生物化工专业工厂工艺设计课程教学过程中的思考

吕和鑫

(天津科技大学 生物工程学院，天津 300457)

工厂工艺设计课程是生物化工专业本科生必修课程之一，也是衡量与考察高校学生大学阶段工程设计能力培养的一个重要实践过程，是高校学生毕业前的最后一个“实战演习”，对于学生的工程能力实质性提升具有重要作用。工厂工艺设计能力是生物化工行业工程师的必备能力之一。优质合理的生物化工专业课程设置是学生工程设计能力得到切实提高的基础。工厂工艺设计课程训练需要学生的精心准备与教师的认真负责指导，是一个需将生物安全、成本控制、可行性、可操作性、环保因素、可维护性、投产期、可扩展性、负荷能力等多种因素进行综合衡量与评价的实践教学过程[1]。一个合格的工厂工艺设计往往是众多因子共同影响下的综合结果[2]。尽管工厂工艺设计课程对于生物化工专业培养如此重要，但搜索中国知网数据库后，没有检索到生物化工专业工厂工艺设计相关的资料，因此，在我国新工科教育建设的大背景下[3]，亟需对生物化工专业工厂工艺实习课程进行梳理与探索。本文从生物化工专业工厂工艺设计课程知识储备、师资与信息资源保障条件以及工厂工艺设计的流程与质量控制等方面，整合课程教学实践与国内外文献资源，对生物化工专业工厂工艺设计进行了归纳与探索。

1 工厂工艺设计课程需具备的专业知识基础

生物化工是化学工程一个分支领域，在生物安全与生物有害物控制、细胞培养、卫生检疫、产品污染控制等方面具有其专业自身的显著特点，比如催化剂是对环境因子较为敏感的活细胞或者酶蛋白；传统化学工程中常用的蒸馏在生物化工领域较少应用，而色谱与膜过滤等工艺在生物化工生产中则比较常见。工厂工艺设计训练是生物化工相关专业的必修课程之一，也是生物化工相关专业本科生教育的一个重要特征。本科生工厂工艺设计一般包括设计选题过程与具有一定专业知识深度与广度的项目设计过程，主要包括三个层次的设计：工艺设计、工厂设计以及基础设施设计。特定产品的工厂工艺设计除须符合工程原理外，也受到其他多种因素的影响，如产品的市场竞争力，所在地区的法律法规，产品的市场前景以及行业标准要求等等。另一方面，工厂工艺设计具有一定的灵活度，设计者具有一定的发挥空间。工厂工艺设计的好坏直接决定了生产设备性能发挥、工艺效率，进而影响产品的综合生产成本。一个完整的特定产品的工厂工艺设计会涉及到许多个学科，如流体力学中液体传质，光学，热力学等等，需要学生具有扎实的数理化等学科的基础知识，并具备良好的收集资料、独立探索与问题解决的能力，因此多数高校的工厂工艺设计课程一般设在本科阶段的最后一个学期来完成这一系统工程。对于生物化工相关专业而言，生物类相关基础课程、化工原理、工程制图、工艺流程模拟以及工艺经济学与成本合算、发酵工艺与设备等课程是工厂工艺设计课程训练开展前必修的课程。工厂工艺设计过程是对学生工程能力的训练，也是对学生对前期基础课程掌握程度的考察。

2 工厂工艺设计课程开展的师资与信息资源条件

生物化工专业工厂工艺设计课程开展的前提条件之一是良好的师资资源。在如今唯SCI论文至上的学术氛围下 ，因纯工程课题发表SCI论文较理论性课题困难且论文水平低，难以满足唯SCI论文至上的学位授予、高校教师聘用、寻找博士后职位等求职竞争力要求。以上两个因素以及教师考核唯SCI论文与高校排名等因素的共同作用下，我国多数院校生物化工专业博士生培养已严重偏离工科教育标准，给高校招聘具有良好工程能力教师员工的工作带来很大的挑战，间接给本科生工科教育带来了不利影响，进而给我国轻工教育与行业竞争力带来深远不利影响。原则上，本科生工厂设计的指导教师应具有工程师资格，并具有工厂实践经历。然而高校教师多数是一直从事科学研究，博士毕业或博士后研究结束后直接进入高校，很少有此种资质认证，多数教师严重缺乏工厂一线的工作经验。因此“破四唯”对于工厂设计课程的高质量开展乃至我国工业发展的“中国智造”宏大计划的实现均具有重要意义 。

如上所述，工厂设计过程涉及许多学科的知识，并需要学生查阅文献资料。因此，本科生可利用的图书馆资源以及网络数据库等资源对于高质量的工厂设计课程的完成具有重要的保障作用。另一方面，生物化工专业工厂设计的实施过程中涉及大量数据的计算与分析处理，因此需要高性能计算机与相关软件资源的支持。

3 工厂工艺设计的流程与质量控制

目前生物化工专业本科生工厂工艺设计一般包括毕业设计主题部分以及管理文件部分。工厂工艺设计主题部分又由毕业设计任务书、中英文摘要、目录、正文、参考文献、致谢等部分组成。管理文件则包括开题报告、中期检查表、指导教师评分评语表、评阅教师评分评语表、毕业答辩记录表以及答辩小组评分评语表组成等。为了考察学生的外文文献的查阅能力，通常还会加上文献翻译部分。工厂工艺设计图纸一般作为主题部分的附件。

开题报告对设计的范围、设计进展、进展报告以及主题部分提交等时间节点进行预期与限定，并且明确工程工艺设计质量的打分标准。生物化工专业工厂设计一般包括文献调研与数据采集、生产规模预估、工艺流程选择、物料与能量衡算、详细流程图制定、过程模拟与优化、设备参数选择、生物反应器参数与构造设计、生物反应器制图、经济效益分析及成本核算、可行性报告、生物安全性评价、环境影响评价以及设计课程报告等部分。工厂工艺设计正文部分一般包括一个介绍性的前言部分，对产品、工艺、经济需求等情况进行简明扼要的介绍。工艺流程介绍以及物料与能量衡算是论文的主要阐述部分。工厂布局、资金投入与盈利能力、技术可行性评价等可以简要但需全面的介绍。工艺流程部分需对数据的计算方法与公式的采用给予详细的介绍。附件图纸部分应对主要设备的各项参数给予详细标识。附件部分也可将成本核算方法列出。工厂设计的最后部分为参考文献目录部分。生物化工专业工厂工艺设计中生物安全性与环境影响评价是有别于普通化学工程工厂工艺设计的显著特点之一，需给予专门介绍。生物安全性与环境评价部分应对工厂工艺设计中可能存在的生物危害物种类与含量，针对此有害物设计上采用的工艺特点与设备操作特点等给予介绍。如果工厂设计的选题是生物安全防护要求不明确的新工艺，也需对建立其生物安全防护要求所需要的信息进行详细的说明，说明实验性防护合理方案。具有特殊活性的生物制品需进行说明，其对设备、设施设计以及操作过程的影响也需进行说明。其他易燃、高压、易产生静电，有毒等非生物危害物、有害生物废弃物在排放之前的处理方法、合理的操作流程等控制危害物水平的工艺流程均须给予说明。中期检查以会议展示答辩的方式进行效果较好，一方面可以给学生提供一个沟通交流的机会，另一方面可以通过指导教师、评阅教师以及其他参会人员的提问与学生的思考辩论，使工厂工艺设计更加合理。

工厂图纸主要用于说明建筑以及工艺设施设备的布局。合理的工厂布局对于涉及生物代谢物产物分离纯化工艺的工厂工艺设计尤其重要，气候风向、工厂周围环境、生产中人员与设备的流动、换气与温度调节系统气流方向等等因素均会影响产品品质控制过程。因此增设适当的GMP车间标准方面的课程知识对于生物化工专业学生工程设计能力的提高非常有必要。工艺流程图与生物反应器制图是附件图纸的另外两个重要组成部分，分别对工艺流程中的管道内外径、压力等工艺参数与反应器构造参数进行图示界定。

经济效益分析主要包括建厂资金投入额、年运行成本、产品生产成本、投资回报率等部分，并需说明每部分的计算方法与依据，对主要成本、提高投资回报率的计算方法等等均需列于附件部分。技术可行性部分一般列于工厂设计正文的最后，对现有技术的成熟度、原料与能量供应、技术以及相关设备的稳定性与可靠性、潜在的主要技术风险、尚不明确的技术原理等等方面，均可广泛查阅文献资料以及与指导教师与生物化工行业一线工程师等请教讨论获取并展开论述。

4 计算机辅助设计在生物化工专业工厂工艺设计中的作用

目前国内多数高校生物化工专业工厂工艺设计对专业软件的使用方面尚不普及，对计算机软件的利用多数依然限于CAD等作图软件。因此生物化工专业本科生培养过程中开设生物化工工艺流程计算机辅助设计相关课程对于工程设计能力的提升以及专业能力培养的现代化非常必要。计算机辅助工艺流程设计可快速对不同设计方案进行模拟与评价。多种软件包可实现对工厂工艺的设计模拟优化以及对单个工艺过程的模拟与选择，比如对压缩机、冷却器、循环泵、酸碱泵等配件及其参数进行优化选择。目前比较流行的化学工程类计算机辅助工艺流程设计与模拟软件，如CHEMSHARE、PROCEDE、CHEMCAD以及HYSIM等在生物化工工艺流程设计中的应用尚不广泛，主要原因为生物反应过程自身特点以及对生物反应过程与体系的理化规律数据的缺乏，比如细胞的破碎过程、双向萃取、蛋白沉淀等过程，在化学工程中没有对应的反应以及工艺过程，对于以上生物反应过程的理化数据的缺乏，加上生物反应过程内在的多变性也导致了数学模型建构的高难度。目前生物化工专业工厂工艺设计中常用的软件包主要是针对分批发酵过程，如BatchProDesigner®，EnviroPro Designer®以及BioPro Designer®等。在使用计算机辅助设计软件前，学生应对软件中采用的设计方法原理有全面的了解，并结合所使用菌株或酶蛋白的生物学特征，综合两方面的数据分析结果，才能对计算机辅助设计的生物反应过程模拟数据结果做出正确且全面的评价。