生物工程下游技術和生物工程裝置課程融合教學改革初探論文
生物工程下游技術和生物工程裝置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《生物工程裝置》課程的教學內容重複和傳統教學方法的不足，作者根據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最佳化整合。實踐表明，整合最佳化的教學內容貼近生產實際，激發學生學習興趣，有利於更好地培養出適應企業需求的應用型人才。
關鍵詞：生物工程下游技術；生物工程裝置；課程融合；教學改革
《生物工程下游技術》和《生物工程裝置》是生物技術專業的2門專業選修課程，其在生物技術專業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《生物工程裝置》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，生物工程裝置不設實驗課程。目前，這2門課程由於實踐性太強，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裝置我校不具備，導致教學效果不佳，特別是生物工程裝置這門課程在個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》和《生物工程裝置》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，筆者依託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裝置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裝置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於由生物界自然產生的或由微生物菌體發酵的、動植物細胞組織培養的、酶反應等各種生物工業生產過程獲得的生物原料，經提取分離、加工並精製目的成分，最終使其成為產品的技術，側重點在於產品提純的工藝。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。生物工程裝置課程以《生物過程工程與裝置》《生物工程裝置》和《生物反應器工程》等教材為主，主要介紹生物工業流程中所應用的裝置的構造，型別及使用範疇等。生物工程下游技術教學內容以“理”為主，生物工程裝置以“工”為重。在教學過程中發現，一方面學生對《生物工程下游技術》和《生物工程裝置》學習積極性明顯低於《微生物學》和《酒類工藝學》等課程的學習興趣，另一方面，發現單獨講授“下游工程”和“裝置”不利於學生對整個生物產品製備和生物工程裝置的認識理解。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最佳化整合兩門課程，進而形成新的教學內容。
以工業生產中“發酵液至產品”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裝置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，具體包括髮酵液及各種原料液的獲得途徑、生物工程技術在生物工業中的地位、下游技術總體發展概況等。此處將下游技術和生物裝置的部分內容進行整合，講授發酵液及各種原料液獲得途徑的過程中講授裝置中的各種生物反應器的發展概況、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反應器、酶反應器、提取容器。
第二章講授發酵液的預處理。先講授生物工程下游技術教程中發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後所用到的技術及其裝置。此處將下游技術和生物裝置的部分內容進行整合，講授預處理後的溶液處理用到的裝置，這個章節主要介紹生物工程裝置中離心裝置的種類、原理、構造及應用情況，具體為（1）離心沉降裝置（實驗室用低中高速離心機、工業用的管式離心機、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、構造原理及應用範圍。（2）離心過濾裝置（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、構造原理及應用範圍。（3）超高速離心機，簡單介紹製備性超高速離心機和分析型超高速離心機。本章最後以穀氨酸的提純為例子，講授發酵液預處理及處理後離心操作；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。根據工業生產流程，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裝置結合，講授機械破碎裝置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後碎片的分離，在前一章離心法分離的基礎上介紹過濾分離法，包括實驗室用抽濾裝置、工業用真空轉鼓過濾機等，重點介紹工業常用的板框壓濾機，包括壓濾機的原理，工作流程等。最後以腫瘤壞死因子相關凋亡誘導配體蛋白髮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。
第四章為沉澱技術。這部分以生物工程下游技術內容為主，包括沉澱技術的發展概況、鹽析沉澱法、有機溶劑沉澱法、等電點沉澱法、非離子型聚合物沉澱法、成鹽類複合物沉澱、親和沉澱法、選擇性變性沉澱法，為使學生學習工藝的同時熟悉相關裝置，我們提出在講授各種沉澱法的同時簡單介紹攪拌罐的結構，使工藝與裝置同時呈現給學生。最後以等電點結合成鹽類複合物沉澱法提純四環素為例，使學生加深對沉澱技術的理解。
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。重點講授工業常用的液液萃取工藝流程，同時詳細介紹生物工程裝置中的萃取罐，以及讓學生複習前幾章講授過的分離裝置。融合後的教學內容可避免課程內容的重複。最後以工業多級逆流萃取法提純青黴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、工藝過程和應用範圍。重點以講授離子交換技術為主，包括髮展概況、原理、影響因素、樹脂型別和工藝過程，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、膜元件的製備、膜的工業應用等。本章內容結合裝置中的膜過濾裝置，以板式納濾膜為例，詳細講授納濾膜元件的製備、納濾過濾影響因素、膜過濾工藝過程、膜元件維護等。最後以工業微濾、超濾和納濾提純螺旋黴素為例講述膜過濾在生物製品中的應用，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、工業應用範圍，最後詳細講述製備型液相色譜的工作原理及分離工藝過程。
第九章為濃縮蒸發技術。這部分內容結合生物裝置中的蒸發濃縮裝置，包括濃縮蒸發的原理、蒸發分類，以啤酒麥汁煮沸鍋為例，介紹常壓濃縮裝置的構造、工作原理、工作過程；以升降膜式蒸發器為例，介紹真空蒸發濃縮裝置的構造、工作原理和工作過程，同時介紹升膜式蒸發器、降膜式蒸發器、刮板式薄膜蒸發器、離心薄膜蒸發器，並講述它們之間的優缺點，結合蒸發濃縮技術進一步闡述蒸發濃縮裝置在工業的應用範圍及工藝過程，使下游工程的濃縮蒸發技術與濃縮蒸發裝置形成有機結合，避免內容的重複。
第十章為結晶技術。這章節先介紹結晶的理論、結晶的條件、結晶過程、結晶影響因素等理論知識，隨後結合生物工程裝置教材中的結晶裝置，講授結晶裝置的構造（包括濃縮結晶裝置、冷卻結晶裝置、等電點結晶裝置等）、工作原理、工作過程及應用條件。最後以穀氨酸結晶為例來進一步學生對結晶技術和結晶裝置的理解。
第十一章為乾燥粉碎技術。這部分內容先透過重點講授噴霧乾燥裝置來闡述工業乾燥的必要性、乾燥的原理、乾燥過程、乾燥因素因素等，同時透過講授箱式乾燥器、氣流乾燥器真空乾燥器、冷卻乾燥器來介紹其它乾燥技術。最後講授乾燥產品的粉碎，包括錘式粉碎機、棍式粉碎機和溼法粉碎機的構造、原理、工作過程及其優缺點和應用範圍。在講授這部分內容的同時介紹其它物料前處理裝置，如除雜裝置（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定上儘可能安排理論課堂上講授的技術和裝置，如利用學校小型啤酒生產線，讓學生實際操作粉碎裝置、嫌氣發酵裝置、糖化裝置、濃縮裝置，過濾裝置等，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，充分了解小型萃取裝置、旋轉蒸發器和箱式乾燥箱乾燥裝置和固定床大孔樹脂吸附裝置等裝置。
最後課程結束後，還要組織學生到當地的啤酒廠、製藥廠、汙水處理廠等企業參觀，進一步加深對這兩門課程內容的理解。
2 結語
透過對生物工程下游技術和生物工程裝置課程內容整合最佳化教學改革，極大激發學生的學習興趣，提高學生動手能力和創新能力，符合國家對本科院校應用型改革的發展，也能更好地培養出適應企業要求的應用型人才。
參考文獻：
[1]廖春麗，朱濤，楊海波等。生物工程下游技術理論教學和實踐教學相結合的探索[J]。實驗室科學，2011，14（01）：40—42。
[2]吳玉德，宋文超，翟登攀等。佳木斯大學生物工程下游技術課程理論與實驗整合教學改革試驗研究[J]。科技資訊，2011（23）：433—436。
[3]王俊，羅姮，屠潔等。產品工程背景下《生物工程下游技術》網路教學平臺的構建與應用[J]。輕工科技，2012（12）：157—158，160。
[4]張瑞平，裴俊青，張翠茹等。生物工程下游技術課程教學體會和改革初探[J]。化工高等教育，2012，127（05）：89—91，108。
[5]吳子健，王素英。生物工程下游技術課程教學探討[J]。安徽農業科學，2015，43（26）：380—381。