呂和鑫

(天津科技大學 生物工程學院，天津 300457)

工廠工藝設計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生大學階段工程設計能力培養(yǎng)的一個重要實踐過程，是高校學生畢業(yè)前的最后一個“實戰(zhàn)演習”，對于學生的工程能力實質(zhì)性提升具有重要作用。工廠工藝設計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)課程設置是學生工程設計能力得到切實提高的基礎。工廠工藝設計課程訓練需要學生的精心準備與教師的認真負責指導，是一個需將生物安全、成本控制、可行性、可操作性、環(huán)保因素、可維護性、投產(chǎn)期、可擴展性、負荷能力等多種因素進行綜合衡量與評價的實踐教學過程[1]。一個合格的工廠工藝設計往往是眾多因子共同影響下的綜合結(jié)果[2]。盡管工廠工藝設計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)工廠工藝設計相關的資料，因此，在我國新工科教育建設的大背景下[3]，亟需對生物化工專業(yè)工廠工藝實習課程進行梳理與探索。本文從生物化工專業(yè)工廠工藝設計課程知識儲備、師資與信息資源保障條件以及工廠工藝設計的流程與質(zhì)量控制等方面，整合課程教學實踐與國內(nèi)外文獻資源，對生物化工專業(yè)工廠工藝設計進行了歸納與探索。

1 工廠工藝設計課程需具備的專業(yè)知識基礎

生物化工是化學工程一個分支領域，在生物安全與生物有害物控制、細胞培養(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，比如催化劑是對環(huán)境因子較為敏感的活細胞或者酶蛋白；傳統(tǒng)化學工程中常用的蒸餾在生物化工領域較少應用，而色譜與膜過濾等工藝在生物化工生產(chǎn)中則比較常見。工廠工藝設計訓練是生物化工相關專業(yè)的必修課程之一，也是生物化工相關專業(yè)本科生教育的一個重要特征。本科生工廠工藝設計一般包括設計選題過程與具有一定專業(yè)知識深度與廣度的項目設計過程，主要包括三個層次的設計：工藝設計、工廠設計以及基礎設施設計。特定產(chǎn)品的工廠工藝設計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)標準要求等等。另一方面，工廠工藝設計具有一定的靈活度，設計者具有一定的發(fā)揮空間。工廠工藝設計的好壞直接決定了生產(chǎn)設備性能發(fā)揮、工藝效率，進而影響產(chǎn)品的綜合生產(chǎn)成本。一個完整的特定產(chǎn)品的工廠工藝設計會涉及到許多個學科，如流體力學中液體傳質(zhì)，光學，熱力學等等，需要學生具有扎實的數(shù)理化等學科的基礎知識，并具備良好的收集資料、獨立探索與問題解決的能力，因此多數(shù)高校的工廠工藝設計課程一般設在本科階段的最后一個學期來完成這一系統(tǒng)工程。對于生物化工相關專業(yè)而言，生物類相關基礎課程、化工原理、工程制圖、工藝流程模擬以及工藝經(jīng)濟學與成本合算、發(fā)酵工藝與設備等課程是工廠工藝設計課程訓練開展前必修的課程。工廠工藝設計過程是對學生工程能力的訓練，也是對學生對前期基礎課程掌握程度的考察。

2 工廠工藝設計課程開展的師資與信息資源條件

生物化工專業(yè)工廠工藝設計課程開展的前提條件之一是良好的師資資源。在如今唯SCI論文至上的學術氛圍下 ，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)已嚴重偏離工科教育標準，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，進而給我國輕工教育與行業(yè)競爭力帶來深遠不利影響。原則上，本科生工廠設計的指導教師應具有工程師資格，并具有工廠實踐經(jīng)歷。然而高校教師多數(shù)是一直從事科學研究，博士畢業(yè)或博士后研究結(jié)束后直接進入高校，很少有此種資質(zhì)認證，多數(shù)教師嚴重缺乏工廠一線的工作經(jīng)驗。因此“破四唯”對于工廠設計課程的高質(zhì)量開展乃至我國工業(yè)發(fā)展的“中國智造”宏大計劃的實現(xiàn)均具有重要意義 。

如上所述，工廠設計過程涉及許多學科的知識，并需要學生查閱文獻資料。因此，本科生可利用的圖書館資源以及網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫等資源對于高質(zhì)量的工廠設計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)工廠設計的實施過程中涉及大量數(shù)據(jù)的計算與分析處理，因此需要高性能計算機與相關軟件資源的支持。

3 工廠工藝設計的流程與質(zhì)量控制

目前生物化工專業(yè)本科生工廠工藝設計一般包括畢業(yè)設計主題部分以及管理文件部分。工廠工藝設計主題部分又由畢業(yè)設計任務書、中英文摘要、目錄、正文、參考文獻、致謝等部分組成。管理文件則包括開題報告、中期檢查表、指導教師評分評語表、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。為了考察學生的外文文獻的查閱能力，通常還會加上文獻翻譯部分。工廠工藝設計圖紙一般作為主題部分的附件。

開題報告對設計的范圍、設計進展、進展報告以及主題部分提交等時間節(jié)點進行預期與限定，并且明確工程工藝設計質(zhì)量的打分標準。生物化工專業(yè)工廠設計一般包括文獻調(diào)研與數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)規(guī)模預估、工藝流程選擇、物料與能量衡算、詳細流程圖制定、過程模擬與優(yōu)化、設備參數(shù)選擇、生物反應器參數(shù)與構(gòu)造設計、生物反應器制圖、經(jīng)濟效益分析及成本核算、可行性報告、生物安全性評價、環(huán)境影響評價以及設計課程報告等部分。工廠工藝設計正文部分一般包括一個介紹性的前言部分，對產(chǎn)品、工藝、經(jīng)濟需求等情況進行簡明扼要的介紹。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、技術可行性評價等可以簡要但需全面的介紹。工藝流程部分需對數(shù)據(jù)的計算方法與公式的采用給予詳細的介紹。附件圖紙部分應對主要設備的各項參數(shù)給予詳細標識。附件部分也可將成本核算方法列出。工廠設計的最后部分為參考文獻目錄部分。生物化工專業(yè)工廠工藝設計中生物安全性與環(huán)境影響評價是有別于普通化學工程工廠工藝設計的顯著特點之一，需給予專門介紹。生物安全性與環(huán)境評價部分應對工廠工藝設計中可能存在的生物危害物種類與含量，針對此有害物設計上采用的工藝特點與設備操作特點等給予介紹。如果工廠設計的選題是生物安全防護要求不明確的新工藝，也需對建立其生物安全防護要求所需要的信息進行詳細的說明，說明實驗性防護合理方案。具有特殊活性的生物制品需進行說明，其對設備、設施設計以及操作過程的影響也需進行說明。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。中期檢查以會議展示答辯的方式進行效果較好，一方面可以給學生提供一個溝通交流的機會，另一方面可以通過指導教師、評閱教師以及其他參會人員的提問與學生的思考辯論，使工廠工藝設計更加合理。

工廠圖紙主要用于說明建筑以及工藝設施設備的布局。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計尤其重要，氣候風向、工廠周圍環(huán)境、生產(chǎn)中人員與設備的流動、換氣與溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)氣流方向等等因素均會影響產(chǎn)品品質(zhì)控制過程。因此增設適當?shù)腉MP車間標準方面的課程知識對于生物化工專業(yè)學生工程設計能力的提高非常有必要。工藝流程圖與生物反應器制圖是附件圖紙的另外兩個重要組成部分，分別對工藝流程中的管道內(nèi)外徑、壓力等工藝參數(shù)與反應器構(gòu)造參數(shù)進行圖示界定。

經(jīng)濟效益分析主要包括建廠資金投入額、年運行成本、產(chǎn)品生產(chǎn)成本、投資回報率等部分，并需說明每部分的計算方法與依據(jù)，對主要成本、提高投資回報率的計算方法等等均需列于附件部分。技術可行性部分一般列于工廠設計正文的最后，對現(xiàn)有技術的成熟度、原料與能量供應、技術以及相關設備的穩(wěn)定性與可靠性、潛在的主要技術風險、尚不明確的技術原理等等方面，均可廣泛查閱文獻資料以及與指導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 計算機輔助設計在生物化工專業(yè)工廠工藝設計中的作用

目前國內(nèi)多數(shù)高校生物化工專業(yè)工廠工藝設計對專業(yè)軟件的使用方面尚不普及，對計算機軟件的利用多數(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)過程中開設生物化工工藝流程計算機輔助設計相關課程對于工程設計能力的提升以及專業(yè)能力培養(yǎng)的現(xiàn)代化非常必要。計算機輔助工藝流程設計可快速對不同設計方案進行模擬與評價。多種軟件包可實現(xiàn)對工廠工藝的設計模擬優(yōu)化以及對單個工藝過程的模擬與選擇，比如對壓縮機、冷卻器、循環(huán)泵、酸堿泵等配件及其參數(shù)進行優(yōu)化選擇。目前比較流行的化學工程類計算機輔助工藝流程設計與模擬軟件，如CHEMSHARE、PROCEDE、CHEMCAD以及HYSIM等在生物化工工藝流程設計中的應用尚不廣泛，主要原因為生物反應過程自身特點以及對生物反應過程與體系的理化規(guī)律數(shù)據(jù)的缺乏，比如細胞的破碎過程、雙向萃取、蛋白沉淀等過程，在化學工程中沒有對應的反應以及工藝過程，對于以上生物反應過程的理化數(shù)據(jù)的缺乏，加上生物反應過程內(nèi)在的多變性也導致了數(shù)學模型建構(gòu)的高難度。目前生物化工專業(yè)工廠工藝設計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。在使用計算機輔助設計軟件前，學生應對軟件中采用的設計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特征，綜合兩方面的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，才能對計算機輔助設計的生物反應過程模擬數(shù)據(jù)結(jié)果做出正確且全面的評價。