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在人才培養中,遵循工程“實踐、集成與創新”的特征,將工程設計貫穿整個大學四年,其內容包括:產品設計、工藝設計、單元設計、設備設計、工廠設計,即要實現從分子到產品,從燒杯到工廠的整個過程。其中產品設計是工程設計的源頭,處于產品鏈的頂端;工藝設計是工程設計的靈魂,是產品競爭力的源泉;單元設計、設備設計是工程設計的基石,是生產實現的重要保障;工廠設計是工程設計的最終體現,是所有設計的系統集成。
2構建完善的工程設計課程體系
以強化學生的工程設計能力、實踐能力與創新能力為核心,重新修訂教學大綱,整合相關課程,對應工程設計內容體系,構建完善的工程設計課程體系。大一為工程設計啟蒙階段,以激發興趣為主,課程為生物工程(化學工程)概論;大二為單元設計和工程設計技能培訓階段,包含:化工原理、化工熱力學、化工制圖、化工儀表自動化;大三為產品設計、工藝設計和設備設計階段,包含:生物工程(化學工程)設備、分離工程、化工設計與模擬、工藝學課程(化工工藝學、發酵工程、制藥工藝學、釀酒工藝學等);大四為工廠設計和綜合實訓階段,主要進行生物工程(化學工程)工廠設計和畢業設計。為適應行業的需求和時展,在各課程教學中突出工程思維和工程方法學的同時,著力介紹行業規范、標準以及新產品、新工藝、新技術、新設備,并將計算機輔助制圖、計算機仿真模擬、計算機輔助設計作為主要技能進行培養。
3構建完整的工程設計實踐環節
工程設計是面向對象的綜合性實踐活動,只有突出實踐環節才能讓學生鍛煉能力、積累經驗、有所感悟。整個工程實踐環節包括化工AutoCAD制圖、化工原理課程設計、化工設計Aspen仿真模擬、生物工程(制藥工程)創新綜合性大實驗、湖北省化工設計大賽、全國“三井杯”化工設計大賽、全國大學生制藥工程設計競賽、生產實習、工廠設計項目、畢業設計。工程設計以校企組合的校內生產性實訓基地(如尿素仿真實訓平臺、啤酒發酵實訓基地、藥物制劑實訓平臺)和校外企業實習基地(如安琪酵母生物工程專業國家級工程實踐教育中心)為依托,注重選題的針對性(面向地方企業)、設計的規范性(符合行業標準)、操作的可行性(綠色、經濟與安全),并將化工設計競賽、制藥工程設計競賽融入人才培養的教學體系中,大力提高實踐教學環節的實效性。
4構建合適的工程設計評價體系和管理模式
工程設計的系統性、協作性較強,因此在工廠設計和畢業設計中采用小組制、導師制、課題制進行管理、操作和評價,以培養學生的團隊合作精神,即每小組5~7名學生和1~2名指導老師,每個學生完成每組設計項目下的一項子課題,最后采用學生答辯與互評、教師評價、企業專家點評等構成綜合評價體系。另外,建立健全激勵約束機制,考慮給予競賽獲獎和設計達優秀等級的學生相應的創新實踐學分,代替相關選修課的學分,以此激發更多的學生參與工程設計的學習。
5結語
1.1實驗試劑
乳酸發酵菌種:植物乳桿菌;發酵液500mL;電極室用水:0.3mol/L的Na2SO4溶液1000mL(陰極室和陽極室各500mL);酸室和堿室為蒸餾水。發酵培養基每升含:蛋白胨10g、牛肉膏10g、酵母粉5g、葡萄糖50g、乙酸鈉2g、檸檬酸二胺2g、吐溫-801g、磷酸氫二鉀2g、七水硫酸鎂0.2g、一水硫酸錳0.05g。
1.2實驗儀器
恒溫振蕩器、高壓蒸汽滅菌鍋、發酵罐、干燥箱、電子天平、pH計、生物傳感分析儀、分光光度計、冰柜。其他常規實驗器皿:燒杯、量筒、玻璃棒、酒精燈、接種環、培養皿、移液管等。直流穩壓電源;明道式電滲析膜堆一套,外配容量為1000mL的燒杯5只,硅膠管(約0.5m)10根;小型潛水泵5個。通過發酵罐控制主機箱上的蠕動泵,將雙極膜電滲析的堿液隔室與發酵罐進行連接。為了降低發酵罐中染雜菌的風險,必須對連接的管子進行滅菌操作。發酵罐內由pH計進行實時監測,當pH低于設定值時,由蠕動泵自動將雙極膜電滲析的堿液隔室中的堿液泵入發酵罐進行調節。由于軟管內是強堿環境,故堿液室與發酵罐之間的連接管不需要進行滅菌操作。
2實驗步驟
2.1雙極膜電滲析的準備
(1)組裝膜堆:按“陽極板—隔板—雙極膜—隔板—陰膜—隔板—陽膜—隔板—雙極膜—陰極板”順序組裝膜堆,用長螺桿釘壓緊膜堆。為了確保裝置的嚴密性,應使隔板之間的墊圈厚度不超過墊圈槽,并使雙極膜的陽膜側朝向陰極板。此外,在用螺釘壓緊裝置時,應注意均勻用力,以防止裝置變形甚至斷裂。
(2)連接設備:在隔板出口分別連接出水管和進水管。將進水管與外置燒杯中的潛水泵出口連接,將出水管的出口端連接到燒杯中,以確保循環通路暢通。
(3)注入料液和電極水:在鹽室中注入料液,在極室中注入電極水,在酸室和堿室中注入蒸餾水,此過程應保證料液淹沒潛水泵。對于雙極膜電滲析,應在實驗結束后將各個隔室、燒杯和潛水泵內的料液或電解質溶液清洗干凈。若長期不用,應將裝置拆卸還原,并確保各組件干燥和清潔。
2.2發酵過程的準備
(1)種子培養基的培養:配制一定量的種子培養基,并在高壓蒸汽滅菌鍋中滅菌。滅菌條件為:121℃,20min。待培養基冷卻至室溫后,取新鮮斜面菌種,接入種子培養基中,在轉速為150r/min的搖床中培養24h,溫度恒定在37℃。
(2)發酵罐滅菌:將配制好的發酵培養基加入到發酵罐中,此處應注意體積不能超過發酵罐總體積的2/3。然后將發酵罐和培養基一起放入滅菌鍋中進行滅菌。
(3)火焰接種法:先用醫用酒精擦拭接種口;在火圈中加入酒精,點燃后套在接種口上;關小空氣進氣閥,調節進風,降低罐壓,打開接種口蓋;在火焰范圍內打開種子培養基的瓶塞,在火焰上燒灼幾秒鐘后,迅速將種子液倒入發酵罐中;在火焰上燒灼接種口蓋子數秒后,迅速蓋好接種口蓋,關閉空氣進氣閥。
(4)發酵培養:接種結束后,對發酵培養過程的各項參數進行設定,開始培養。發酵過程中要打開冷凝器水閥。具體操作參數:轉速為150r/min;溫度為37℃;pH為6.7。
2.3發酵罐與雙極膜電滲析集成操作過程的監測
在集成操作過程中,要對發酵罐和雙極膜電滲析同時進行監測,防止任一方出現問題導致集成操作失敗。發酵過程:
①通過發酵罐的主機控制發酵的pH條件、溶氧濃度和實驗溫度。每1h記錄pH、溫度和溶氧濃度,通過數據判斷發酵過程是否正常;
②每4h測量殘余葡萄糖的量、生物量和乳酸的生成量,以判斷細菌的生長情況和乳酸的生成情況。雙極膜電滲析過程:
①雙極膜電滲析過程調整穩壓電源的電壓和電流值來控制實驗條件,每1h記錄電壓、電流。
②每4h測量酸室中的乳酸濃度、堿室濃度和堿室堿液體積。
3分析方法
3.1葡萄糖和乳酸的測量
在發酵過程中,要間斷地取樣進行監測。發酵液中含有有機酸鹽、無機鹽、菌絲體、蛋白質、脂肪和糖類等。雙極膜電滲析過程的料液是經過超濾和脫色之后的發酵液,主要成分為有機酸鹽(主要為乳酸鹽)和無機鹽類物質。實驗中使用生物傳感分析儀獲得葡萄糖和乳酸含量。
3.2生物量的測量
在發酵過程中,要及時監測乳酸菌的生長情況。取樣后,用0.3mol/L的稀鹽酸溶液稀釋,目的是消除一些沉淀性鹽的影響。在波長為600nm處,測量吸光度。對于產酸量(Na)、產堿量(Nb)以及它們各自的電流效率(ηa和ηb),可根據下面的公式計算
4實驗注意事項
(1)發酵實驗結束后,需要完成乳酸發酵液的初步提取工作。應及時向發酵罐中加入NaHCO3,使pH升高到10左右。同時升高溫度至90℃,使菌體和其他懸浮物下沉。發酵原液澄清后,將上清液收集到塑料桶中,放入冰柜中保存并用于下一步的提純。對澄清后的沉淀物集中進行處理。
(2)在利用發酵罐控制主機進行發酵液pH調節時,要控制堿液的添加速度,以使堿液與發酵液充分混合反應,并確保發酵液的pH不被調節得過高而影響微生物生長。
依據數理、化學內涵作為支撐媒介,進而深度聯合工業經濟基礎條件進行窺測,將化工單元操作和熱學、動力學原理進行深度融合,進而有力指導設備開發工作。化學工程主要隨著化學工業的過渡改造而形成,其中化學反應作為生產流程的核心內容,將為過程分析創設主動適應空間,將研究過程方向梳理完全;而化工熱力學條件作為單元反應的理論基礎,對于產品回收效率有著充分的界定要求,其將直接決定產品后期回收效率,對于產業經濟成本規模產生著重大影響效果。因此,在單元詳細操作流程中,技術人員可針對各類化工設備以及產品形態進行科學審視,由于傳遞流程作為單元操作、反應工程的支撐媒介,而化工產業在全新發展形態下需要落實核心催化技術,就必須聯合跨學科形態的戰略進行綜合比對、研究,爭取達到統一規劃標準格局。內部傳遞機制主要圍繞動力、熱能、產品質量元素闡述,這其實就是異質化單元內部反應裝置的物理演變過程。
另一方面,合成化學作為既定學科的核心要素,為設計主體開發大量非天然化合物質提供靈感經驗。在大量創新化合產物的影響下,有關化工產業基礎模型便開始順利過渡。信息技術為各類設備、工藝創造主動適應條件,整體上推動了行業的進步趨勢。這部分生產技術已經聯合各類深加工流程進行替換改造,需要化學工業不斷開發新型歸控技術,進而為既定產業規范效率和經濟成果提供適應條件。技術人員需要全面開發最為先進的協調處理細則,這是創新化學工藝改造流程的必要準則。整個技術開發活動利用市場導向機理進行布置,使得工業、商業化動機需求得到全面綻放。
二、化學工程、工藝試驗數據的科學搭配分析
傳統形態的化工實驗操作,內部數據排列機理相當復雜,整體活動延展下來,具體的人力、物力資源全面堆積。因為內部流程需要借助平行試驗進行掌控,特定數據處理重復性特征廣布。因此,必要時技術人員可依靠MATLAB軟件進行流程過渡,將人工演算過程中的數據限制因素調節完畢。這部分實驗流程是掌握化工研究方式的重要環節,整體流程較為漫長。所以,計算機信息技術便將這些復雜的演算流程進行智能模擬操作,并透過實驗要求建立必要的模型基礎,使得工藝技術管制范圍下的各類可行條件全面延展。化工產業講求專業實驗的引導價值,具體行動標準動機也是圍繞特地實驗點進行參數定量關系探索,進而將化工所需遵循的客觀規律羅列完整。
MATLAB軟件在整個研究過程中開辟引導先河,其將各類函數圖形進行輕松規劃,肅清細致符號演算和數值計算限制問題。這類軟件應用范圍較為廣闊,包括數字通訊和財務建模等內容。目前這類程序已經成為國際控制終端的必要支撐媒介,現場操作人員基本只需編寫某種數據處理程序,之后將原始數據輸入,就能輕松提煉相關實驗結果,將優質化數據和圖示模型展出。另外,涉及這方面人員素質的強化工作也相當重要。隨著技術創新和科技產業化的加快,環境保護意識的加強,必然會帶來對分析檢驗專業人才需求的上升,且無論在數量和質量上,都提出了新的要求。
三、結語