生物工程下游技術和生物工程設備課程融合教學改革初探論文
摘 要：針對《生物工程下游技術》和《生物工程設備》課程的教學內容重復和傳統(tǒng)教學方法的不足，作者根據(jù)生物產品下游提取的工藝流程對2門課程教學內容進行了優(yōu)化整合。實踐表明，整合優(yōu)化的教學內容貼近生產實際，激發(fā)學生學習興趣，有利于更好地培養(yǎng)出適應企業(yè)需求的應用型人才。
關鍵詞：生物工程下游技術；生物工程設備；課程融合；教學改革
《生物工程下游技術》和《生物工程設備》是生物技術專業(yè)的2門專業(yè)選修課程，其在生物技術專業(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》和《生物工程設備》安排的課時為34學時，期中生物工程下游技術單獨開設18學時的實踐課程，生物工程設備不設實驗課程。目前，這2門課程由于實踐性太強，而且這兩門課程往往是分開在2個學期開設，加上課程內容的一些具體工藝和設備我校不具備，導致教學效果不佳，特別是生物工程設備這門課程在個別年級還存在不選修的現(xiàn)象。雖然目前有很多針對《生物工程下游技術》和《生物工程設備》這兩門課程的教學改革[1—8]，但大部分是針對作者所在的教學單位，而不同的教學單位的教學資源、教學方法和學生總體水平都不一樣；所報道的教學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。針對該問題，筆者依托學校應用型大學轉型的機遇，對生物工程下游技術和生物工程設備課程的理論教學內容和教學方法進行了改革與實踐。
1 生物工程下游技術與生物工程設備課程教學融合一體化
生物工程下游技術課程內容主要講述的是對于由生物界自然產生的或由微生物菌體發(fā)酵的、動植物細胞組織培養(yǎng)的、酶反應等各種生物工業(yè)生產過程獲得的生物原料，經(jīng)提取分離、加工并精制目的成分，最終使其成為產品的技術，側重點在于產品提純的工藝。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》、《生物分離原理及技術》、《生物工程下游技術》、《生物分離技術》和《生物分離過程科學》等。生物工程設備課程以《生物過程工程與設備》《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，類型及使用范疇等。生物工程下游技術教學內容以“理”為主，生物工程設備以“工”為重。在教學過程中發(fā)現(xiàn)，一方面學生對《生物工程下游技術》和《生物工程設備》學習積極性明顯低于《微生物學》和《酒類工藝學》等課程的學習興趣，另一方面，發(fā)現(xiàn)單獨講授“下游工程”和“設備”不利于學生對整個生物產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品下游提取提純的工藝流程的順序優(yōu)化整合兩門課程，進而形成新的教學內容。
以工業(yè)生產中“發(fā)酵液至產品”的產品純化過程為綱，可將生物工程下游技術教學內容和生物工程設備教學內容在不同工藝階段進行整合。具體內容如下。
第一章講授生物工程下游技術大概的工藝流程已及涉及到的各種技術，具體包括發(fā)酵液及各種原料液的獲得途徑、生物工程技術在生物工業(yè)中的地位、下游技術總體發(fā)展概況等。此處將下游技術和生物設備的部分內容進行整合，講授發(fā)酵液及各種原料液獲得途徑的過程中講授設備中的各種生物反應器的發(fā)展概況、種類、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、植物和動物細胞培養(yǎng)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教程中發(fā)酵液預處理的必要性和處理技術（加熱法、絮凝、凝聚法等），再講授原料液預處理過后所用到的技術及其設備。此處將下游技術和生物設備的部分內容進行整合，講授預處理后的溶液處理用到的設備，這個章節(jié)主要介紹生物工程設備中離心設備的種類、原理、構造及應用情況，具體為（1）離心沉降設備（實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、構造原理及應用范圍。（2）離心過濾設備（三足式過濾離心機、上懸式離心機、臥式刮刀卸料離心機等）重點介紹工業(yè)上常用的三足式過濾離心機，包括三足式過濾離心機的.種類、構造原理及應用范圍。（3）超高速離心機，簡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)槔樱v授發(fā)酵液預處理及處理后離心操作；同時在生物工程下游技術實驗課中安排相關內容。
第三章講授細胞破碎與分離。根據(jù)工業(yè)生產流程，如生物產品為胞內產物，必須進行細胞破碎。本章內容重點將細胞破碎技術中用到的技術與生物設備結合，講授機械破碎設備的同時介紹機械破碎技術，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濾分離法，包括實驗室用抽濾設備、工業(yè)用真空轉鼓過濾機等，重點介紹工業(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，以啤酒過濾講述板框壓濾機的工作過程，同時配備相關動畫演示，在生物工程下游技術實驗課中安排啤酒糟板框過濾內容。
第四章為沉淀技術。這部分以生物工程下游技術內容為主，包括沉淀技術的發(fā)展概況、鹽析沉淀法、有機溶劑沉淀法、等電點沉淀法、非離子型聚合物沉淀法、成鹽類復合物沉淀、親和沉淀法、選擇性變性沉淀法，為使學生學習工藝的同時熟悉相關設備，我們提出在講授各種沉淀法的同時簡單介紹攪拌罐的結構，使工藝與設備同時呈現(xiàn)給學生。最后以等電點結合成鹽類復合物沉淀法提純四環(huán)素為例，使學生加深對沉淀技術的理解。
第五章為萃取技術。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、萃取過程。重點講授工業(yè)常用的液液萃取工藝流程，同時詳細介紹生物工程設備中的萃取罐，以及讓學生復習前幾章講授過的分離設備。融合后的教學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。
第六章為吸附與離子交換技術。主要講授吸附和離子交換技術的原理、工藝過程和應用范圍。重點以講授離子交換技術為主，包括發(fā)展概況、原理、影響因素、樹脂類型和工藝過程，同時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。主要內容包括膜的發(fā)展歷史、膜技術種類（透析、微濾、超濾、納濾、反滲透、電滲析、滲透氣化）、影響膜過濾的因素、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、納濾過濾影響因素、膜過濾工藝過程、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濾在生物制品中的應用，以加深學生對膜過濾的理解。
第八章為色譜分離技術。這部分以生物工程下游技術內容為主，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程。
第九章為濃縮蒸發(fā)技術。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，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、工作原理和工作過程，同時介紹升膜式蒸發(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，結合蒸發(fā)濃縮技術進一步闡述蒸發(fā)濃縮設備在工業(yè)的應用范圍及工藝過程，使下游工程的濃縮蒸發(fā)技術與濃縮蒸發(fā)設備形成有機結合，避免內容的重復。
第十章為結晶技術。這章節(jié)先介紹結晶的理論、結晶的條件、結晶過程、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、等電點結晶設備等）、工作原理、工作過程及應用條件。最后以谷氨酸結晶為例來進一步學生對結晶技術和結晶設備的理解。
第十一章為干燥粉碎技術。這部分內容先通過重點講授噴霧干燥設備來闡述工業(yè)干燥的必要性、干燥的原理、干燥過程、干燥因素因素等，同時通過講授箱式干燥器、氣流干燥器真空干燥器、冷卻干燥器來介紹其它干燥技術。最后講授干燥產品的粉碎，包括錘式粉碎機、棍式粉碎機和濕法粉碎機的構造、原理、工作過程及其優(yōu)缺點和應用范圍。在講授這部分內容的同時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實驗課程內容設置上盡可能安排理論課堂上講授的技術和設備，如利用學校小型啤酒生產線，讓學生實際操作粉碎設備、嫌氣發(fā)酵設備、糖化設備、濃縮設備，過濾設備等，利用食用紅曲紅色素的提純實驗，讓學生在掌握萃取技術、濃縮技術、吸附技術和分析技術的同時，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脂吸附設備等設備。
最后課程結束后，還要組織學生到當?shù)氐钠【茝S、制藥廠、污水處理廠等企業(yè)參觀，進一步加深對這兩門課程內容的理解。
2 結語
通過對生物工程下游技術和生物工程設備課程內容整合優(yōu)化教學改革，極大激發(fā)學生的學習興趣，提高學生動手能力和創(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(yǎng)出適應企業(yè)要求的應用型人才。
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