地方院校“生物工艺学”课程教学方法的探索

2014-04-10赵宏宇郑春丽卢庆华李雅丽

实验技术与管理 2014年12期

赵宏宇，季祥，郑春丽，王蕾，卢庆华，李雅丽，蔡禄

（内蒙古科技大学数理与生物工程学院，内蒙古包头 014010）

经过多年的发展，内蒙古自治区生物发酵制药产业目前在呼和浩特、包头、鄂尔多斯、乌海、巴盟及通辽、赤峰等周边地区形成了在国内相对集中的大型生物发酵基地，分布着众多规模较大的发酵制药类生物工程企业，其生产吨位及规模位居全国第一。内蒙古科技大学生物工程专业建于2001年，考虑到市场需要大量的发酵工程技术人员，以服务地区经济为目的，专业方向定位为发酵和制药领域。经多年培育与发展，生物工程专业于2008年获得内蒙古自治区同类专业中唯一的品牌专业荣誉称号。在我校生物工程专业培养方案中，生物工艺学是一门专业骨干课程。

1 我校生物工程专业培养目标

国际经济合作及发展组织在1982年提出，生物工艺学是应用自然科学及工程学的原理，依靠生物催化剂的作用将物料进行加工以提供产品或为社会服务的技术［1］。我校生物工艺学主要围绕微生物发酵工艺展开讲授，以探讨生物产品生产过程的共性为目的，从工艺角度阐明细胞的生长和代谢产物的积累与细胞的培养条件之间的相互关系，为生产过程的优化提供理论基础。开设的任务是使学生在已学过课程的基础上，进一步深化和提高所学的基本知识，深入理解生产过程的工艺原理，懂得如何应用上述基本理论去分析和解决生产过程中的具体问题，改造原有的不合理的生产过程，使之更符合客观规律。

我们在教学中，尝试了多种教学方式，积极听取了已毕业学生和企业的反馈意见，探索了单元操作与产品案例结合的教学方式以及课堂教学与实验、实习等实践教学环节有效衔接的改革。经多年实践，证实对培养适应地方经济发展的技术人才有积极作用。

2 传统教学方式

2.1 单元操作教学方式

近年来国内生物工艺学课程的讲授方式主要有2种，一种是类似于化工原理等课程，将生物产品生产过程简单地划分为几个相对独立单元操作，比如分为菌种、培养基、机理（好氧、厌氧）、pH控制、温度控制、搅拌与溶氧控制等。但是生物产品生产过程与化工过程有着显著的区别，化工过程单元相对独立，而生物产品生产是一个完整而且连续的过程，比如，发酵培养基的配比会影响到灭菌效果、发酵过程的营养供给、菌种的生长、发酵过程各个参数的波动与控制、产品的得率、发酵液的特性、下游操作中产品的分离等，而且发酵过程中存在着混沌、非线性等效应，所以如果不考虑这些特性，简单地将这些过程独立讲授，学生对于整体过程很难形成一个全面的理解。再如对于溶氧的控制方案，可以通过改变很多参数来达到目的：增大搅拌可以提高溶氧，但是剪切力也会增大，会对菌体产生损伤，而且一般企业中电动机和减速器是一档，需要改造设备；提高通气量会造成空气过滤系统负荷增加，增大染菌的几率，而且逃液现象明显；若增大罐压提高溶氧，会导致发酵液中二氧化碳浓度同时增加，有可能导致菌种呼吸异常中毒。因此，发酵工艺中，任何一个参数的调控都是一个度的问题，不存在越大越好或越小越好的情况，若只是孤立地讲授某一单元，学生很难认识到发酵工艺控制是“牵一发而动全身”的操作。

2.2 典型产品工艺案例教学方式

典型产品工艺教学方式是国内另一种常见的生物工艺学教学方式，在这种教学中选取了几种非常典型的产品作为代表来讲授生物工艺的知识［2］，比如将生物过程分为抗生素、氨基酸、有机酸、酶制剂、啤酒等过程。这种教学方式的优点是学生可以全程认识到某一产品的生产工艺，但学生接受的知识面有限，对问题的认识可能存在片面性。比如讲授氨基酸发酵时常以谷氨酸或者赖氨酸发酵为例，在发酵时如何控制发酵温度，那么涉及到的冷却方式只是竖式蛇管，但为什么做出这样的选择，常见的冷却方式有哪些，在什么情况下选择夹套、半圆管夹套、竖式蛇管、内部盘绕式蛇管，这些问题主要与菌种生物热、搅拌热、冷却水进出水温度等有关，具体要根据热量衡算计算换热面积来决定，学生很难全面认识到事物的根本所在。

3 单元操作与典型产品案例结合的教学

如何让学生既能横向地掌握各个操作过程原理工艺方法，又能纵向地熟悉整个发酵过程，是生物工艺学教学时的重点也是难点。基于微生物发酵生产的特点，将“生物工艺学”教学内容主要分为菌种、发酵机理、培养基及灭菌、种子扩培及发酵过程调控4个部分。以单元操作与发酵案例结合的教学方法，在课堂教学内容上强调工业微生物菌种选育和发酵过程中各类参数的控制等一些共性技术的部分，同时辅之以有代表性的产品的发酵工艺和方法的介绍，通过点面结合促进学生理解。比如：在讲授培养基优化时，首先要讲解优化的原则与方法，然后要从近年来发表的一些文献中选取几个典型的案例来说明常用的多因素实验设计方法（正交试验、响应面设计、均匀设计等），同时布置不同类型的作业，让学生自己设计优化实验方案；讲授发酵工艺调控时，课堂上讲授传统的温度、pH、搅拌与溶氧、消泡、染菌等主要参数的调控原理及工艺手段，同时将学生分小组布置小论文，要求学生查阅资料，完成一种典型发酵产品的详细的生产工艺，并组织学生进行答辩。通过这样一系列的教学，使学生在学习基本原理的同时，提高实际应用能力。实践证明，这种教学方式下，学生学习更加积极、主动，几乎每天都有学生不间断地与任课教师进行交流探讨，这虽然增加了任课教师的课外工作量，但是好的教学效果也让教师乐在其中。

4 课堂教学与实验教学结合

生物工艺学是实践性非常强的一门课程，所以在课堂教学的同时，也应进一步强化实践教学，借助一些工厂实际生产流程的资料结合实验室条件开展一些实验，进一步促进学生对于课程的理解和掌握［3-5］。通过课堂教学与实验教学有机结合，促使学生掌握发酵工艺的基本原理、技术和方法，为学生将来进入发酵及相关行业工作及新产品开发打下基础［6-8］。

我校与生物工艺学课程配套的实验课程是发酵工艺实验，该实验独立开课，共40课时，以大实验体系开设，与生物工艺学理论课程同步协调进行，主要内容为抗生素发酵体系、酶制剂发酵及应用、氨基酸发酵体系。实验教学的设计围绕课程的核心，即发酵过程中的基本原理和参数控制展开。课堂教学与发酵工艺学实验穿插进行，加深学生对课堂知识的掌握，训练学生掌握从原料到产品的完整发酵过程，控制产品质量和经济技术指标等，培养学生利用已学的基本原理解决实际问题的能力［9-11］。

以抗生素发酵体系为例，选择金色链霉素作为生产菌株，模拟企业的生产工艺流程进行金霉素的发酵。首先将冷冻保藏的菌种活化进行传代培养增加活性，选择活性较高的菌株在摇瓶中制备发酵种子。每个小组进行独立的摇瓶发酵，同时每个大组进行发酵罐发酵，在发酵过程中定时取样，而且要求学生自行设计方案，根据过程检查的温度、pH、DO、残糖等参数进行工艺调控。发酵结束后，测定发酵液中金霉素效价，最后进行金霉素的提取与精制，得到一定纯度的成品金霉素［12］。该实验体系前后连续性强，学生从活化菌种到最后得到成品金霉素共需要9d左右。在实验过程中，具体操作及工艺调控方案由学生设计，学生除了与任课教师和实验指导教师不断地探讨外，往往需要查阅大量的相关文献。

5 课堂教学与实习结合

在制定培养方案的课程体系时，我校将生产实习安排在生物工艺学课程结课时开设。生产实习是对课堂学习的升华，通过对实际生产工艺流程的参观，可以将生物工艺学课堂上的知识与实际的生产实践结合起来，产生感官上的认识，加深对课堂理论内容的理解。

近年来生产实习安排2周时间，主要以参观内蒙古西部地区发酵制药企业的生产车间为主。对好氧发酵生产过程，主要在金河生物科技股份有限公司的金霉素发酵车间、石药集团中润制药（内蒙古）有限公司的青霉素发酵车间实习；对厌氧发酵生产过程，主要在燕京啤酒（包头雪鹿）股份有限公司的发酵车间、糖化车间参观。每个企业实习3d左右，期间学生轮流安排在不同的岗位上进行学习。

6 多种教学方式结合的效果

经过生物工艺学多层级的教学改革，学生可以系统掌握微生物发酵生产过程。我校生物工程毕业生已成为内蒙古地区发酵制药类企业最受欢迎的专业学生，近年来就业率年均保持在95%左右。企业对我们学生的评价是“专业知识扎实”、“上手快、留得住、后劲足”，短短几年时间，部分学生已成为企业的高中层技术管理人员以及技术骨干人员。在我们的回访中，多数学生（尤其是从事发酵生产相关的学生）认为生物工艺学为他们的工作储备了重要的基础理论知识。