生物工程下游技术和生物工程设备课程融合教学改革初探

苏龙+詹萍+蒋德旗+张慧+林谦+邓平

摘 要：针对《生物工程下游技术》和《生物工程设备》课程的教学内容重复和传统教学方法的不足，作者根据生物产品下游提取的工艺流程对2门课程教学内容进行了优化整合。实践表明，整合优化的教学内容贴近生产实际，激发学生学习兴趣，有利于更好地培养出适应企业需求的应用型人才。

关键词：生物工程下游技术；生物工程设备；课程融合；教学改革

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

《生物工程下游技术》和《生物工程设备》是生物技术专业的2门专业选修课程，其在生物技术专业课程体系中具有非常重要的地位。我校的《生物工程下游技术》和《生物工程设备》安排的课时为34学时，期中生物工程下游技术单独开设18学时的实践课程，生物工程设备不设实验课程。目前，这2门课程由于实践性太强，而且這两门课程往往是分开在2个学期开设，加上课程内容的一些具体工艺和设备我校不具备，导致教学效果不佳，特别是生物工程设备这门课程在个别年级还存在不选修的现象。虽然目前有很多针对《生物工程下游技术》和《生物工程设备》这两门课程的教学改革[1-8]，但大部分是针对作者所在的教学单位，而不同的教学单位的教学资源、教学方法和学生总体水平都不一样；所报道的教学改革可能对作者所在的单位效果非常好，对其他单位不一定适用。针对该问题，笔者依托学校应用型大学转型的机遇，对生物工程下游技术和生物工程设备课程的理论教学内容和教学方法进行了改革与实践。

1 生物工程下游技术与生物工程设备课程教学融合一体化

生物工程下游技术课程内容主要讲述的是对于由生物界自然产生的或由微生物菌体发酵的、动植物细胞组织培养的、酶反应等各种生物工业生产过程获得的生物原料，经提取分离、加工并精制目的成分，最终使其成为产品的技术，侧重点在于产品提纯的工艺。目前，各校所使用的教材为《生物分离工程》、《生物工业下游技术》、《生物分离原理及技术》、《生物工程下游技术》、《生物分离技术》和《生物分离过程科学》等。生物工程设备课程以《生物过程工程与设备》《生物工程设备》和《生物反应器工程》等教材为主，主要介绍生物工业流程中所应用的设备的构造，类型及使用范畴等。生物工程下游技术教学内容以“理”为主，生物工程设备以“工”为重。在教学过程中发现，一方面学生对《生物工程下游技术》和《生物工程设备》学习积极性明显低于《微生物学》和《酒类工艺学》等课程的学习兴趣，另一方面，发现单独讲授“下游工程”和“设备”不利于学生对整个生物产品制备和生物工程设备的认识理解。因此，我们提出了按照生物产品下游提取提纯的工艺流程的顺序优化整合两门课程，进而形成新的教学内容。

以工业生产中“发酵液至产品”的产品纯化过程为纲，可将生物工程下游技术教学内容和生物工程设备教学内容在不同工艺阶段进行整合。具体内容如下。

第一章讲授生物工程下游技术大概的工艺流程已及涉及到的各种技术，具体包括发酵液及各种原料液的获得途径、生物工程技术在生物工业中的地位、下游技术总体发展概况等。此处将下游技术和生物设备的部分内容进行整合，讲授发酵液及各种原料液获得途径的过程中讲授设备中的各种生物反应器的发展概况、种类、构造原理、应用情况等，包括好气性生物反应器、嫌气性生物反应器、植物和动物细胞培养反应器、酶反应器、提取容器。

第二章讲授发酵液的预处理。先讲授生物工程下游技术教程中发酵液预处理的必要性和处理技术（加热法、絮凝、凝聚法等），再讲授原料液预处理过后所用到的技术及其设备。此处将下游技术和生物设备的部分内容进行整合，讲授预处理后的溶液处理用到的设备，这个章节主要介绍生物工程设备中离心设备的种类、原理、构造及应用情况，具体为（1）离心沉降设备（实验室用低中高速离心机、工业用的管式离心机、多室式离心机、碟片式离心机等），重点介绍工业上常用的人工排渣的碟片离心机，包括离心机的种类、构造原理及应用范围。（2）离心过滤设备（三足式过滤离心机、上悬式离心机、卧式刮刀卸料离心机等）重点介绍工业上常用的三足式过滤离心机，包括三足式过滤离心机的种类、构造原理及应用范围。（3）超高速离心机，简单介绍制备性超高速离心机和分析型超高速离心机。本章最后以谷氨酸的提纯为例子，讲授发酵液预处理及处理后离心操作；同时在生物工程下游技术实验课中安排相关内容。

第三章讲授细胞破碎与分离。根据工业生产流程，如生物产品为胞内产物，必须进行细胞破碎。本章内容重点将细胞破碎技术中用到的技术与生物设备结合，讲授机械破碎设备的同时介绍机械破碎技术，包括高压匀浆破碎、高速珠研磨破碎、超声波破碎等；此外，还介绍其它破碎方法，如物理破碎法、生物破碎法、化学破碎法。本章还讲授细胞破碎后碎片的分离，在前一章离心法分离的基础上介绍过滤分离法，包括实验室用抽滤设备、工业用真空转鼓过滤机等，重点介绍工业常用的板框压滤机，包括压滤机的原理，工作流程等。最后以肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体蛋白发酵的细胞为例讲述细胞破碎的技术，以啤酒过滤讲述板框压滤机的工作过程，同时配备相关动画演示，在生物工程下游技术实验课中安排啤酒糟板框过滤内容。

第四章为沉淀技术。这部分以生物工程下游技术内容为主，包括沉淀技术的发展概况、盐析沉淀法、有机溶剂沉淀法、等电点沉淀法、非离子型聚合物沉淀法、成盐类复合物沉淀、亲和沉淀法、选择性变性沉淀法，为使学生学习工艺的同时熟悉相关设备，我们提出在讲授各种沉淀法的同时简单介绍搅拌罐的结构，使工艺与设备同时呈现给学生。最后以等电点结合成盐类复合物沉淀法提纯四环素为例，使学生加深对沉淀技术的理解。

第五章为萃取技术。主要内容包括萃取原理、萃取方法（液液萃取、双水相萃取、超临界二氧化碳萃取等）、萃取影响因素、萃取过程。重点讲授工业常用的液液萃取工艺流程，同时详细介绍生物工程设备中的萃取罐，以及让学生复习前几章讲授过的分离设备。融合后的教学内容可避免课程内容的重复。最后以工业多级逆流萃取法提纯青霉素为例讲述液液萃取工艺技术。

第六章为吸附与离子交换技术。主要讲授吸附和离子交换技术的原理、工艺过程和应用范围。重点以讲授离子交换技术为主，包括发展概况、原理、影响因素、树脂类型和工艺过程，同时讲授固定床和流化床吸附工艺中所涉及到的吸附塔的构造。

第七章为膜分离技术。主要内容包括膜的发展历史、膜技术种类（透析、微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、渗透气化）、影响膜过滤的因素、膜组件的制备、膜的工业应用等。本章内容结合设备中的膜过滤设备，以板式纳滤膜为例，详细讲授纳滤膜组件的制备、纳滤过滤影响因素、膜过滤工艺过程、膜组件维护等。最后以工业微滤、超滤和纳滤提纯螺旋霉素为例讲述膜过滤在生物制品中的应用，以加深学生对膜过滤的理解。

第八章为色谱分离技术。这部分以生物工程下游技术内容为主，包括色谱的发展历程、吸附色谱、分配色谱、离子交换色谱、凝胶过滤色谱、亲和色谱的原理和操作工艺、工业应用范围，最后详细讲述制备型液相色谱的工作原理及分离工艺过程。

第九章为浓缩蒸发技术。这部分内容结合生物设备中的蒸发浓缩设备，包括浓缩蒸发的原理、蒸发分类，以啤酒麦汁煮沸锅为例，介绍常压浓缩设备的构造、工作原理、工作过程；以升降膜式蒸发器为例，介绍真空蒸发浓缩设备的构造、工作原理和工作过程，同时介绍升膜式蒸发器、降膜式蒸发器、刮板式薄膜蒸发器、离心薄膜蒸发器，并讲述它们之间的优缺点，结合蒸发浓缩技术进一步阐述蒸发浓缩设备在工业的应用范围及工艺过程，使下游工程的浓缩蒸发技术与浓缩蒸发设备形成有机结合，避免内容的重复。

第十章为结晶技术。这章节先介绍结晶的理论、结晶的条件、结晶过程、结晶影响因素等理论知识，随后结合生物工程设备教材中的结晶设备，讲授结晶设备的构造（包括浓缩结晶设备、冷却结晶设备、等电点结晶设备等）、工作原理、工作过程及应用条件。最后以谷氨酸结晶为例来进一步学生对结晶技术和结晶设备的理解。

第十一章为干燥粉碎技术。这部分内容先通过重点讲授喷雾干燥设备来阐述工业干燥的必要性、干燥的原理、干燥过程、干燥因素因素等，同时通过讲授箱式干燥器、气流干燥器真空干燥器、冷却干燥器来介绍其它干燥技术。最后讲授干燥产品的粉碎，包括锤式粉碎机、棍式粉碎机和湿法粉碎机的构造、原理、工作过程及其优缺点和应用范围。在讲授这部分内容的同时介绍其它物料前处理设备，如除杂设备（磁力除铁器、永磁滚筒等）。

另外，在生物工程下游技术实验课程内容设置上尽可能安排理论课堂上讲授的技术和设备，如利用学校小型啤酒生产线，让学生实际操作粉碎设备、嫌气发酵设备、糖化设备、浓缩设备，过滤设备等，利用食用红曲红色素的提纯实验，让学生在掌握萃取技术、浓缩技术、吸附技术和分析技术的同时，充分了解小型萃取设备、旋转蒸发器和箱式干燥箱干燥设备和固定床大孔树脂吸附设备等设备。

最后课程结束后，还要组织学生到当地的啤酒厂、制药厂、污水处理厂等企业参观，进一步加深对这两门课程内容的理解。

2 结语

通过对生物工程下游技术和生物工程设备课程内容整合优化教学改革，极大激发学生的学习兴趣，提高学生动手能力和创新能力，符合国家对本科院校应用型改革的发展，也能更好地培养出适应企业要求的应用型人才。

参考文献：

[1]廖春丽，朱涛，杨海波等.生物工程下游技术理论教学和实践教学相结合的探索[J].实验室科学，2011，14（01）：40-42.

[2]吴玉德，宋文超，翟登攀等.佳木斯大学生物工程下游技术课程理论与实验整合教学改革试验研究[J].科技信息，2011（23）：433-436.

[3]王俊，罗姮，屠洁等.产品工程背景下《生物工程下游技术》网络教学平台的构建与应用[J].轻工科技，2012（12）：157-158，160.

[4]张瑞平，裴俊青，张翠茹等.生物工程下游技术课程教学体会和改革初探[J].化工高等教育，2012，127（05）：89-91，108.

[5]吴子健，王素英.生物工程下游技术课程教学探讨[J].安徽农业科学，2015，43（26）：380-381.

[6]翟硕莉.案例教学在生物工程下游技术课程中的应用[J].农业科备，2015，251（05）：80-91.

[7]杨洋，韦小英，闫欲晓等.《生物工程设备》专业课建设的探索与实践[J].广西农业生物科学，2008（27）：94-96.

[8]马超，刘杰凤，周天等.《生物工程设备》课程建设与教学改革的探讨[J].化工时刊，2013，27（07）：56-58.

基金项目：广西高等教育本科教学改革工程项目（2015JGB351），玉林师范学院教师教育专项课题（2014XJJSJY14）

作者简介：苏龙（1978-），男，副教授，主要從事发酵工程、食品加工研究。