生物工程工廠設(shè)計教學(xué)中循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念的實現(xiàn)論文
1 本科課程教學(xué)改革背景
廣東工業(yè)大學(xué)環(huán)境生物系始建于2003年，開設(shè)的生物工程專業(yè)具有雙語教學(xué)、PBL教學(xué)、環(huán)境生物創(chuàng)新實驗室、本科生導(dǎo)師制度等教學(xué)特色�！吧锕こ淘O(shè)備及工廠設(shè)計”課程設(shè)計作為該專業(yè)學(xué)生的專業(yè)方向選修課，具有設(shè)備形式多樣、實用性強(qiáng)、應(yīng)用面廣等特點，同時需要兼顧清潔生產(chǎn)、節(jié)能減排等環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用[1]。
生物工程設(shè)備及工廠設(shè)計課程具有綜合性、實踐性強(qiáng)的特點，近年來該課程教學(xué)團(tuán)隊開展了教學(xué)改革，已開發(fā)了原創(chuàng)的電子課件、設(shè)計圖紙、設(shè)備圖片、動畫、視頻資源。 通過教學(xué)改革實現(xiàn)了生物工程設(shè)備與工廠設(shè)計教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)整合，已初步建立課程教學(xué)的網(wǎng)上圖書館，可提供設(shè)計手冊等專業(yè)電子圖書下載，從課程講授到課程設(shè)計的教學(xué)環(huán)節(jié)基本可實現(xiàn)全過程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)[2]。
在國內(nèi)高校的生物工程專業(yè)教學(xué)中，普遍認(rèn)為課程設(shè)計應(yīng)注重綜合素質(zhì)、完善知識結(jié)構(gòu)、強(qiáng)化工程能力和工程素質(zhì)的培養(yǎng)[3—5]。 在本次教學(xué)改革中我們結(jié)合本專業(yè)的特點，強(qiáng)化了循環(huán)經(jīng)濟(jì)的“3R”原則（減量化、最小化和資源化）在課程設(shè)計中的應(yīng)用。 通過生態(tài)工業(yè)園區(qū)規(guī)劃與生物工程工廠設(shè)計的有機(jī)結(jié)合，并結(jié)合案例教學(xué)與建設(shè)網(wǎng)絡(luò)共享資源，為相關(guān)專業(yè)的課程設(shè)計教學(xué)提供了新的學(xué)習(xí)資源。
2 課程設(shè)計模型的構(gòu)建
在課程設(shè)計開始之前，本專業(yè)學(xué)生已在肇慶星湖、珠江啤酒等工廠進(jìn)行生產(chǎn)實習(xí)。 同時，教學(xué)團(tuán)隊成員具備廣東燕京啤酒有限公司、百威啤酒（佛山）有限公司等企業(yè)清潔生產(chǎn)審核項目經(jīng)驗。 結(jié)合學(xué)院背景和本專業(yè)特點，以及多年的教學(xué)和項目實踐經(jīng)驗基礎(chǔ)，教學(xué)團(tuán)隊在“生物工程設(shè)備及工廠設(shè)計”課程設(shè)計的教學(xué)中構(gòu)建了如下的教學(xué)模型：F市所在地區(qū)為南方山嶺重丘區(qū)，擬在本市西北方向20km處建設(shè)規(guī)劃面積為10000畝的“向日葵工業(yè)園”，該工業(yè)園以食品生物、機(jī)械電子、新型建材與輕紡服裝為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，規(guī)劃企業(yè)數(shù)共計200家，預(yù)期總?cè)丝诩s40萬（一期建設(shè)規(guī)劃企業(yè)數(shù)和人口按50%計）。 根據(jù)F市“十二五”有關(guān)規(guī)劃，預(yù)期F市在此期間人口增長速度為5%，GDP年增長率為12%；約束性指標(biāo)包括單位GDP能耗下降20%，主要污染物排放總量減少25%。
向日葵工業(yè)園位于A水庫壩下游10km，該水庫為年調(diào)節(jié)水庫，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為Ⅲ類，主要功能為城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉。 工業(yè)園西北方向為B河，B河位于A水庫下游，河水為Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。 全年風(fēng)向玫瑰圖主導(dǎo)風(fēng)向為東南風(fēng)，環(huán)境空氣功能區(qū)為二類區(qū)，聲環(huán)境功能區(qū)為3類，經(jīng)初步調(diào)查建設(shè)范圍內(nèi)無特殊敏感生態(tài)保護(hù)對象。
擬建工業(yè)園規(guī)劃處理量為50萬t/d的自來水廠（分2期建設(shè)，一期供水量為25萬t/d），取水來自A水庫。園區(qū)擬采用2×300MW循環(huán)流化床燃煤鍋爐進(jìn)行熱島集中供熱，（分2期建設(shè)，一期為300MW）。 擬建處理量為40萬t/d的園區(qū)污水集中處理廠，一期處理量為20萬t/d，達(dá)標(biāo)后排入B河，設(shè)計處理后再生水回用率為40%，主要用于熱電廠用水、園區(qū)綠化和部分企業(yè)生產(chǎn)用水。 一般固廢（煤渣、粉煤灰等）可用于園區(qū)內(nèi)建材企業(yè)作為生產(chǎn)原料，園區(qū)擬建設(shè)一座垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站，生活垃圾經(jīng)收集處理后運(yùn)往垃圾填埋場進(jìn)行衛(wèi)生填埋，園區(qū)內(nèi)危險廢物委托某有資質(zhì)的公司送省危險廢物處理中心進(jìn)行處置。
某中外合資企業(yè)擬選址于向日葵工業(yè)園，投資建設(shè)40萬t/a的啤酒生物工廠，項目一期建設(shè)產(chǎn)能為20萬t/a；該園區(qū)內(nèi)還擬投資建設(shè)某生物制藥廠生產(chǎn)青霉素等產(chǎn)品。 要求學(xué)生在課程設(shè)計中按照工業(yè)區(qū)循環(huán)經(jīng)濟(jì)布局，以及生物工廠技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析與清潔生產(chǎn)等要求，對該啤酒廠一期工程和生物制藥廠進(jìn)行工廠初步設(shè)計，包括廠內(nèi)物質(zhì)、能量的小循環(huán)，二次蒸汽節(jié)能設(shè)計、CO2回收系統(tǒng)、熱水回收設(shè)計、沼氣發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計、剩余污泥生物堆肥，及生態(tài)工業(yè)園區(qū)的的中循環(huán)（給排水管道布置、中水回用系統(tǒng)、蒸汽供應(yīng)設(shè)計）。
3 園區(qū)規(guī)劃體現(xiàn)區(qū)域?qū)用娴难h(huán)經(jīng)濟(jì)
在本次生物工程工廠設(shè)計中，結(jié)合本專業(yè)特色和學(xué)院背景，要求學(xué)生按照產(chǎn)業(yè)政策結(jié)構(gòu)調(diào)整目錄（2011年本），以及循環(huán)經(jīng)濟(jì)和行業(yè)規(guī)劃等要求，對生態(tài)工業(yè)園區(qū)進(jìn)行規(guī)劃布局，同時加強(qiáng)了工業(yè)園區(qū)配套設(shè)施的設(shè)計，進(jìn)行“三廢”集中治理和污染物區(qū)域總量控制，符合當(dāng)前產(chǎn)業(yè)升級對工廠設(shè)計的要求。
生態(tài)工業(yè)園區(qū)是依據(jù)循環(huán)經(jīng)濟(jì)理論和工業(yè)生態(tài)學(xué)原理，通過廢物交換、循環(huán)利用、清潔生產(chǎn)等手段，尋求物質(zhì)閉路循環(huán)、能量多級利用和廢物產(chǎn)生最小化，以實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的一種新型工業(yè)組織形態(tài)[6]。 從區(qū)域?qū)用婕訌?qiáng)規(guī)劃設(shè)計以促進(jìn)生態(tài)工業(yè)園區(qū)的“中循環(huán)”，與企業(yè)內(nèi)部廢物梯級利用的“小循環(huán)”相結(jié)合，是實現(xiàn)“零排放”，解決當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境矛盾的關(guān)鍵[7]。
在課程設(shè)計階段，我們要求學(xué)生結(jié)合地形地貌及氣象條件進(jìn)行工業(yè)新區(qū)的分區(qū)，進(jìn)行熱島、污水廠等基礎(chǔ)設(shè)施的布局，包括道路綠化和生態(tài)隔離帶等，繪制工業(yè)園區(qū)規(guī)劃分區(qū)布局圖。 設(shè)計中需考慮循環(huán)經(jīng)濟(jì)在園區(qū)層面的“中循環(huán)”：熱電廠產(chǎn)生的蒸汽可供應(yīng)啤酒廠和制藥廠，燃煤產(chǎn)生的粉煤灰可以作為園區(qū)內(nèi)新型建材企業(yè)的原料，生物工廠廢水處理后的中水可用于熱電廠的冷卻，這樣在熱電廠、啤酒廠和建材等企業(yè)之間形成了共生關(guān)系，保證了資源的合理利用。要求在課程設(shè)計中對區(qū)域?qū)用娴墓迷O(shè)施進(jìn)行重點設(shè)計：
1）園區(qū)給排水管網(wǎng)及蒸汽管網(wǎng)設(shè)計：從工業(yè)區(qū)上游的某水庫取水進(jìn)入自來水廠，進(jìn)行取水泵站和管道的設(shè)計，繪制工業(yè)區(qū)給排水、蒸汽管網(wǎng)管道布置圖。
2）熱能工程設(shè)計：2×300MW熱電廠一期工程設(shè)計，繪制熱電廠平面圖。
3）熱電廠廢氣處理設(shè)計：采用電除塵等技術(shù)進(jìn)行煙氣脫硫脫硝的設(shè)計，實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，繪制煙氣脫硫脫硝工藝流程圖。
4）廢水處理設(shè)計：設(shè)計40萬t/d的園區(qū)污水處理廠，結(jié)合本工業(yè)區(qū)廢水特點，設(shè)計和選擇適當(dāng)廢水處理工藝，繪制污水處理工藝流程圖。
5）工業(yè)區(qū)再生水回用系統(tǒng)設(shè)計：設(shè)計深度處理工藝，將園區(qū)污水處理廠達(dá)標(biāo)排放的廢水40%進(jìn)行回用，其中一半作為熱電廠冷卻用水，繪制再生水回用工藝流程圖。
4 工廠設(shè)計體現(xiàn)企業(yè)層面的循環(huán)經(jīng)濟(jì)
以生態(tài)工業(yè)園區(qū)內(nèi)某40萬t/a的啤酒廠一期工程和某生物制藥工廠為例，按照相關(guān)行業(yè)規(guī)劃和《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn) 啤酒制造業(yè) HJ/T183—2006》等設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，要求學(xué)生在設(shè)計中能夠從裝置大型化、加強(qiáng)全廠節(jié)能優(yōu)化、實現(xiàn)蒸汽逐級合理利用等方面，考慮到企業(yè)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)。 對工廠生產(chǎn)工藝流程以及相關(guān)生物工程設(shè)備進(jìn)行設(shè)計，在生產(chǎn)過程中減少能源、水和原料的使使用，減少各種廢物的排放。
4.1 40萬t/a啤酒生物工廠一期工程設(shè)計
4.1.1 工廠總圖布置、設(shè)計總量數(shù)據(jù)和工藝流程設(shè)計任務(wù)書要求對工廠總平面、道路、管線及綠化設(shè)計，以及廠內(nèi)外運(yùn)輸、道路規(guī)格、路面質(zhì)量、布置形式、運(yùn)輸機(jī)械、綠化方式等內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計，并重點考慮與工業(yè)園區(qū)管線的對接。 要求繪制全廠道路及綠化設(shè)計圖，風(fēng)向玫瑰圖、圖紙主要尺寸必須標(biāo)注清楚，廠內(nèi)綠化方式按園林布置規(guī)范進(jìn)行設(shè)計。工藝流程設(shè)計要求進(jìn)行物料衡算，繪制全廠總工藝流程圖、物料流程圖、水平衡圖、蒸汽平衡圖、耗冷量平衡圖、無菌空氣及抽真空量平衡圖等。 并對全廠污染源進(jìn)行計算、分析和匯總編制污染源匯總一覽表。
4.1.2 物料處理及輸送設(shè)備包括大米、麥芽原料倉與輸送設(shè)備設(shè)計，麥芽、大米濕法粉碎、輸送設(shè)備的相關(guān)計算，各工段固體、液體物料輸送設(shè)備的計算選型與匯總表，并繪制原料倉立面圖、大米、麥芽粉碎設(shè)備平面布置圖。 按有關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)能力進(jìn)行排氣筒設(shè)計及風(fēng)機(jī)選型，繪制麥芽、大米粉碎排氣筒剖面圖、泵裝配圖、泵安裝示意圖等。
4.1.3 重點車間（糖化及發(fā)酵）包括糊化、糖化、麥芽汁過濾工藝的相關(guān)計算、麥糟綜合利用、糊化工藝設(shè)計及設(shè)備的相關(guān)計算，繪制糊化鍋裝配圖、糖化鍋裝配圖和糊化、麥芽汁煮沸鍋、啤酒過濾設(shè)備、種子罐、啤酒發(fā)酵罐、儲酒罐等設(shè)備裝配圖，繪制糊化、糖化車間設(shè)備布置平面圖，車間柱網(wǎng)示意圖、立剖圖，車間管道布置圖等。 空氣過濾除菌系統(tǒng)的設(shè)計需要計算無菌壓縮空氣消耗量、抽真空量和進(jìn)行設(shè)備選型，并繪制空氣過濾除菌系統(tǒng)流程圖。 CIP自動清洗工藝設(shè)計需要計算滿足設(shè)備管道衛(wèi)生要求的清洗劑用量，繪制CIP自動清洗管道布置圖等。 技術(shù)中心相關(guān)設(shè)計包括總平面布置圖、實驗室所需檢測設(shè)備說明及匯總表。
4.1.4 廠內(nèi)公用工程供電工程設(shè)計包括工廠供電系統(tǒng)設(shè)計、全廠用電平衡圖、電表分布圖。 水處理工藝設(shè)計需計算全廠生產(chǎn)生活用水量，并進(jìn)行水處理單元的設(shè)備選型。 進(jìn)行全廠蒸汽用量計算、制冷與供冷系統(tǒng)設(shè)計，進(jìn)行全廠空調(diào)與制冷系統(tǒng)有關(guān)的設(shè)備、車間和辦公區(qū)域的空調(diào)計算和設(shè)計。
4.1.5 循環(huán)經(jīng)濟(jì)與“三廢”綜合利用專家指出在生物工程工廠的設(shè)計中，空氣凈化系統(tǒng)中空壓機(jī)的選型、冷卻水的合理使用、發(fā)酵罐的通氣攪拌系統(tǒng)等對節(jié)能具有重要意義[8]。 我們在課程設(shè)計中還要求學(xué)生進(jìn)行二次蒸汽節(jié)能設(shè)計，對全廠使用到的節(jié)能技術(shù)進(jìn)行設(shè)計和列表說明，并重點設(shè)計麥芽汁煮沸鍋二次蒸汽回收系統(tǒng)，繪制煮沸鍋二次蒸汽回收流程圖。 設(shè)計熱水貯罐對糖化工段用于冷卻煮沸麥汁的熱水的循環(huán)利用，繪制換熱器裝配圖。
廠內(nèi)廢水采用調(diào)節(jié)池/厭氧/好氧工藝處理，繪制污水/污泥處理工藝流程圖，并列表說明整個工廠產(chǎn)生的廢水來源、產(chǎn)生量、去向及應(yīng)達(dá)到的排放標(biāo)準(zhǔn)。
沼氣發(fā)電設(shè)計包括進(jìn)行廢水沼氣發(fā)電的相關(guān)計算，并對沼氣脫硫、沼氣鍋爐進(jìn)行重點選型計算和設(shè)計，繪制沼氣發(fā)電流程圖。 對啤酒發(fā)酵罐產(chǎn)生的CO2進(jìn)行回收和處理工藝設(shè)計，并用于儲酒罐背壓，繪制CO2回收凈化系統(tǒng)流程圖。
固廢的綜合利用方面需列出全廠固廢的處理方式，并重點設(shè)計工藝對廢酵母進(jìn)行綜合利用制作飼料，給出廢酵母利用流程圖。 對污水處理站排放的剩余污泥進(jìn)行有機(jī)肥堆肥處理，繪制剩余污泥有機(jī)堆肥裝置結(jié)構(gòu)圖。 需針對主要的噪聲污染設(shè)備，結(jié)合廠區(qū)布置，進(jìn)行設(shè)備布局與消聲、降振防噪等噪聲控制工程設(shè)計，使廠界和車間內(nèi)應(yīng)達(dá)到有關(guān)噪聲防治標(biāo)準(zhǔn)。
4.2 生物制藥工廠及廢水處理工藝設(shè)計
針對抗生素好氧發(fā)酵與啤酒厭氧發(fā)酵的不同，主要進(jìn)行5萬t/a青霉素生物工廠及廢水處理工藝設(shè)計，進(jìn)行物料、熱量、冷量、壓縮空氣量衡算衡算和工藝流程設(shè)計，繪制全廠總工藝流程圖、物料流程圖。
重點對原料預(yù)處理工段的液體培養(yǎng)基制備、發(fā)酵罐和萃取分離等生產(chǎn)設(shè)備，進(jìn)行物料衡算與設(shè)備選型，并繪制培養(yǎng)基連續(xù)滅菌流程圖、發(fā)酵罐及萃取分離設(shè)備裝配圖。 廢水處理包括全廠生產(chǎn)生活用水平衡，繪制廢水站污水/污泥處理工藝流程圖。
設(shè)計任務(wù)中對廠內(nèi)循環(huán)經(jīng)濟(jì)相關(guān)內(nèi)容的處理：
1）工廠設(shè)計的物料平衡與節(jié)能設(shè)計：生物工程工廠1平衡與物料平衡。 同時，在滿足產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，重視相關(guān)設(shè)備的.節(jié)能設(shè)計。
2）工廠設(shè)計與園區(qū)配套工程的關(guān)系：園區(qū)內(nèi)工廠的用水、用電、用氣、蒸汽、廢水處理等由生態(tài)工業(yè)園區(qū)配套工程提供支持，以實現(xiàn)規(guī)模效益與污染集中治理。
但在設(shè)計過程中應(yīng)按照相關(guān)設(shè)計規(guī)范和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)處理好對接關(guān)系（例如：工廠廢水處理站排放口、中水回用水質(zhì)與園區(qū)污水處理廠排放口應(yīng)執(zhí)行不同的標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計中應(yīng)選擇不同的工藝）。
5 教學(xué)效果評估
通過構(gòu)建生態(tài)工業(yè)園區(qū)的教學(xué)模型，將循環(huán)經(jīng)濟(jì)的抽象理論應(yīng)用于課程設(shè)計，結(jié)合本專業(yè)在環(huán)保方面的特色和優(yōu)勢，及時地將工廠初步設(shè)計階段對節(jié)能環(huán)保的要求有效地轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容。 設(shè)計過程中以設(shè)計小組為單位，每生一題，題目的設(shè)置圍繞生物工程設(shè)備及工廠設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容。 在完成課程設(shè)計的綜合訓(xùn)練后學(xué)生普遍反映良好，加強(qiáng)了應(yīng)用專業(yè)知識的能力，并提高了團(tuán)隊協(xié)作精神和工程設(shè)計技能。
教學(xué)改革中結(jié)合網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)平臺的建設(shè)，將課程設(shè)計與教學(xué)網(wǎng)站有機(jī)結(jié)合，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足，符合生物工程專業(yè)新型人才培養(yǎng)的要求，可有效克服課堂教學(xué)中信息量大，難于全面把握課程內(nèi)容的缺點[9]。 此外，用人單位反饋認(rèn)為本課程設(shè)計較好解決了理論與實踐脫節(jié)的難題，并通過精品課程的建設(shè)實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)資源共享，便于推廣示范和有助于學(xué)生理解和掌握工程設(shè)計技能。
6 展望
本次教學(xué)改革主要服務(wù)于高校生物工程專業(yè)的工廠設(shè)計課程教學(xué)，結(jié)合循環(huán)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)工業(yè)園區(qū)設(shè)計的原則，將工程技術(shù)和環(huán)保設(shè)計理念融合在“生物工程設(shè)備及工廠設(shè)計”教學(xué)過程中，全面拓展了教學(xué)內(nèi)容的廣度和縱深，形成了專業(yè)特色并具有推廣應(yīng)用價值。 針對目前該課程教學(xué)缺乏相關(guān)的教材與圖紙集等問題，正在編撰配套教材更好地輔助教學(xué)，今后課程建設(shè)將進(jìn)一步加強(qiáng)教學(xué)團(tuán)隊建設(shè)，并探索三維虛擬仿真技術(shù)在設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用。
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