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過程工業是進行物質轉化的所有工業過程的總稱,化學工業、石油煉制、能源、環境、冶金、材料、醫藥、農藥等都屬于過程工業。化學工程學在發展過程中不斷向其他科學技術領域滲透拓展,應用對象涵蓋了所有物質的物理、化學加工過程,使化學工程學上升至過程工程學。過程工程學是過程工業的科學基礎,研究對象是物質的化學、物理轉化過程,研究內容是物質的運動、傳遞、化學反應及其相互間的關系。[1]綠色過程工程涵蓋綠色化學與化工,成為綜合運用數學、物理、化學、化工、冶金、環境、醫藥、資源、能源、材料、生物、信息、人工智能等多學科知識與技術,研究物質轉化過程綠色化的綜合性科學與工程。[2]它依據環境-經濟兩種尺度對過程進行綜合優化,包括反應-分離等多序列的綜合,物質集成與能量集成,通過質量、熱量交換網絡-環境影響最小化的模擬設計來實現。從科學觀點看,它是過程工程內容的更新和提升;從環境觀點看,它是從源頭上消除污染,符合可持續發展的生態工業發展模式;從經濟觀點看,它符合利用資源、能源,降低成本,符合經濟可持續發展的要求。[1]綠色過程工程是人類和過程工業可持續發展的客觀要求。隨著綠色過程工程的發展,各國逐漸認識到對社會各階層,尤其是大中學校的學生進行綠色過程工程教育對綠色過程工程將來的發展至關重要。目前,我國社會各界對綠色過程工程的認識還很膚淺,應通過各種方式加強綠色過程工程的教育、宣傳、信息交流和人才培養工作。據調研,國內尚未開設綠色過程工程專業。化學、化工等過程工程相關專業課程在建設和改革中,應把綠色過程工程作為一個重要的研究內容,將綠色過程工程的思想貫穿于整個化學、化工的教學活動中,從而培養出具有較強綠色過程工程觀念的新一代高級人才。化學制藥工業屬流程工業,通過一系列物理、化學和生物加工過程,改變初始物料的物化性質,最終獲得藥物。其突出特點有:[3]產品更新快;生產工藝復雜,需用的原輔材料繁多;產品三廢(廢液、廢氣、廢渣)成分復雜,嚴重危害環境等。藥物的合成工藝路線不是唯一的,其選擇直接影響產品質量及生產成本。一個藥物的合成路線通常由若干個合成工序組成,每個合成工序通常包含若干個化學反應單元和分離、精制等單元操作。藥物的制備過程是各種化學單元反應和化工單元操作的有機組合和綜合應用。化學制藥工藝學是藥物開發和生產過程中,設計和研究經濟、安全、高效的化學合成工藝路線,研究工藝原理和工業生產過程,制定生產工藝規程,實現化學制藥生產過程最優化的一門科學。該課程的教學內容主要包括化學藥物合成工藝路線的設計和選擇、工藝條件研究、手性制藥、中試放大、生產工藝規程、化學制藥污染防治,以及化學制藥生產工藝實例。該課程是制藥工程專業本科教育的核心課程,為綠色過程工程教育提供了適宜載體。本文主要介紹在授課中強化綠色過程工程教育的總體設計思路和相關經驗。

一、重視案例教學,增強學生對制藥工藝綠色化的感性認識

采用綠色工藝、實行清潔生產是制藥工業的發展趨勢和必然選擇。為增強學生的感性認識,授課中可以適時引入幾個經典案例配合理論方面的講解,以期達到事半功倍的效果。美國女生物學家RachelCarson1962年出版了題為SilentSpring的專著。她告誡人們,DDT等農藥的使用導致鳥類數量急劇下降,使萬物復蘇的春天居然聽不到鳥鳴,成為“寂靜的春天”。該書揭示了環境問題的嚴重性,吹響了環境保護的號角。為了從化學和化工的源頭防止污染,以原子經濟反應為核心的綠色化學應運而生。本案例可以讓學生體會傳統制藥業忽視污染控制、破壞生態環境,竟成了催生綠色化學、綠色過程工程的重要因素;綠色化學是化學發展的必由之路,綠色過程工程是過程工業發展的必由之路,從而產生學習綠色過程工程原理與技術的自覺性。1984年12月3日凌晨,作為農藥生產原料的光氣溢出到印度博帕爾市(Bhopal)的人口密集地區,導致32萬人中毒、2500人直接死亡的嚴重后果,業界由此得到一個減免使用劇毒原料的警示信號。調查顯示在事故發生時,冷卻系統、溫度指示器、燃燒塔都不能起作用,這表明事故還與設計錯誤、疏于管理等有關。此案例讓學生體會到要提高工業過程的綠色度,一方面要采用無毒、無公害的合成或天然原料,從源頭上盡量減少甚至杜絕污染和危害;另一方面,必須從工藝和設備兩方面著手,大力研究和開發從整個工程鏈中消減污染的綠色工程技術,并強化生產系統的優化管理,提升員工素質。20世紀50年代,沙利度胺曾作為鎮靜劑用于緩解孕婦妊娠反應。1961年發現服用外消旋的沙利度胺(反應停)的孕婦產下了四肢呈海豹狀的畸形兒,累計致畸案例多達17000例,成為20世紀醫藥界最大的藥害事件。后來的研究表明,沙利度胺的致畸性是由(S)-異構體引起的。此案例能讓學生體會產品的綠色化是綠色過程工程的重要指標,綠色化工產品應對人類和環境無毒無害;若對映體具有不同的藥理活性,開發單一旋光異構體藥物符合綠色過程工程原理。

二、用綠色過程工程原理引導學生改變傳統的工程觀念,培養學生的“當代工程觀”

工程觀念的強弱和趨向直接決定著研究和工程技術人員的實踐能力,教學中應加強學生的工程觀教育,培養學生的責任意識和工程思維。工程觀是人們關于工程活動的基本理念,是認識和進行工程活動的指南。在當代學科交叉滲透的趨勢下形成的當代工程觀是對傳統工程觀的揚棄和超越。[4]傳統工程觀以科學理性和技術理性為主導,而對人文理性和生態優化較為忽視。當代工程觀把工程理解為生態循環系統中的生態社會現象,視生態環境為工程活動的內生因素,工程活動不但受生態環境的制約,而且應按照生態規律重塑生態活動的方式。[4]這與綠色過程工程的內涵一致,強化綠色過程工程教學,有利于貫徹當代工程觀教育,有助于培養對可持續發展具有強烈責任意識并具有良好創新素質的未來建設者和管理者。化學制藥工藝學是研究、優選符合大規模藥物生產的工藝路線和工藝條件,從而以最安全、最經濟、最切實可行的方式完成藥物制備的一門學科。生產工藝研究按研究階段可分為實驗室工藝研究、中試放大研究和工業生產工藝研究。該課程與生產實際緊密相關,適宜強化工程觀念教學。朱宏吉、元英進等指出,[5]制藥工藝學可指導學生完成制藥工程課程設計最基本、最核心的內容,即工藝計算和工藝流程的組織,使學生將符合GMP要求的制藥車間工程設計基本原則、制藥設備選型與設備結構的設計結合起來。筆者認為,通過本課程的學習,學生還應該學會按當代工程觀的要求,根據經濟合理、技術可行、環境友好的原則,選擇、優化藥物及中間體的制備工藝。實踐表明,強化綠色過程工程教育,對學生在制藥工程課程設計、畢業設計、畢業論文中選擇、設計綠色工藝具有非常突出的指導作用。據眾多學習過本課程的畢業生的反饋信息,不論他們是否從事制藥業,都能自覺運用綠色過程工程的觀念開展工程項目的開發、評價和實施,學生畢業后體會到了學習綠色過程工程原理的更大收獲。

三、強化綠色過程工程教育的教學設計

經過多年的摸索,緒論部分教學中引入生命周期評價(LCA)、[6]原子經濟性(AE)、[7,8]環境因子(EFactor)、[8-10]環境商(EQ)四個概念是必要的和可行的。[8-10]生命周期評價(LCA)是一種評價產品、工藝或活動,從原材料采集,到產品生產、運輸、銷售、使用、回用、維護和最終處置整個生命周期階段環境負荷的過程,是從“搖籃”到“墳墓”的過程。它首先辨識整個生命周期階段中能量、物質的消耗以及環境釋放,然后評價這些消耗和釋放對環境的影響,最后辨識和評價減少這些影響的機會。生命周期評價是實施綠色過程工程的重要工具。掌握生命周期評價的概念有助于學生從產品整個生命周期綜合思考新產品設計、新工藝開發和舊工藝改造,生命周期評價的概念為在授課過程中灌輸、剖析綠色過程工程原理提供了線索。傳統化學采用收率作為評價某化學反應過程或某一產品合成工藝優劣的標準,這種做法已沿用了上百年。只注重收率往往會忽略合成中使用或產生的不必要的化學品,收率指標難以反映廢物產生數量的多少,不足以完全反映原料的綜合利用效率。欲充分利用資源和消減廢棄物排放,只有使反應物分子中的原子盡可能多的進入目標產物中。B.M.Trost于1991年提出了原子經濟性(AE)概念,[7]為評價化工過程提供了強有力的工具。原子經濟反應處于綠色過程的核心地位。R.A.Sheldon提出了E因子和環境商(EQ)兩個概念分別用于快速評價反應過程中廢物產生的數量和廢物對環境產生的潛在影響。[9]R.A.Sheldon給出了傳統制藥業的E因子范圍常在25~100kg/kg,[8]遠高于煉油和大宗商品生產行業,這說明制藥業實施綠色過程工程技術任重道遠且正當其時,強化綠色過程工程教育是制藥業人才培養的內在要求。緒論部分在介紹綠色過程工程內涵的基礎上,著重辨析上述四個概念,生命周期評價為綠色過程工程教學提供了線索,其余概念則可直接服務于每一部分教學。依據制藥工藝學主要講授內容,總體教學設計如圖1所示,綠色過程工程教育是一個線索分明、重點突出的有機的整體。期望學生能夠學會科學的研究方法。例如,熱力學以經驗概況的熱力學第一、第二定律為基礎,經過嚴密的邏輯推理,建立了幾個熱力學函數,通過“狀態函數法”,即在相同的始終態間,能動地設計可計算的過程,解決了化學反應的方向和限度問題。理想氣體、理想溶液是實際氣體、實際溶液的理想化模型,實際氣體通過逸度、實際溶液通過活度進行相應校正,可以簡單地解決熱力學、動力學問題。

(一)通過公式的推導過程,培養學生嚴謹的邏輯思維物理化學課程公式繁多。對于有代表性的公式,授課中用板書逐步推導,一方面有利于學生理解和記憶,另一方面能教會學生處理問題的方法,培養嚴謹的邏輯思維能力。例如,在化學熱力學公式的推導過程中,每一步都可能引入限制條件,這種條件也是該公式的適用條件,使用過程中必須注意。在授課過程中,我強調它們之間的邏輯關系,注重學生思維的梳理。

(二)以聯系的觀點和類比的方法貫穿課程始終物理化學課程內容多,學時緊,學生常常感覺太難,抓不住重點。事實上,物理化學的研究體系非常完整,研究內容非常緊密。例如:熱力學內容以熱力學第一定律和第二定律為主線,在不同的體系中解決化學變化的方向和熱力學平衡問題。再如多組分體系,為了解決化學變化的方向問題,引入化學勢的概念,介紹從簡單的理想氣體到實際溶液中溶質、溶劑的化學勢的求法,然后根據集合公式,求出體系吉布斯函數的改變值,從而判斷化學變化的方向。

經過幾年的實踐,學生上課的狀態明顯好轉,考試平均成績明顯提高,不及格率降低了,考研的成績提高了,達到了預期教學效果。