地方院校“生物工藝學”課程教學方法的探索

趙宏宇，季 祥，鄭春麗，王 蕾，盧慶華，李雅麗，蔡 祿

（內蒙古科技大學 數理與生物工程學院，內蒙古 包頭 014010）

經過多年的發展，內蒙古自治區生物發酵制藥產業目前在呼和浩特、包頭、鄂爾多斯、烏海、巴盟及通遼、赤峰等周邊地區形成了在國內相對集中的大型生物發酵基地，分布著眾多規模較大的發酵制藥類生物工程企業，其生產噸位及規模位居全國第一。內蒙古科技大學生物工程專業建于2001年，考慮到市場需要大量的發酵工程技術人員，以服務地區經濟為目的，專業方向定位為發酵和制藥領域。經多年培育與發展，生物工程專業于2008年獲得內蒙古自治區同類專業中唯一的品牌專業榮譽稱號。在我校生物工程專業培養方案中，生物工藝學是一門專業骨干課程。

1 我校生物工程專業培養目標

國際經濟合作及發展組織在1982年提出，生物工藝學是應用自然科學及工程學的原理，依靠生物催化劑的作用將物料進行加工以提供產品或為社會服務的技術［1］。我校生物工藝學主要圍繞微生物發酵工藝展開講授，以探討生物產品生產過程的共性為目的，從工藝角度闡明細胞的生長和代謝產物的積累與細胞的培養條件之間的相互關系，為生產過程的優化提供理論基礎。開設的任務是使學生在已學過課程的基礎上，進一步深化和提高所學的基本知識，深入理解生產過程的工藝原理，懂得如何應用上述基本理論去分析和解決生產過程中的具體問題，改造原有的不合理的生產過程，使之更符合客觀規律。

我們在教學中，嘗試了多種教學方式，積極聽取了已畢業學生和企業的反饋意見，探索了單元操作與產品案例結合的教學方式以及課堂教學與實驗、實習等實踐教學環節有效銜接的改革。經多年實踐，證實對培養適應地方經濟發展的技術人才有積極作用。

2 傳統教學方式

2.1 單元操作教學方式

近年來國內生物工藝學課程的講授方式主要有2種，一種是類似于化工原理等課程，將生物產品生產過程簡單地劃分為幾個相對獨立單元操作，比如分為菌種、培養基、機理（好氧、厭氧）、pH控制、溫度控制、攪拌與溶氧控制等。但是生物產品生產過程與化工過程有著顯著的區別，化工過程單元相對獨立，而生物產品生產是一個完整而且連續的過程，比如，發酵培養基的配比會影響到滅菌效果、發酵過程的營養供給、菌種的生長、發酵過程各個參數的波動與控制、產品的得率、發酵液的特性、下游操作中產品的分離等，而且發酵過程中存在著混沌、非線性等效應，所以如果不考慮這些特性，簡單地將這些過程獨立講授，學生對于整體過程很難形成一個全面的理解。再如對于溶氧的控制方案，可以通過改變很多參數來達到目的：增大攪拌可以提高溶氧，但是剪切力也會增大，會對菌體產生損傷，而且一般企業中電動機和減速器是一檔，需要改造設備；提高通氣量會造成空氣過濾系統負荷增加，增大染菌的幾率，而且逃液現象明顯；若增大罐壓提高溶氧，會導致發酵液中二氧化碳濃度同時增加，有可能導致菌種呼吸異常中毒。因此，發酵工藝中，任何一個參數的調控都是一個度的問題，不存在越大越好或越小越好的情況，若只是孤立地講授某一單元，學生很難認識到發酵工藝控制是“牽一發而動全身”的操作。

2.2 典型產品工藝案例教學方式

典型產品工藝教學方式是國內另一種常見的生物工藝學教學方式，在這種教學中選取了幾種非常典型的產品作為代表來講授生物工藝的知識［2］，比如將生物過程分為抗生素、氨基酸、有機酸、酶制劑、啤酒等過程。這種教學方式的優點是學生可以全程認識到某一產品的生產工藝，但學生接受的知識面有限，對問題的認識可能存在片面性。比如講授氨基酸發酵時常以谷氨酸或者賴氨酸發酵為例，在發酵時如何控制發酵溫度，那么涉及到的冷卻方式只是豎式蛇管，但為什么做出這樣的選擇，常見的冷卻方式有哪些，在什么情況下選擇夾套、半圓管夾套、豎式蛇管、內部盤繞式蛇管，這些問題主要與菌種生物熱、攪拌熱、冷卻水進出水溫度等有關，具體要根據熱量衡算計算換熱面積來決定，學生很難全面認識到事物的根本所在。

3 單元操作與典型產品案例結合的教學

如何讓學生既能橫向地掌握各個操作過程原理工藝方法，又能縱向地熟悉整個發酵過程，是生物工藝學教學時的重點也是難點。基于微生物發酵生產的特點，將“生物工藝學”教學內容主要分為菌種、發酵機理、培養基及滅菌、種子擴培及發酵過程調控4個部分。以單元操作與發酵案例結合的教學方法，在課堂教學內容上強調工業微生物菌種選育和發酵過程中各類參數的控制等一些共性技術的部分，同時輔之以有代表性的產品的發酵工藝和方法的介紹，通過點面結合促進學生理解。比如：在講授培養基優化時，首先要講解優化的原則與方法，然后要從近年來發表的一些文獻中選取幾個典型的案例來說明常用的多因素實驗設計方法（正交試驗、響應面設計、均勻設計等），同時布置不同類型的作業，讓學生自己設計優化實驗方案；講授發酵工藝調控時，課堂上講授傳統的溫度、pH、攪拌與溶氧、消泡、染菌等主要參數的調控原理及工藝手段，同時將學生分小組布置小論文，要求學生查閱資料，完成一種典型發酵產品的詳細的生產工藝，并組織學生進行答辯。通過這樣一系列的教學，使學生在學習基本原理的同時，提高實際應用能力。實踐證明，這種教學方式下，學生學習更加積極、主動，幾乎每天都有學生不間斷地與任課教師進行交流探討，這雖然增加了任課教師的課外工作量，但是好的教學效果也讓教師樂在其中。

4 課堂教學與實驗教學結合

生物工藝學是實踐性非常強的一門課程，所以在課堂教學的同時，也應進一步強化實踐教學，借助一些工廠實際生產流程的資料結合實驗室條件開展一些實驗，進一步促進學生對于課程的理解和掌握［3-5］。通過課堂教學與實驗教學有機結合，促使學生掌握發酵工藝的基本原理、技術和方法，為學生將來進入發酵及相關行業工作及新產品開發打下基礎［6-8］。

我校與生物工藝學課程配套的實驗課程是發酵工藝實驗，該實驗獨立開課，共40課時，以大實驗體系開設，與生物工藝學理論課程同步協調進行，主要內容為抗生素發酵體系、酶制劑發酵及應用、氨基酸發酵體系。實驗教學的設計圍繞課程的核心，即發酵過程中的基本原理和參數控制展開。課堂教學與發酵工藝學實驗穿插進行，加深學生對課堂知識的掌握，訓練學生掌握從原料到產品的完整發酵過程，控制產品質量和經濟技術指標等，培養學生利用已學的基本原理解決實際問題的能力［9-11］。

以抗生素發酵體系為例，選擇金色鏈霉素作為生產菌株，模擬企業的生產工藝流程進行金霉素的發酵。首先將冷凍保藏的菌種活化進行傳代培養增加活性，選擇活性較高的菌株在搖瓶中制備發酵種子。每個小組進行獨立的搖瓶發酵，同時每個大組進行發酵罐發酵，在發酵過程中定時取樣，而且要求學生自行設計方案，根據過程檢查的溫度、pH、DO、殘糖等參數進行工藝調控。發酵結束后，測定發酵液中金霉素效價，最后進行金霉素的提取與精制，得到一定純度的成品金霉素［12］。該實驗體系前后連續性強，學生從活化菌種到最后得到成品金霉素共需要9d左右。在實驗過程中，具體操作及工藝調控方案由學生設計，學生除了與任課教師和實驗指導教師不斷地探討外，往往需要查閱大量的相關文獻。

5 課堂教學與實習結合

在制定培養方案的課程體系時，我校將生產實習安排在生物工藝學課程結課時開設。生產實習是對課堂學習的升華，通過對實際生產工藝流程的參觀，可以將生物工藝學課堂上的知識與實際的生產實踐結合起來，產生感官上的認識，加深對課堂理論內容的理解。

近年來生產實習安排2周時間，主要以參觀內蒙古西部地區發酵制藥企業的生產車間為主。對好氧發酵生產過程，主要在金河生物科技股份有限公司的金霉素發酵車間、石藥集團中潤制藥（內蒙古）有限公司的青霉素發酵車間實習；對厭氧發酵生產過程，主要在燕京啤酒（包頭雪鹿）股份有限公司的發酵車間、糖化車間參觀。每個企業實習3d左右，期間學生輪流安排在不同的崗位上進行學習。

6 多種教學方式結合的效果

經過生物工藝學多層級的教學改革，學生可以系統掌握微生物發酵生產過程。我校生物工程畢業生已成為內蒙古地區發酵制藥類企業最受歡迎的專業學生，近年來就業率年均保持在95%左右。企業對我們學生的評價是“專業知識扎實”、“上手快、留得住、后勁足”，短短幾年時間，部分學生已成為企業的高中層技術管理人員以及技術骨干人員。在我們的回訪中，多數學生（尤其是從事發酵生產相關的學生）認為生物工藝學為他們的工作儲備了重要的基礎理論知識。

7 結束語

生物工藝學的教學方式應以專業方向定位為出發點，將多種方法結合起來，既能培養學生全面理解發酵過程的工藝調控，又能提高學生對典型工藝的認識，為全面提升學生的專業知識與技能奠定良好的基礎。

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