生物工程下游技術(shù)和生物工程設(shè)備課程融合教學(xué)改革初探

蘇龍+詹萍+蔣德旗+張慧+林謙+鄧平

摘 要：針對(duì)《生物工程下游技術(shù)》和《生物工程設(shè)備》課程的教學(xué)內(nèi)容重復(fù)和傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足，作者根據(jù)生物產(chǎn)品下游提取的工藝流程對(duì)2門課程教學(xué)內(nèi)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(nèi)容貼近生產(chǎn)實(shí)際，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，有利于更好地培養(yǎng)出適應(yīng)企業(yè)需求的應(yīng)用型人才。

關(guān)鍵詞：生物工程下游技術(shù)；生物工程設(shè)備；課程融合；教學(xué)改革

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.252

《生物工程下游技術(shù)》和《生物工程設(shè)備》是生物技術(shù)專業(yè)的2門專業(yè)選修課程，其在生物技術(shù)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(shù)》和《生物工程設(shè)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(dú)開設(shè)18學(xué)時(shí)的實(shí)踐課程，生物工程設(shè)備不設(shè)實(shí)驗(yàn)課程。目前，這2門課程由于實(shí)踐性太強(qiáng)，而且這兩門課程往往是分開在2個(gè)學(xué)期開設(shè)，加上課程內(nèi)容的一些具體工藝和設(shè)備我校不具備，導(dǎo)致教學(xué)效果不佳，特別是生物工程設(shè)備這門課程在個(gè)別年級(jí)還存在不選修的現(xiàn)象。雖然目前有很多針對(duì)《生物工程下游技術(shù)》和《生物工程設(shè)備》這兩門課程的教學(xué)改革[1-8]，但大部分是針對(duì)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(bào)道的教學(xué)改革可能對(duì)作者所在的單位效果非常好，對(duì)其他單位不一定適用。針對(duì)該問題，筆者依托學(xué)校應(yīng)用型大學(xué)轉(zhuǎn)型的機(jī)遇，對(duì)生物工程下游技術(shù)和生物工程設(shè)備課程的理論教學(xué)內(nèi)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(shè)備課程教學(xué)融合一體化

生物工程下游技術(shù)課程內(nèi)容主要講述的是對(duì)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(xì)胞組織培養(yǎng)的、酶反應(yīng)等各種生物工業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)品的技術(shù)，側(cè)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《生物分離過程科學(xué)》等。生物工程設(shè)備課程以《生物過程工程與設(shè)備》《生物工程設(shè)備》和《生物反應(yīng)器工程》等教材為主，主要介紹生物工業(yè)流程中所應(yīng)用的設(shè)備的構(gòu)造，類型及使用范疇等。生物工程下游技術(shù)教學(xué)內(nèi)容以“理”為主，生物工程設(shè)備以“工”為重。在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，一方面學(xué)生對(duì)《生物工程下游技術(shù)》和《生物工程設(shè)備》學(xué)習(xí)積極性明顯低于《微生物學(xué)》和《酒類工藝學(xué)》等課程的學(xué)習(xí)興趣，另一方面，發(fā)現(xiàn)單獨(dú)講授“下游工程”和“設(shè)備”不利于學(xué)生對(duì)整個(gè)生物產(chǎn)品制備和生物工程設(shè)備的認(rèn)識(shí)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)化整合兩門課程，進(jìn)而形成新的教學(xué)內(nèi)容。

以工業(yè)生產(chǎn)中“發(fā)酵液至產(chǎn)品”的產(chǎn)品純化過程為綱，可將生物工程下游技術(shù)教學(xué)內(nèi)容和生物工程設(shè)備教學(xué)內(nèi)容在不同工藝階段進(jìn)行整合。具體內(nèi)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(shè)備的部分內(nèi)容進(jìn)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(shè)備中的各種生物反應(yīng)器的發(fā)展概況、種類、構(gòu)造原理、應(yīng)用情況等，包括好氣性生物反應(yīng)器、嫌氣性生物反應(yīng)器、植物和動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器、酶反應(yīng)器、提取容器。

第二章講授發(fā)酵液的預(yù)處理。先講授生物工程下游技術(shù)教程中發(fā)酵液預(yù)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(yù)處理過后所用到的技術(shù)及其設(shè)備。此處將下游技術(shù)和生物設(shè)備的部分內(nèi)容進(jìn)行整合，講授預(yù)處理后的溶液處理用到的設(shè)備，這個(gè)章節(jié)主要介紹生物工程設(shè)備中離心設(shè)備的種類、原理、構(gòu)造及應(yīng)用情況，具體為（1）離心沉降設(shè)備（實(shí)驗(yàn)室用低中高速離心機(jī)、工業(yè)用的管式離心機(jī)、多室式離心機(jī)、碟片式離心機(jī)等），重點(diǎn)介紹工業(yè)上常用的人工排渣的碟片離心機(jī)，包括離心機(jī)的種類、構(gòu)造原理及應(yīng)用范圍。（2）離心過濾設(shè)備（三足式過濾離心機(jī)、上懸式離心機(jī)、臥式刮刀卸料離心機(jī)等）重點(diǎn)介紹工業(yè)上常用的三足式過濾離心機(jī)，包括三足式過濾離心機(jī)的種類、構(gòu)造原理及應(yīng)用范圍。（3）超高速離心機(jī)，簡單介紹制備性超高速離心機(jī)和分析型超高速離心機(jī)。本章最后以谷氨酸的提純?yōu)槔?，講授發(fā)酵液預(yù)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(yàn)課中安排相關(guān)內(nèi)容。

第三章講授細(xì)胞破碎與分離。根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)流程，如生物產(chǎn)品為胞內(nèi)產(chǎn)物，必須進(jìn)行細(xì)胞破碎。本章內(nèi)容重點(diǎn)將細(xì)胞破碎技術(shù)中用到的技術(shù)與生物設(shè)備結(jié)合，講授機(jī)械破碎設(shè)備的同時(shí)介紹機(jī)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(xì)胞破碎后碎片的分離，在前一章離心法分離的基礎(chǔ)上介紹過濾分離法，包括實(shí)驗(yàn)室用抽濾設(shè)備、工業(yè)用真空轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)等，重點(diǎn)介紹工業(yè)常用的板框壓濾機(jī)，包括壓濾機(jī)的原理，工作流程等。最后以腫瘤壞死因子相關(guān)凋亡誘導(dǎo)配體蛋白發(fā)酵的細(xì)胞為例講述細(xì)胞破碎的技術(shù)，以啤酒過濾講述板框壓濾機(jī)的工作過程，同時(shí)配備相關(guān)動(dòng)畫演示，在生物工程下游技術(shù)實(shí)驗(yàn)課中安排啤酒糟板框過濾內(nèi)容。

第四章為沉淀技術(shù)。這部分以生物工程下游技術(shù)內(nèi)容為主，包括沉淀技術(shù)的發(fā)展概況、鹽析沉淀法、有機(jī)溶劑沉淀法、等電點(diǎn)沉淀法、非離子型聚合物沉淀法、成鹽類復(fù)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(xí)工藝的同時(shí)熟悉相關(guān)設(shè)備，我們提出在講授各種沉淀法的同時(shí)簡單介紹攪拌罐的結(jié)構(gòu)，使工藝與設(shè)備同時(shí)呈現(xiàn)給學(xué)生。最后以等電點(diǎn)結(jié)合成鹽類復(fù)合物沉淀法提純四環(huán)素為例，使學(xué)生加深對(duì)沉淀技術(shù)的理解。

第五章為萃取技術(shù)。主要內(nèi)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(diǎn)講授工業(yè)常用的液液萃取工藝流程，同時(shí)詳細(xì)介紹生物工程設(shè)備中的萃取罐，以及讓學(xué)生復(fù)習(xí)前幾章講授過的分離設(shè)備。融合后的教學(xué)內(nèi)容可避免課程內(nèi)容的重復(fù)。最后以工業(yè)多級(jí)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、工藝過程和應(yīng)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、樹脂類型和工藝過程，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(gòu)造。

第七章為膜分離技術(shù)。主要內(nèi)容包括膜的發(fā)展歷史、膜技術(shù)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(yīng)用等。本章內(nèi)容結(jié)合設(shè)備中的膜過濾設(shè)備，以板式納濾膜為例，詳細(xì)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(hù)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(yīng)用，以加深學(xué)生對(duì)膜過濾的理解。

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(nèi)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(yīng)用范圍，最后詳細(xì)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(shù)。這部分內(nèi)容結(jié)合生物設(shè)備中的蒸發(fā)濃縮設(shè)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(shè)備的構(gòu)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(shè)備的構(gòu)造、工作原理和工作過程，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(jié)合蒸發(fā)濃縮技術(shù)進(jìn)一步闡述蒸發(fā)濃縮設(shè)備在工業(yè)的應(yīng)用范圍及工藝過程，使下游工程的濃縮蒸發(fā)技術(shù)與濃縮蒸發(fā)設(shè)備形成有機(jī)結(jié)合，避免內(nèi)容的重復(fù)。

第十章為結(jié)晶技術(shù)。這章節(jié)先介紹結(jié)晶的理論、結(jié)晶的條件、結(jié)晶過程、結(jié)晶影響因素等理論知識(shí)，隨后結(jié)合生物工程設(shè)備教材中的結(jié)晶設(shè)備，講授結(jié)晶設(shè)備的構(gòu)造（包括濃縮結(jié)晶設(shè)備、冷卻結(jié)晶設(shè)備、等電點(diǎn)結(jié)晶設(shè)備等）、工作原理、工作過程及應(yīng)用條件。最后以谷氨酸結(jié)晶為例來進(jìn)一步學(xué)生對(duì)結(jié)晶技術(shù)和結(jié)晶設(shè)備的理解。

第十一章為干燥粉碎技術(shù)。這部分內(nèi)容先通過重點(diǎn)講授噴霧干燥設(shè)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(shí)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(shù)。最后講授干燥產(chǎn)品的粉碎，包括錘式粉碎機(jī)、棍式粉碎機(jī)和濕法粉碎機(jī)的構(gòu)造、原理、工作過程及其優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍。在講授這部分內(nèi)容的同時(shí)介紹其它物料前處理設(shè)備，如除雜設(shè)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(yàn)課程內(nèi)容設(shè)置上盡可能安排理論課堂上講授的技術(shù)和設(shè)備，如利用學(xué)校小型啤酒生產(chǎn)線，讓學(xué)生實(shí)際操作粉碎設(shè)備、嫌氣發(fā)酵設(shè)備、糖化設(shè)備、濃縮設(shè)備，過濾設(shè)備等，利用食用紅曲紅色素的提純實(shí)驗(yàn)，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(shè)備、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器和箱式干燥箱干燥設(shè)備和固定床大孔樹脂吸附設(shè)備等設(shè)備。

最后課程結(jié)束后，還要組織學(xué)生到當(dāng)?shù)氐钠【茝S、制藥廠、污水處理廠等企業(yè)參觀，進(jìn)一步加深對(duì)這兩門課程內(nèi)容的理解。

2 結(jié)語

通過對(duì)生物工程下游技術(shù)和生物工程設(shè)備課程內(nèi)容整合優(yōu)化教學(xué)改革，極大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，符合國家對(duì)本科院校應(yīng)用型改革的發(fā)展，也能更好地培養(yǎng)出適應(yīng)企業(yè)要求的應(yīng)用型人才。

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作者簡介：蘇龍（1978-），男，副教授，主要從事發(fā)酵工程、食品加工研究。