發(fā)酵罐在線滅菌模擬教學(xué)儀器在高職課程的應(yīng)用

康 偉，宋立軍，劉 建，張 建

（1.天津生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300462；2.天津市芯慧鴻業(yè)科技有限公司，天津 300384）

1 概述

生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)是高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)之一，隨著新冠病毒疫情的發(fā)展，越來越多的人開始重視生命健康，國家從新的高度上加大了生物醫(yī)藥的建設(shè)力度，尤其是疫苗、抗體、生物因子等制造倍受關(guān)注。隨著生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的重大變革，高新技術(shù)的細胞發(fā)酵和微生物發(fā)酵企業(yè)作為疫苗、抗體、生物因子的生產(chǎn)依托迅猛發(fā)展，數(shù)量顯著增加，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，科技水平不斷增高，這些企業(yè)對人才的需求不斷變化，急需大量熟練掌握發(fā)酵技術(shù)的人才補充市場。這對生物設(shè)備類的課程改革提出了新的挑戰(zhàn)。

高職類院校的生物制藥設(shè)備課程中，發(fā)酵設(shè)備是學(xué)習(xí)的重點，涉及發(fā)酵主體設(shè)備、能源支持設(shè)備以及附屬設(shè)施，是一個龐大的綜合性教學(xué)章節(jié)。目前，由于經(jīng)費和場地等原因，授課中教師局限性很大，不能做到人手一臺發(fā)酵罐進行練習(xí)，操作練習(xí)只能分組進行，少部分人操作，大部分人觀望，無法保證每個學(xué)生技能掌握的水平。很多院校為了解決實訓(xùn)設(shè)備缺乏的問題，采用了軟件模擬仿真進行彌補，缺乏真實性操作，只能看設(shè)備、講原理，學(xué)生看不到設(shè)備內(nèi)部任何設(shè)備信號傳導(dǎo)的動態(tài)變化，缺乏自主解決生產(chǎn)中發(fā)生的故障問題，學(xué)生的掌握能力懸在空中，無法落地。由于生物發(fā)酵企業(yè)制造環(huán)境要求嚴格，相應(yīng)的實習(xí)企業(yè)無法接受學(xué)生下廠實際操練。加上市場上又缺乏相應(yīng)的專用教學(xué)儀器，整體教學(xué)質(zhì)量有待提高。

為了全面貫徹黨的教育方針，落實立德樹人根本任務(wù)，解決當(dāng)前課程教學(xué)無法深入講解和新的教學(xué)手段缺失的矛盾。以好氧發(fā)酵罐為研究對象，對在線滅菌進行分析，提取實消的全過程參數(shù)變化，并制作成生物發(fā)酵罐半虛擬仿真教學(xué)儀器，然后將其投入到生物制藥設(shè)備課程教學(xué)中，檢驗其功效。

2 生物發(fā)酵罐控制系統(tǒng)半虛擬仿真儀器的結(jié)構(gòu)與功能

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

該教學(xué)儀器的控制器為Mega2560控制板，儀器的人機界面由三塊LCD1602 液晶顯示屏構(gòu)成。驅(qū)動控制器為電機驅(qū)動模塊，采用 TB6612FNG 驅(qū)動芯片。

2.2 功能說明

半虛擬仿真儀器模擬了生物發(fā)酵罐在線滅菌的操作過程，涉及pH 電極的標定、溶氧值的標定、溫度設(shè)定與變化的三個操作單元。

2.2.1 pH標定模塊

好氧發(fā)酵罐在線滅菌前，需要利用標準pH 液（4、7、10）對pH 電極進行標定。設(shè)計了三個固定數(shù)值（4、7、10）進行3個值得標定，先做酸堿度值4的標定，儀器模擬實際電極測量酸堿度的一個浮動數(shù)值（3.0～5.0），待顯示數(shù)值穩(wěn)定后，按確認健，將其數(shù)值糾正到4.0。然后做酸堿度值7的標定，儀器模擬實際電極測量酸堿度的一個浮動數(shù)值（6.0～8.0），待數(shù)值穩(wěn)定后，按確認健，將其數(shù)值糾正到7.0。最后做酸堿度值10的標定，儀器模擬實際電極測量酸堿度的一個浮動數(shù)值（9.0～11.0），待顯示數(shù)值穩(wěn)定后，按確認健，將其數(shù)值糾正到10.0。

2.2.2 溶氧標定模塊

溶氧值的標定，分為兩個階段，一個是在滅菌溫度達到最高（根據(jù)不同菌株的滅菌溫度而定），攪拌轉(zhuǎn)速最低（有的滅菌過程中攪拌轉(zhuǎn)速最低為零），最小通氣量（有的滅菌過程中通氣量為零）的時候標定零值；一個是在溫度降到發(fā)酵常態(tài)溫度后（根據(jù)不同菌株的最適發(fā)酵溫度而定），最大攪拌速度和最大通氣的條件下（各個菌株發(fā)酵需求不同）標定100%。設(shè)計了一個常用大腸桿菌的過程，當(dāng)滅菌溫度達到121℃時，溶氧值標定模塊啟動，設(shè)定最低轉(zhuǎn)速值為0，通氣量為0，模擬顯示出現(xiàn)一個浮動數(shù)值（0～5%），按確定鍵歸零，當(dāng)滅菌結(jié)束后溫度降至37℃，設(shè)定最高轉(zhuǎn)速值為1 000r/min，通氣量為20L/min（不同發(fā)酵設(shè)備不同），模擬顯示出現(xiàn)一個浮動數(shù)值（90%～100%），按確定鍵歸100%，整個溶氧標定過程完畢。

2.2.3 溫度變化模塊

設(shè)計了一個大腸桿菌的滅菌過程，溫度在啟動時從一般室溫25℃開始進行攀升，到達最高溫度121℃停止，開始計時，時間一般設(shè)定在20min（實際5min）結(jié)束。在這個階段，學(xué)生開始操作溶氧模塊的最低值的標定練習(xí)，溫度逐漸下降，達到60℃停止（此溫度為發(fā)酵罐滅菌結(jié)束警示溫度，部分發(fā)酵罐可能無此功能），學(xué)生按確認鍵，溫度繼續(xù)下降至37℃，在這個階段，學(xué)生開始操作溶氧模塊最高值的標定練習(xí)。

3 生物發(fā)酵罐半虛擬仿真教學(xué)儀器教學(xué)驗證

從天津生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院的生物制藥技術(shù)專業(yè)和藥品生物技術(shù)專業(yè)中各隨機抽取30名學(xué)生分成三個組，一組為實物練習(xí)組、二組為軟件模擬組、三組教學(xué)儀器組。每組學(xué)生先由教師針對設(shè)備進行演示和講解，然后分組進行練習(xí)，最后進行教學(xué)效果的調(diào)研。老師講解的設(shè)備為30L 德國貝朗全自動發(fā)酵罐，講解內(nèi)容為在線實消滅菌，練習(xí)階段一組采用30L德國貝朗發(fā)酵罐進行練習(xí)，二組采用學(xué)院自主開發(fā)的發(fā)酵罐模擬練習(xí)3D 軟件進行練習(xí)，三組采用研制的半虛擬仿真教學(xué)儀器進行練習(xí)。授課結(jié)束后通過同一標準化操作測試。第一組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。第二組90分以上的5人，80～90分的3人，70～80分的2人。第三組90分以上的8人，80～90分的2人。從實操成績的結(jié)果分析，如圖1所示；使用實體設(shè)備教學(xué)組成績明顯處于劣勢，使用半仿真教學(xué)儀器進行教學(xué)能夠有效提升學(xué)生對在線滅菌參數(shù)調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)效果。從三組學(xué)生學(xué)習(xí)滿意度調(diào)查反饋也能得到與此相似的結(jié)論，如圖2所示；使用半虛擬仿真儀教學(xué)儀器的學(xué)生，對教學(xué)形式比較認同，對參數(shù)的變化理解程度較高，標定操作比較熟練。而使用實體設(shè)備教學(xué)組的學(xué)生，由于操作人員較少，大部分同學(xué)理解程度不高。

圖1 操作測試分析表

圖2 教學(xué)滿意度調(diào)查

4 結(jié)論

本教學(xué)儀器通過模擬耗氧發(fā)酵罐在線滅菌全過程中的參數(shù)變化，使得學(xué)生對實消滅菌中的溫度變化，什么時間做pH電極的標定，什么時候做溶氧值的標定有了深入的理解和掌握。通過調(diào)研結(jié)果分析，實體設(shè)備教學(xué)的效果明顯不足，設(shè)備數(shù)量少，學(xué)生要實際演練的機會少之又少，大部分人是觀察學(xué)習(xí)，如果人手一套設(shè)備，投資很大，場地限制，能源供應(yīng)都是無法解決的問題，學(xué)生們的感性認識不夠深刻。完全靠軟件模擬學(xué)習(xí)，學(xué)生只是在感性認識上得到了提升，一旦接觸實物操作，存在很多的差異，教學(xué)效果不很理想。而通過半虛擬仿真教學(xué)儀器來進行教學(xué)，每個學(xué)生都能獲得操作的練習(xí)，認識度深刻，避免了昂貴的設(shè)備出現(xiàn)問題，使實訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)更具有經(jīng)濟性、安全性、可重復(fù)性，提高高等職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量。