生物工程下游技術(shù)和生物工程設(shè)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(shù)》和《生物工程設(shè)備》課程的教學內(nèi)容重復(fù)和傳統(tǒng)教學方法的不足，作者根據(jù)生物產(chǎn)品下游提取的工藝流程對2門課程教學內(nèi)容進行了優(yōu)化整合。實踐表明，整合優(yōu)化的教學內(nèi)容貼近生產(chǎn)實際，激發(fā)學生學習興趣，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；教學改革
《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》安排的課時為34學時，期中生物工程下游技術(shù)單獨開設(shè)18學時的實踐課程，生物工程設(shè)備不設(shè)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(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)致教學效果不佳，特別是生物工程設(shè)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(shù)》和《生物工程設(shè)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(yīng)用型大學轉(zhuǎn)型的機遇，對生物工程下游技術(shù)和生物工程設(shè)備課程的理論教學內(nèi)容和教學方法進行了改革與實踐。
1 生物工程下游技術(shù)與生物工程設(shè)備課程教學融合一體化
生物工程下游技術(shù)課程內(nèi)容主要講述的是對于由生物界自然產(chǎn)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(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》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)教學內(nèi)容以“理”為主，生物工程設(shè)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(shù)》和《生物工程設(shè)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(shè)備”不利于學生對整個生物產(chǎn)品制備和生物工程設(shè)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)化整合兩門課程，進而形成新的教學內(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)教學內(nèi)容和生物工程設(shè)備教學內(nèi)容在不同工藝階段進行整合。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、植物和動物細胞培養(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)容進行整合，講授預(yù)處理后的溶液處理用到的設(shè)備，這個章節(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(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、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(gòu)造原理及應(yīng)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(yù)處理及處理后離心操作；同時在生物工程下游技術(shù)實驗課中安排相關(guān)內(nèi)容。
第三章講授細胞破碎與分離。根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)流程，如生物產(chǎn)品為胞內(nèi)產(chǎn)物，必須進行細胞破碎。本章內(nèi)容重點將細胞破碎技術(shù)中用到的技術(shù)與生物設(shè)備結(jié)合，講授機械破碎設(shè)備的同時介紹機械破碎技術(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(chǔ)上介紹過濾分離法，包括實驗室用抽濾設(shè)備、工業(yè)用真空轉(zhuǎn)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(guān)凋亡誘導(dǎo)配體蛋白發(fā)酵的細胞為例講述細胞破碎的技術(shù)，以啤酒過濾講述板框壓濾機的工作過程，同時配備相關(guān)動畫演示，在生物工程下游技術(shù)實驗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(fù)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(guān)設(shè)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(jié)構(gòu)，使工藝與設(shè)備同時呈現(xiàn)給學生。最后以等電點結(jié)合成鹽類復(fù)合物沉淀法提純四環(huán)素為例，使學生加深對沉淀技術(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(shè)備中的萃取罐，以及讓學生復(fù)習前幾章講授過的分離設(shè)備。融合后的教學內(nèi)容可避免課程內(nèi)容的重復(fù)。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、工藝過程和應(yīng)用范圍。重點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(yīng)用，以加深學生對膜過濾的理解。
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(jié)合蒸發(fā)濃縮技術(shù)進一步闡述蒸發(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，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)晶為例來進一步學生對結(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、棍式粉碎機和濕法粉碎機的構(gòu)造、原理、工作過程及其優(yōu)缺點和應(yīng)用范圍。在講授這部分內(nèi)容的同時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)實驗課程內(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，如利用學校小型啤酒生產(chǎn)線，讓學生實際操作粉碎設(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驗，讓學生在掌握萃取技術(shù)、濃縮技術(shù)、吸附技術(shù)和分析技術(shù)的同時，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(nèi)容的理解。
2 結(jié)語
通過對生物工程下游技術(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(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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