生物工程下游技術(shù)和生物工程設備課程融合教學(xué)改革初探論文
摘 要：針對《生物工程下游技術(shù)》和《生物工程設備》課程的教學(xué)內容重復和傳統教學(xué)方法的不足，作者根據生物產(chǎn)品下游提取的工藝流程對2門(mén)課程教學(xué)內容進(jìn)行了優(yōu)化整合。實(shí)踐表明，整合優(yōu)化的教學(xué)內容貼近生產(chǎn)實(shí)際，激發(fā)學(xué)生學(xué)習興趣，有利于更好地培養出適應企業(yè)需求的應用型人才。
關(guān)鍵詞：生物工程下游技術(shù)；生物工程設備；課程融合；教學(xué)改革
《生物工程下游技術(shù)》和《生物工程設備》是生物技術(shù)專(zhuān)業(yè)的2門(mén)專(zhuān)業(yè)選修課程，其在生物技術(shù)專(zhuān)業(yè)課程體系中具有非常重要的地位。我校的《生物工程下游技術(shù)》和《生物工程設備》安排的課時(shí)為34學(xué)時(shí)，期中生物工程下游技術(shù)單獨開(kāi)設18學(xué)時(shí)的實(shí)踐課程，生物工程設備不設實(shí)驗課程。目前，這2門(mén)課程由于實(shí)踐性太強，而且這兩門(mén)課程往往是分開(kāi)在2個(gè)學(xué)期開(kāi)設，加上課程內容的一些具體工藝和設備我校不具備，導致教學(xué)效果不佳，特別是生物工程設備這門(mén)課程在個(gè)別年級還存在不選修的現象。雖然目前有很多針對《生物工程下游技術(shù)》和《生物工程設備》這兩門(mén)課程的教學(xué)改革[1—8]，但大部分是針對作者所在的教學(xué)單位，而不同的教學(xué)單位的教學(xué)資源、教學(xué)方法和學(xué)生總體水平都不一樣；所報道的教學(xué)改革可能對作者所在的單位效果非常好，對其他單位不一定適用。針對該問(wèn)題，筆者依托學(xué)校應用型大學(xué)轉型的機遇，對生物工程下游技術(shù)和生物工程設備課程的理論教學(xué)內容和教學(xué)方法進(jìn)行了改革與實(shí)踐。
1 生物工程下游技術(shù)與生物工程設備課程教學(xué)融合一體化
生物工程下游技術(shù)課程內容主要講述的是對于由生物界自然產(chǎn)生的或由微生物菌體發(fā)酵的、動(dòng)植物細胞組織培養的、酶反應等各種生物工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程獲得的生物原料，經(jīng)提取分離、加工并精制目的成分，最終使其成為產(chǎn)品的技術(shù)，側重點(diǎn)在于產(chǎn)品提純的工藝。目前，各校所使用的教材為《生物分離工程》、《生物工業(yè)下游技術(shù)》、《生物分離原理及技術(shù)》、《生物工程下游技術(shù)》、《生物分離技術(shù)》和《生物分離過(guò)程科學(xué)》等。生物工程設備課程以《生物過(guò)程工程與設備》《生物工程設備》和《生物反應器工程》等教材為主，主要介紹生物工業(yè)流程中所應用的設備的構造，類(lèi)型及使用范疇等。生物工程下游技術(shù)教學(xué)內容以“理”為主，生物工程設備以“工”為重。在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現，一方面學(xué)生對《生物工程下游技術(shù)》和《生物工程設備》學(xué)習積極性明顯低于《微生物學(xué)》和《酒類(lèi)工藝學(xué)》等課程的學(xué)習興趣，另一方面，發(fā)現單獨講授“下游工程”和“設備”不利于學(xué)生對整個(gè)生物產(chǎn)品制備和生物工程設備的認識理解。因此，我們提出了按照生物產(chǎn)品下游提取提純的工藝流程的順序優(yōu)化整合兩門(mén)課程，進(jìn)而形成新的教學(xué)內容。
以工業(yè)生產(chǎn)中“發(fā)酵液至產(chǎn)品”的產(chǎn)品純化過(guò)程為綱，可將生物工程下游技術(shù)教學(xué)內容和生物工程設備教學(xué)內容在不同工藝階段進(jìn)行整合。具體內容如下。
第一章講授生物工程下游技術(shù)大概的工藝流程已及涉及到的各種技術(shù)，具體包括發(fā)酵液及各種原料液的獲得途徑、生物工程技術(shù)在生物工業(yè)中的地位、下游技術(shù)總體發(fā)展概況等。此處將下游技術(shù)和生物設備的部分內容進(jìn)行整合，講授發(fā)酵液及各種原料液獲得途徑的過(guò)程中講授設備中的各種生物反應器的發(fā)展概況、種類(lèi)、構造原理、應用情況等，包括好氣性生物反應器、嫌氣性生物反應器、植物和動(dòng)物細胞培養反應器、酶反應器、提取容器。
第二章講授發(fā)酵液的預處理。先講授生物工程下游技術(shù)教程中發(fā)酵液預處理的必要性和處理技術(shù)（加熱法、絮凝、凝聚法等），再講授原料液預處理過(guò)后所用到的技術(shù)及其設備。此處將下游技術(shù)和生物設備的部分內容進(jìn)行整合，講授預處理后的溶液處理用到的設備，這個(gè)章節主要介紹生物工程設備中離心設備的種類(lèi)、原理、構造及應用情況，具體為（1）離心沉降設備（實(shí)驗室用低中高速離心機、工業(yè)用的管式離心機、多室式離心機、碟片式離心機等），重點(diǎn)介紹工業(yè)上常用的人工排渣的碟片離心機，包括離心機的種類(lèi)、構造原理及應用范圍。（2）離心過(guò)濾設備（三足式過(guò)濾離心機、上懸式離心機、臥式刮刀卸料離心機等）重點(diǎn)介紹工業(yè)上常用的三足式過(guò)濾離心機，包括三足式過(guò)濾離心機的.種類(lèi)、構造原理及應用范圍。（3）超高速離心機，簡(jiǎn)單介紹制備性超高速離心機和分析型超高速離心機。本章最后以谷氨酸的提純?yōu)槔�，講授發(fā)酵液預處理及處理后離心操作；同時(shí)在生物工程下游技術(shù)實(shí)驗課中安排相關(guān)內容。
第三章講授細胞破碎與分離。根據工業(yè)生產(chǎn)流程，如生物產(chǎn)品為胞內產(chǎn)物，必須進(jìn)行細胞破碎。本章內容重點(diǎn)將細胞破碎技術(shù)中用到的技術(shù)與生物設備結合，講授機械破碎設備的同時(shí)介紹機械破碎技術(shù)，包括高壓勻漿破碎、高速珠研磨破碎、超聲波破碎等；此外，還介紹其它破碎方法，如物理破碎法、生物破碎法、化學(xué)破碎法。本章還講授細胞破碎后碎片的分離，在前一章離心法分離的基礎上介紹過(guò)濾分離法，包括實(shí)驗室用抽濾設備、工業(yè)用真空轉鼓過(guò)濾機等，重點(diǎn)介紹工業(yè)常用的板框壓濾機，包括壓濾機的原理，工作流程等。最后以腫瘤壞死因子相關(guān)凋亡誘導配體蛋白發(fā)酵的細胞為例講述細胞破碎的技術(shù)，以啤酒過(guò)濾講述板框壓濾機的工作過(guò)程，同時(shí)配備相關(guān)動(dòng)畫(huà)演示，在生物工程下游技術(shù)實(shí)驗課中安排啤酒糟板框過(guò)濾內容。
第四章為沉淀技術(shù)。這部分以生物工程下游技術(shù)內容為主，包括沉淀技術(shù)的發(fā)展概況、鹽析沉淀法、有機溶劑沉淀法、等電點(diǎn)沉淀法、非離子型聚合物沉淀法、成鹽類(lèi)復合物沉淀、親和沉淀法、選擇性變性沉淀法，為使學(xué)生學(xué)習工藝的同時(shí)熟悉相關(guān)設備，我們提出在講授各種沉淀法的同時(shí)簡(jiǎn)單介紹攪拌罐的結構，使工藝與設備同時(shí)呈現給學(xué)生。最后以等電點(diǎn)結合成鹽類(lèi)復合物沉淀法提純四環(huán)素為例，使學(xué)生加深對沉淀技術(shù)的理解。
第五章為萃取技術(shù)。主要內容包括萃取原理、萃取方法（液液萃取、雙水相萃取、超臨界二氧化碳萃取等）、萃取影響因素、萃取過(guò)程。重點(diǎn)講授工業(yè)常用的液液萃取工藝流程，同時(shí)詳細介紹生物工程設備中的萃取罐，以及讓學(xué)生復習前幾章講授過(guò)的分離設備。融合后的教學(xué)內容可避免課程內容的重復。最后以工業(yè)多級逆流萃取法提純青霉素為例講述液液萃取工藝技術(shù)。
第六章為吸附與離子交換技術(shù)。主要講授吸附和離子交換技術(shù)的原理、工藝過(guò)程和應用范圍。重點(diǎn)以講授離子交換技術(shù)為主，包括發(fā)展概況、原理、影響因素、樹(shù)脂類(lèi)型和工藝過(guò)程，同時(shí)講授固定床和流化床吸附工藝中所涉及到的吸附塔的構造。
第七章為膜分離技術(shù)。主要內容包括膜的發(fā)展歷史、膜技術(shù)種類(lèi)（透析、微濾、超濾、納濾、反滲透、電滲析、滲透氣化）、影響膜過(guò)濾的因素、膜組件的制備、膜的工業(yè)應用等。本章內容結合設備中的膜過(guò)濾設備，以板式納濾膜為例，詳細講授納濾膜組件的制備、納濾過(guò)濾影響因素、膜過(guò)濾工藝過(guò)程、膜組件維護等。最后以工業(yè)微濾、超濾和納濾提純螺旋霉素為例講述膜過(guò)濾在生物制品中的應用，以加深學(xué)生對膜過(guò)濾的理解。
第八章為色譜分離技術(shù)。這部分以生物工程下游技術(shù)內容為主，包括色譜的發(fā)展歷程、吸附色譜、分配色譜、離子交換色譜、凝膠過(guò)濾色譜、親和色譜的原理和操作工藝、工業(yè)應用范圍，最后詳細講述制備型液相色譜的工作原理及分離工藝過(guò)程。
第九章為濃縮蒸發(fā)技術(shù)。這部分內容結合生物設備中的蒸發(fā)濃縮設備，包括濃縮蒸發(fā)的原理、蒸發(fā)分類(lèi)，以啤酒麥汁煮沸鍋為例，介紹常壓濃縮設備的構造、工作原理、工作過(guò)程；以升降膜式蒸發(fā)器為例，介紹真空蒸發(fā)濃縮設備的構造、工作原理和工作過(guò)程，同時(shí)介紹升膜式蒸發(fā)器、降膜式蒸發(fā)器、刮板式薄膜蒸發(fā)器、離心薄膜蒸發(fā)器，并講述它們之間的優(yōu)缺點(diǎn)，結合蒸發(fā)濃縮技術(shù)進(jìn)一步闡述蒸發(fā)濃縮設備在工業(yè)的應用范圍及工藝過(guò)程，使下游工程的濃縮蒸發(fā)技術(shù)與濃縮蒸發(fā)設備形成有機結合，避免內容的重復。
第十章為結晶技術(shù)。這章節先介紹結晶的理論、結晶的條件、結晶過(guò)程、結晶影響因素等理論知識，隨后結合生物工程設備教材中的結晶設備，講授結晶設備的構造（包括濃縮結晶設備、冷卻結晶設備、等電點(diǎn)結晶設備等）、工作原理、工作過(guò)程及應用條件。最后以谷氨酸結晶為例來(lái)進(jìn)一步學(xué)生對結晶技術(shù)和結晶設備的理解。
第十一章為干燥粉碎技術(shù)。這部分內容先通過(guò)重點(diǎn)講授噴霧干燥設備來(lái)闡述工業(yè)干燥的必要性、干燥的原理、干燥過(guò)程、干燥因素因素等，同時(shí)通過(guò)講授箱式干燥器、氣流干燥器真空干燥器、冷卻干燥器來(lái)介紹其它干燥技術(shù)。最后講授干燥產(chǎn)品的粉碎，包括錘式粉碎機、棍式粉碎機和濕法粉碎機的構造、原理、工作過(guò)程及其優(yōu)缺點(diǎn)和應用范圍。在講授這部分內容的同時(shí)介紹其它物料前處理設備，如除雜設備（磁力除鐵器、永磁滾筒等）。
另外，在生物工程下游技術(shù)實(shí)驗課程內容設置上盡可能安排理論課堂上講授的技術(shù)和設備，如利用學(xué)校小型啤酒生產(chǎn)線(xiàn)，讓學(xué)生實(shí)際操作粉碎設備、嫌氣發(fā)酵設備、糖化設備、濃縮設備，過(guò)濾設備等，利用食用紅曲紅色素的提純實(shí)驗，讓學(xué)生在掌握萃取技術(shù)、濃縮技術(shù)、吸附技術(shù)和分析技術(shù)的同時(shí)，充分了解小型萃取設備、旋轉蒸發(fā)器和箱式干燥箱干燥設備和固定床大孔樹(shù)脂吸附設備等設備。
最后課程結束后，還要組織學(xué)生到當地的啤酒廠(chǎng)、制藥廠(chǎng)、污水處理廠(chǎng)等企業(yè)參觀(guān)，進(jìn)一步加深對這兩門(mén)課程內容的理解。
2 結語(yǔ)
通過(guò)對生物工程下游技術(shù)和生物工程設備課程內容整合優(yōu)化教學(xué)改革，極大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，提高學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng )新能力，符合國家對本科院校應用型改革的發(fā)展，也能更好地培養出適應企業(yè)要求的應用型人才。
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