应用的课程实施方式，将工程实际问题融入日常讲授、学习中，让学生明白如何将知识应用于实践，培养学生设计能力和解决实际工程问题的能力。

参考文献

[1]中国工程教育专业认证协会.工程教育认证标准（2017年11月修订）[EB/OL].

作者:姜爱莉 陈丽红 于贞 单位:烟台大学生命科学学院