发酵罐在线灭菌模拟教学仪器在高职课程的应用

康 伟，宋立军，刘 建，张 建

（1.天津生物工程职业技术学院，天津 300462；2.天津市芯慧鸿业科技有限公司，天津 300384）

1 概述

生物医药产业是高新技术的产业之一，随着新冠病毒疫情的发展，越来越多的人开始重视生命健康，国家从新的高度上加大了生物医药的建设力度，尤其是疫苗、抗体、生物因子等制造倍受关注。随着生物医药产业的重大变革，高新技术的细胞发酵和微生物发酵企业作为疫苗、抗体、生物因子的生产依托迅猛发展，数量显著增加，生产规模不断扩大，科技水平不断增高，这些企业对人才的需求不断变化，急需大量熟练掌握发酵技术的人才补充市场。这对生物设备类的课程改革提出了新的挑战。

高职类院校的生物制药设备课程中，发酵设备是学习的重点，涉及发酵主体设备、能源支持设备以及附属设施，是一个庞大的综合性教学章节。目前，由于经费和场地等原因，授课中教师局限性很大，不能做到人手一台发酵罐进行练习，操作练习只能分组进行，少部分人操作，大部分人观望，无法保证每个学生技能掌握的水平。很多院校为了解决实训设备缺乏的问题，采用了软件模拟仿真进行弥补，缺乏真实性操作，只能看设备、讲原理，学生看不到设备内部任何设备信号传导的动态变化，缺乏自主解决生产中发生的故障问题，学生的掌握能力悬在空中，无法落地。由于生物发酵企业制造环境要求严格，相应的实习企业无法接受学生下厂实际操练。加上市场上又缺乏相应的专用教学仪器，整体教学质量有待提高。

为了全面贯彻党的教育方针，落实立德树人根本任务，解决当前课程教学无法深入讲解和新的教学手段缺失的矛盾。以好氧发酵罐为研究对象，对在线灭菌进行分析，提取实消的全过程参数变化，并制作成生物发酵罐半虚拟仿真教学仪器，然后将其投入到生物制药设备课程教学中，检验其功效。

2 生物发酵罐控制系统半虚拟仿真仪器的结构与功能

2.1 结构设计

该教学仪器的控制器为Mega2560控制板，仪器的人机界面由三块LCD1602 液晶显示屏构成。驱动控制器为电机驱动模块，采用 TB6612FNG 驱动芯片。

2.2 功能说明

半虚拟仿真仪器模拟了生物发酵罐在线灭菌的操作过程，涉及pH 电极的标定、溶氧值的标定、温度设定与变化的三个操作单元。

2.2.1 pH标定模块

好氧发酵罐在线灭菌前，需要利用标准pH 液（4、7、10）对pH 电极进行标定。设计了三个固定数值（4、7、10）进行3个值得标定，先做酸碱度值4的标定，仪器模拟实际电极测量酸碱度的一个浮动数值（3.0～5.0），待显示数值稳定后，按确认健，将其数值纠正到4.0。然后做酸碱度值7的标定，仪器模拟实际电极测量酸碱度的一个浮动数值（6.0～8.0），待数值稳定后，按确认健，将其数值纠正到7.0。最后做酸碱度值10的标定，仪器模拟实际电极测量酸碱度的一个浮动数值（9.0～11.0），待显示数值稳定后，按确认健，将其数值纠正到10.0。

2.2.2 溶氧标定模块

溶氧值的标定，分为两个阶段，一个是在灭菌温度达到最高（根据不同菌株的灭菌温度而定），搅拌转速最低（有的灭菌过程中搅拌转速最低为零），最小通气量（有的灭菌过程中通气量为零）的时候标定零值；一个是在温度降到发酵常态温度后（根据不同菌株的最适发酵温度而定），最大搅拌速度和最大通气的条件下（各个菌株发酵需求不同）标定100%。设计了一个常用大肠杆菌的过程，当灭菌温度达到121℃时，溶氧值标定模块启动，设定最低转速值为0，通气量为0，模拟显示出现一个浮动数值（0～5%），按确定键归零，当灭菌结束后温度降至37℃，设定最高转速值为1 000r/min，通气量为20L/min（不同发酵设备不同），模拟显示出现一个浮动数值（90%～100%），按确定键归100%，整个溶氧标定过程完毕。

2.2.3 温度变化模块

设计了一个大肠杆菌的灭菌过程，温度在启动时从一般室温25℃开始进行攀升，到达最高温度121℃停止，开始计时，时间一般设定在20min（实际5min）结束。在这个阶段，学生开始操作溶氧模块的最低值的标定练习，温度逐渐下降，达到60℃停止（此温度为发酵罐灭菌结束警示温度，部分发酵罐可能无此功能），学生按确认键，温度继续下降至37℃，在这个阶段，学生开始操作溶氧模块最高值的标定练习。

3 生物发酵罐半虚拟仿真教学仪器教学验证

从天津生物工程职业技术学院的生物制药技术专业和药品生物技术专业中各随机抽取30名学生分成三个组，一组为实物练习组、二组为软件模拟组、三组教学仪器组。每组学生先由教师针对设备进行演示和讲解，然后分组进行练习，最后进行教学效果的调研。老师讲解的设备为30L 德国贝朗全自动发酵罐，讲解内容为在线实消灭菌，练习阶段一组采用30L德国贝朗发酵罐进行练习，二组采用学院自主开发的发酵罐模拟练习3D 软件进行练习，三组采用研制的半虚拟仿真教学仪器进行练习。授课结束后通过同一标准化操作测试。第一组90分以上的2人，80～90分的4人，70～80分的3人，60～70分的1人。第二组90分以上的5人，80～90分的3人，70～80分的2人。第三组90分以上的8人，80～90分的2人。从实操成绩的结果分析，如图1所示；使用实体设备教学组成绩明显处于劣势，使用半仿真教学仪器进行教学能够有效提升学生对在线灭菌参数调节学习效果。从三组学生学习满意度调查反馈也能得到与此相似的结论，如图2所示；使用半虚拟仿真仪教学仪器的学生，对教学形式比较认同，对参数的变化理解程度较高，标定操作比较熟练。而使用实体设备教学组的学生，由于操作人员较少，大部分同学理解程度不高。

图1 操作测试分析表

图2 教学满意度调查

4 结论

本教学仪器通过模拟耗氧发酵罐在线灭菌全过程中的参数变化，使得学生对实消灭菌中的温度变化，什么时间做pH电极的标定，什么时候做溶氧值的标定有了深入的理解和掌握。通过调研结果分析，实体设备教学的效果明显不足，设备数量少，学生要实际演练的机会少之又少，大部分人是观察学习，如果人手一套设备，投资很大，场地限制，能源供应都是无法解决的问题，学生们的感性认识不够深刻。完全靠软件模拟学习，学生只是在感性认识上得到了提升，一旦接触实物操作，存在很多的差异，教学效果不很理想。而通过半虚拟仿真教学仪器来进行教学，每个学生都能获得操作的练习，认识度深刻，避免了昂贵的设备出现问题，使实训教学环节更具有经济性、安全性、可重复性，提高高等职业教育教学质量。