生物工程工廠設計教學中循環經濟理念的實現論文
1 本科課程教學改革背景
廣東工業大學環境生物系始建于2003年，開設的生物工程專業具有雙語教學、PBL教學、環境生物創新實驗室、本科生導師制度等教學特色。“生物工程設備及工廠設計”課程設計作為該專業學生的專業方向選修課，具有設備形式多樣、實用性強、應用面廣等特點，同時需要兼顧清潔生產、節能減排等環境領域的應用[1]。
生物工程設備及工廠設計課程具有綜合性、實踐性強的特點，近年來該課程教學團隊開展了教學改革，已開發了原創的電子課件、設計圖紙、設備圖片、動畫、視頻資源。 通過教學改革實現了生物工程設備與工廠設計教學內容的系統整合，已初步建立課程教學的網上圖書館，可提供設計手冊等專業電子圖書下載，從課程講授到課程設計的教學環節基本可實現全過程網絡教學[2]。
在國內高校的生物工程專業教學中，普遍認為課程設計應注重綜合素質、完善知識結構、強化工程能力和工程素質的培養[3—5]。 在本次教學改革中我們結合本專業的特點，強化了循環經濟的“3R”原則（減量化、最小化和資源化）在課程設計中的應用。 通過生態工業園區規劃與生物工程工廠設計的有機結合，并結合案例教學與建設網絡共享資源，為相關專業的課程設計教學提供了新的學習資源。
2 課程設計模型的構建
在課程設計開始之前，本專業學生已在肇慶星湖、珠江啤酒等工廠進行生產實習。 同時，教學團隊成員具備廣東燕京啤酒有限公司、百威啤酒（佛山）有限公司等企業清潔生產審核項目經驗。 結合學院背景和本專業特點，以及多年的教學和項目實踐經驗基礎，教學團隊在“生物工程設備及工廠設計”課程設計的教學中構建了如下的教學模型：F市所在地區為南方山嶺重丘區，擬在本市西北方向20km處建設規劃面積為10000畝的“向日葵工業園”，該工業園以食品生物、機械電子、新型建材與輕紡服裝為主導產業，規劃企業數共計200家，預期總人口約40萬（一期建設規劃企業數和人口按50%計）。 根據F市“十二五”有關規劃，預期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%。
向日葵工業園位于A水庫壩下游10km，該水庫為年調節水庫，水質標準為Ⅲ類，主要功能為城市供水、農業灌溉。 工業園西北方向為B河，B河位于A水庫下游，河水為Ⅳ類水質標準。 全年風向玫瑰圖主導風向為東南風，環境空氣功能區為二類區，聲環境功能區為3類，經初步調查建設范圍內無特殊敏感生態保護對象。
擬建工業園規劃處理量為50萬t/d的自來水廠（分2期建設，一期供水量為25萬t/d），取水來自A水庫。園區擬采用2×300MW循環流化床燃煤鍋爐進行熱島集中供熱，（分2期建設，一期為300MW）。 擬建處理量為40萬t/d的園區污水集中處理廠，一期處理量為20萬t/d，達標后排入B河，設計處理后再生水回用率為40%，主要用于熱電廠用水、園區綠化和部分企業生產用水。 一般固廢（煤渣、粉煤灰等）可用于園區內建材企業作為生產原料，園區擬建設一座垃圾轉運站，生活垃圾經收集處理后運往垃圾填埋場進行衛生填埋，園區內危險廢物委托某有資質的公司送省危險廢物處理中心進行處置。
某中外合資企業擬選址于向日葵工業園，投資建設40萬t/a的啤酒生物工廠，項目一期建設產能為20萬t/a；該園區內還擬投資建設某生物制藥廠生產青霉素等產品。 要求學生在課程設計中按照工業區循環經濟布局，以及生物工廠技術經濟分析與清潔生產等要求，對該啤酒廠一期工程和生物制藥廠進行工廠初步設計，包括廠內物質、能量的小循環，二次蒸汽節能設計、CO2回收系統、熱水回收設計、沼氣發電系統設計、剩余污泥生物堆肥，及生態工業園區的的中循環（給排水管道布置、中水回用系統、蒸汽供應設計）。
3 園區規劃體現區域層面的循環經濟
在本次生物工程工廠設計中，結合本專業特色和學院背景，要求學生按照產業政策結構調整目錄（2011年本），以及循環經濟和行業規劃等要求，對生態工業園區進行規劃布局，同時加強了工業園區配套設施的設計，進行“三廢”集中治理和污染物區域總量控制，符合當前產業升級對工廠設計的要求。
生態工業園區是依據循環經濟理論和工業生態學原理，通過廢物交換、循環利用、清潔生產等手段，尋求物質閉路循環、能量多級利用和廢物產生最小化，以實現經濟社會和環境可持續發展的一種新型工業組織形態[6]。 從區域層面加強規劃設計以促進生態工業園區的“中循環”，與企業內部廢物梯級利用的“小循環”相結合，是實現“零排放”，解決當前經濟發展與環境矛盾的關鍵[7]。
在課程設計階段，我們要求學生結合地形地貌及氣象條件進行工業新區的分區，進行熱島、污水廠等基礎設施的布局，包括道路綠化和生態隔離帶等，繪制工業園區規劃分區布局圖。 設計中需考慮循環經濟在園區層面的“中循環”：熱電廠產生的蒸汽可供應啤酒廠和制藥廠，燃煤產生的粉煤灰可以作為園區內新型建材企業的原料，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之間形成了共生關系，保證了資源的合理利用。要求在課程設計中對區域層面的公用設施進行重點設計：
1）園區給排水管網及蒸汽管網設計：從工業區上游的某水庫取水進入自來水廠，進行取水泵站和管道的設計，繪制工業區給排水、蒸汽管網管道布置圖。
2）熱能工程設計：2×300MW熱電廠一期工程設計，繪制熱電廠平面圖。
3）熱電廠廢氣處理設計：采用電除塵等技術進行煙氣脫硫脫硝的設計，實現達標排放，繪制煙氣脫硫脫硝工藝流程圖。
4）廢水處理設計：設計40萬t/d的園區污水處理廠，結合本工業區廢水特點，設計和選擇適當廢水處理工藝，繪制污水處理工藝流程圖。
5）工業區再生水回用系統設計：設計深度處理工藝，將園區污水處理廠達標排放的廢水40%進行回用，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 工廠設計體現企業層面的循環經濟
以生態工業園區內某40萬t/a的啤酒廠一期工程和某生物制藥工廠為例，按照相關行業規劃和《中華人民共和國環境保護行業標準 清潔生產標準 啤酒制造業 HJ/T183—2006》等設計標準和規范，要求學生在設計中能夠從裝置大型化、加強全廠節能優化、實現蒸汽逐級合理利用等方面，考慮到企業的循環經濟。 對工廠生產工藝流程以及相關生物工程設備進行設計，在生產過程中減少能源、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計
4.1.1 工廠總圖布置、設計總量數據和工藝流程設計任務書要求對工廠總平面、道路、管線及綠化設計，以及廠內外運輸、道路規格、路面質量、布置形式、運輸機械、綠化方式等內容進行設計，并重點考慮與工業園區管線的對接。 要求繪制全廠道路及綠化設計圖，風向玫瑰圖、圖紙主要尺寸必須標注清楚，廠內綠化方式按園林布置規范進行設計。工藝流程設計要求進行物料衡算，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 物料處理及輸送設備包括大米、麥芽原料倉與輸送設備設計，麥芽、大米濕法粉碎、輸送設備的相關計算，各工段固體、液體物料輸送設備的計算選型與匯總表，并繪制原料倉立面圖、大米、麥芽粉碎設備平面布置圖。 按有關排放標準和生產能力進行排氣筒設計及風機選型，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（糖化及發酵）包括糊化、糖化、麥芽汁過濾工藝的相關計算、麥糟綜合利用、糊化工藝設計及設備的相關計算，繪制糊化鍋裝配圖、糖化鍋裝配圖和糊化、麥芽汁煮沸鍋、啤酒過濾設備、種子罐、啤酒發酵罐、儲酒罐等設備裝配圖，繪制糊化、糖化車間設備布置平面圖，車間柱網示意圖、立剖圖，車間管道布置圖等。 空氣過濾除菌系統的設計需要計算無菌壓縮空氣消耗量、抽真空量和進行設備選型，并繪制空氣過濾除菌系統流程圖。 CIP自動清洗工藝設計需要計算滿足設備管道衛生要求的清洗劑用量，繪制CIP自動清洗管道布置圖等。 技術中心相關設計包括總平面布置圖、實驗室所需檢測設備說明及匯總表。
4.1.4 廠內公用工程供電工程設計包括工廠供電系統設計、全廠用電平衡圖、電表分布圖。 水處理工藝設計需計算全廠生產生活用水量，并進行水處理單元的設備選型。 進行全廠蒸汽用量計算、制冷與供冷系統設計，進行全廠空調與制冷系統有關的設備、車間和辦公區域的空調計算和設計。
4.1.5 循環經濟與“三廢”綜合利用專家指出在生物工程工廠的設計中，空氣凈化系統中空壓機的選型、冷卻水的合理使用、發酵罐的通氣攪拌系統等對節能具有重要意義[8]。 我們在課程設計中還要求學生進行二次蒸汽節能設計，對全廠使用到的節能技術進行設計和列表說明，并重點設計麥芽汁煮沸鍋二次蒸汽回收系統，繪制煮沸鍋二次蒸汽回收流程圖。 設計熱水貯罐對糖化工段用于冷卻煮沸麥汁的熱水的循環利用，繪制換熱器裝配圖。
廠內廢水采用調節池/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生的廢水來源、產生量、去向及應達到的排放標準。
沼氣發電設計包括進行廢水沼氣發電的相關計算，并對沼氣脫硫、沼氣鍋爐進行重點選型計算和設計，繪制沼氣發電流程圖。 對啤酒發酵罐產生的CO2進行回收和處理工藝設計，并用于儲酒罐背壓，繪制CO2回收凈化系統流程圖。
固廢的綜合利用方面需列出全廠固廢的處理方式，并重點設計工藝對廢酵母進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行有機肥堆肥處理，繪制剩余污泥有機堆肥裝置結構圖。 需針對主要的噪聲污染設備，結合廠區布置，進行設備布局與消聲、降振防噪等噪聲控制工程設計，使廠界和車間內應達到有關噪聲防治標準。
4.2 生物制藥工廠及廢水處理工藝設計
針對抗生素好氧發酵與啤酒厭氧發酵的不同，主要進行5萬t/a青霉素生物工廠及廢水處理工藝設計，進行物料、熱量、冷量、壓縮空氣量衡算衡算和工藝流程設計，繪制全廠總工藝流程圖、物料流程圖。
重點對原料預處理工段的液體培養基制備、發酵罐和萃取分離等生產設備，進行物料衡算與設備選型，并繪制培養基連續滅菌流程圖、發酵罐及萃取分離設備裝配圖。 廢水處理包括全廠生產生活用水平衡，繪制廢水站污水/污泥處理工藝流程圖。
設計任務中對廠內循環經濟相關內容的處理：
1）工廠設計的物料平衡與節能設計：生物工程工廠1平衡與物料平衡。 同時，在滿足產品質量標準和清潔生產標準的前提下，重視相關設備的.節能設計。
2）工廠設計與園區配套工程的關系：園區內工廠的用水、用電、用氣、蒸汽、廢水處理等由生態工業園區配套工程提供支持，以實現規模效益與污染集中治理。
但在設計過程中應按照相關設計規范和設計標準處理好對接關系（例如：工廠廢水處理站排放口、中水回用水質與園區污水處理廠排放口應執行不同的標準，在設計中應選擇不同的工藝）。
5 教學效果評估
通過構建生態工業園區的教學模型，將循環經濟的抽象理論應用于課程設計，結合本專業在環保方面的特色和優勢，及時地將工廠初步設計階段對節能環保的要求有效地轉化為教學內容。 設計過程中以設計小組為單位，每生一題，題目的設置圍繞生物工程設備及工廠設計的教學內容。 在完成課程設計的綜合訓練后學生普遍反映良好，加強了應用專業知識的能力，并提高了團隊協作精神和工程設計技能。
教學改革中結合網絡輔助教學平臺的建設，將課程設計與教學網站有機結合，彌補了傳統教學模式的不足，符合生物工程專業新型人才培養的要求，可有效克服課堂教學中信息量大，難于全面把握課程內容的缺點[9]。 此外，用人單位反饋認為本課程設計較好解決了理論與實踐脫節的難題，并通過精品課程的建設實現了網絡資源共享，便于推廣示范和有助于學生理解和掌握工程設計技能。
6 展望
本次教學改革主要服務于高校生物工程專業的工廠設計課程教學，結合循環經濟和生態工業園區設計的原則，將工程技術和環保設計理念融合在“生物工程設備及工廠設計”教學過程中，全面拓展了教學內容的廣度和縱深，形成了專業特色并具有推廣應用價值。 針對目前該課程教學缺乏相關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，今后課程建設將進一步加強教學團隊建設，并探索三維虛擬仿真技術在設計教學中的應用。
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