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生物工程工廠(chǎng)設計教學(xué)中循環(huán)經(jīng)濟理念的實(shí)現論文
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(kāi)設的生物工程專(zhuān)業(yè)具有雙語(yǔ)教學(xué)、PBL教學(xué)、環(huán)境生物創(chuàng )新實(shí)驗室、本科生導師制度等教學(xué)特色�！吧锕こ淘O備及工廠(chǎng)設計”課程設計作為該專(zhuān)業(yè)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)方向選修課，具有設備形式多樣、實(shí)用性強、應用面廣等特點(diǎn)，同時(shí)需要兼顧清潔生產(chǎn)、節能減排等環(huán)境領(lǐng)域的應用[1]。
生物工程設備及工廠(chǎng)設計課程具有綜合性、實(shí)踐性強的特點(diǎn)，近年來(lái)該課程教學(xué)團隊開(kāi)展了教學(xué)改革，已開(kāi)發(fā)了原創(chuàng )的電子課件、設計圖紙、設備圖片、動(dòng)畫(huà)、視頻資源。 通過(guò)教學(xué)改革實(shí)現了生物工程設備與工廠(chǎng)設計教學(xué)內容的系統整合，已初步建立課程教學(xué)的網(wǎng)上圖書(shū)館，可提供設計手冊等專(zhuān)業(yè)電子圖書(shū)下載，從課程講授到課程設計的教學(xué)環(huán)節基本可實(shí)現全過(guò)程網(wǎng)絡(luò )教學(xué)[2]。
在國內高校的生物工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)中，普遍認為課程設計應注重綜合素質(zhì)、完善知識結構、強化工程能力和工程素質(zhì)的培養[3—5]。 在本次教學(xué)改革中我們結合本專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)，強化了循環(huán)經(jīng)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(guò)生態(tài)工業(yè)園區規劃與生物工程工廠(chǎng)設計的有機結合，并結合案例教學(xué)與建設網(wǎng)絡(luò )共享資源，為相關(guān)專(zhuān)業(yè)的課程設計教學(xué)提供了新的學(xué)習資源。
2 課程設計模型的構建
在課程設計開(kāi)始之前，本專(zhuān)業(yè)學(xué)生已在肇慶星湖、珠江啤酒等工廠(chǎng)進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)習。 同時(shí)，教學(xué)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(yè)清潔生產(chǎn)審核項目經(jīng)驗。 結合學(xué)院背景和本專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，以及多年的教學(xué)和項目實(shí)踐經(jīng)驗基礎，教學(xué)團隊在“生物工程設備及工廠(chǎng)設計”課程設計的教學(xué)中構建了如下的教學(xué)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(yè)園”，該工業(yè)園以食品生物、機械電子、新型建材與輕紡服裝為主導產(chǎn)業(yè)，規劃企業(yè)數共計200家，預期總人口約40萬(wàn)（一期建設規劃企業(yè)數和人口按50%計）。 根據F市“十二五”有關(guān)規劃，預期F市在此期間人口增長(cháng)速度為5%，GDP年增長(cháng)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(yè)園位于A(yíng)水庫壩下游10km，該水庫為年調節水庫，水質(zhì)標準為Ⅲ類(lèi)，主要功能為城市供水、農業(yè)灌溉。 工業(yè)園西北方向為B河，B河位于A(yíng)水庫下游，河水為Ⅳ類(lèi)水質(zhì)標準。 全年風(fēng)向玫瑰圖主導風(fēng)向為東南風(fēng)，環(huán)境空氣功能區為二類(lèi)區，聲環(huán)境功能區為3類(lèi)，經(jīng)初步調查建設范圍內無(wú)特殊敏感生態(tài)保護對象。
擬建工業(yè)園規劃處理量為50萬(wàn)t/d的自來(lái)水廠(chǎng)（分2期建設，一期供水量為25萬(wàn)t/d），取水來(lái)自A水庫。園區擬采用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，一期為300MW）。 擬建處理量為40萬(wàn)t/d的園區污水集中處理廠(chǎng)，一期處理量為20萬(wàn)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(chǎng)用水、園區綠化和部分企業(yè)生產(chǎn)用水。 一般固廢（煤渣、粉煤灰等）可用于園區內建材企業(yè)作為生產(chǎn)原料，園區擬建設一座垃圾轉運站，生活垃圾經(jīng)收集處理后運往垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行衛生填埋，園區內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40萬(wàn)t/a的啤酒生物工廠(chǎng)，項目一期建設產(chǎn)能為20萬(wàn)t/a；該園區內還擬投資建設某生物制藥廠(chǎng)生產(chǎn)青霉素等產(chǎn)品。 要求學(xué)生在課程設計中按照工業(yè)區循環(huán)經(jīng)濟布局，以及生物工廠(chǎng)技術(shù)經(jīng)濟分析與清潔生產(chǎn)等要求，對該啤酒廠(chǎng)一期工程和生物制藥廠(chǎng)進(jìn)行工廠(chǎng)初步設計，包括廠(chǎng)內物質(zhì)、能量的小循環(huán)，二次蒸汽節能設計、CO2回收系統、熱水回收設計、沼氣發(fā)電系統設計、剩余污泥生物堆肥，及生態(tài)工業(yè)園區的的中循環(huán)（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(huán)經(jīng)濟
在本次生物工程工廠(chǎng)設計中，結合本專(zhuān)業(yè)特色和學(xué)院背景，要求學(xué)生按照產(chǎn)業(yè)政策結構調整目錄（2011年本），以及循環(huán)經(jīng)濟和行業(yè)規劃等要求，對生態(tài)工業(yè)園區進(jìn)行規劃布局，同時(shí)加強了工業(yè)園區配套設施的設計，進(jìn)行“三廢”集中治理和污染物區域總量控制，符合當前產(chǎn)業(yè)升級對工廠(chǎng)設計的要求。
生態(tài)工業(yè)園區是依據循環(huán)經(jīng)濟理論和工業(yè)生態(tài)學(xué)原理，通過(guò)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(shí)現經(jīng)濟社會(huì )和環(huán)境可持續發(fā)展的一種新型工業(yè)組織形態(tài)[6]。 從區域層面加強規劃設計以促進(jìn)生態(tài)工業(yè)園區的“中循環(huán)”，與企業(yè)內部廢物梯級利用的“小循環(huán)”相結合，是實(shí)現“零排放”，解決當前經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境矛盾的關(guān)鍵[7]。
在課程設計階段，我們要求學(xué)生結合地形地貌及氣象條件進(jìn)行工業(yè)新區的分區，進(jìn)行熱島、污水廠(chǎng)等基礎設施的布局，包括道路綠化和生態(tài)隔離帶等，繪制工業(yè)園區規劃分區布局圖。 設計中需考慮循環(huán)經(jīng)濟在園區層面的“中循環(huán)”：熱電廠(chǎng)產(chǎn)生的蒸汽可供應啤酒廠(chǎng)和制藥廠(chǎng)，燃煤產(chǎn)生的粉煤灰可以作為園區內新型建材企業(yè)的原料，生物工廠(chǎng)廢水處理后的中水可用于熱電廠(chǎng)的冷卻，這樣在熱電廠(chǎng)、啤酒廠(chǎng)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。要求在課程設計中對區域層面的公用設施進(jìn)行重點(diǎn)設計：
1）園區給排水管網(wǎng)及蒸汽管網(wǎng)設計：從工業(yè)區上游的某水庫取水進(jìn)入自來(lái)水廠(chǎng)，進(jìn)行取水泵站和管道的設計，繪制工業(yè)區給排水、蒸汽管網(wǎng)管道布置圖。
2）熱能工程設計：2×300MW熱電廠(chǎng)一期工程設計，繪制熱電廠(chǎng)平面圖。
3）熱電廠(chǎng)廢氣處理設計：采用電除塵等技術(shù)進(jìn)行煙氣脫硫脫硝的設計，實(shí)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(wàn)t/d的園區污水處理廠(chǎng)，結合本工業(yè)區廢水特點(diǎn)，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(yè)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(chǎng)達標排放的廢水40%進(jìn)行回用，其中一半作為熱電廠(chǎng)冷卻用水，繪制再生水回用工藝流程圖。
4 工廠(chǎng)設計體現企業(yè)層面的循環(huán)經(jīng)濟
以生態(tài)工業(yè)園區內某40萬(wàn)t/a的啤酒廠(chǎng)一期工程和某生物制藥工廠(chǎng)為例，按照相關(guān)行業(yè)規劃和《中華人民共和國環(huán)境保護行業(yè)標準 清潔生產(chǎn)標準 啤酒制造業(yè) HJ/T183—2006》等設計標準和規范，要求學(xué)生在設計中能夠從裝置大型化、加強全廠(chǎng)節能優(yōu)化、實(shí)現蒸汽逐級合理利用等方面，考慮到企業(yè)的循環(huán)經(jīng)濟。 對工廠(chǎng)生產(chǎn)工藝流程以及相關(guān)生物工程設備進(jìn)行設計，在生產(chǎn)過(guò)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(wàn)t/a啤酒生物工廠(chǎng)一期工程設計
4.1.1 工廠(chǎng)總圖布置、設計總量數據和工藝流程設計任務(wù)書(shū)要求對工廠(chǎng)總平面、道路、管線(xiàn)及綠化設計，以及廠(chǎng)內外運輸、道路規格、路面質(zhì)量、布置形式、運輸機械、綠化方式等內容進(jìn)行設計，并重點(diǎn)考慮與工業(yè)園區管線(xiàn)的對接。 要求繪制全廠(chǎng)道路及綠化設計圖，風(fēng)向玫瑰圖、圖紙主要尺寸必須標注清楚，廠(chǎng)內綠化方式按園林布置規范進(jìn)行設計。工藝流程設計要求進(jìn)行物料衡算，繪制全廠(chǎng)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(wú)菌空氣及抽真空量平衡圖等。 并對全廠(chǎng)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(guān)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(guān)排放標準和生產(chǎn)能力進(jìn)行排氣筒設計及風(fēng)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(diǎn)車(chē)間（糖化及發(fā)酵）包括糊化、糖化、麥芽汁過(guò)濾工藝的相關(guān)計算、麥糟綜合利用、糊化工藝設計及設備的相關(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(guò)濾設備、種子罐、啤酒發(fā)酵罐、儲酒罐等設備裝配圖，繪制糊化、糖化車(chē)間設備布置平面圖，車(chē)間柱網(wǎng)示意圖、立剖圖，車(chē)間管道布置圖等。 空氣過(guò)濾除菌系統的設計需要計算無(wú)菌壓縮空氣消耗量、抽真空量和進(jìn)行設備選型，并繪制空氣過(guò)濾除菌系統流程圖。 CIP自動(dòng)清洗工藝設計需要計算滿(mǎn)足設備管道衛生要求的清洗劑用量，繪制CIP自動(dòng)清洗管道布置圖等。 技術(shù)中心相關(guān)設計包括總平面布置圖、實(shí)驗室所需檢測設備說(shuō)明及匯總表。
4.1.4 廠(chǎng)內公用工程供電工程設計包括工廠(chǎng)供電系統設計、全廠(chǎng)用電平衡圖、電表分布圖。 水處理工藝設計需計算全廠(chǎng)生產(chǎn)生活用水量，并進(jìn)行水處理單元的設備選型。 進(jìn)行全廠(chǎng)蒸汽用量計算、制冷與供冷系統設計，進(jìn)行全廠(chǎng)空調與制冷系統有關(guān)的設備、車(chē)間和辦公區域的空調計算和設計。
4.1.5 循環(huán)經(jīng)濟與“三廢”綜合利用專(zhuān)家指出在生物工程工廠(chǎng)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(fā)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(xué)生進(jìn)行二次蒸汽節能設計，對全廠(chǎng)使用到的節能技術(shù)進(jìn)行設計和列表說(shuō)明，并重點(diǎn)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(huán)利用，繪制換熱器裝配圖。
廠(chǎng)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(shuō)明整個(gè)工廠(chǎng)產(chǎn)生的廢水來(lái)源、產(chǎn)生量、去向及應達到的排放標準。
沼氣發(fā)電設計包括進(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(diǎn)選型計算和設計，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(chǎng)固廢的處理方式，并重點(diǎn)設計工藝對廢酵母進(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(chǎng)區布置，進(jìn)行設備布局與消聲、降振防噪等噪聲控制工程設計，使廠(chǎng)界和車(chē)間內應達到有關(guān)噪聲防治標準。
4.2 生物制藥工廠(chǎng)及廢水處理工藝設計
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(wàn)t/a青霉素生物工廠(chǎng)及廢水處理工藝設計，進(jìn)行物料、熱量、冷量、壓縮空氣量衡算衡算和工藝流程設計，繪制全廠(chǎng)總工藝流程圖、物料流程圖。
重點(diǎn)對原料預處理工段的液體培養基制備、發(fā)酵罐和萃取分離等生產(chǎn)設備，進(jìn)行物料衡算與設備選型，并繪制培養基連續滅菌流程圖、發(fā)酵罐及萃取分離設備裝配圖。 廢水處理包括全廠(chǎng)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。
設計任務(wù)中對廠(chǎng)內循環(huán)經(jīng)濟相關(guān)內容的處理：
1）工廠(chǎng)設計的物料平衡與節能設計：生物工程工廠(chǎng)1平衡與物料平衡。 同時(shí)，在滿(mǎn)足產(chǎn)品質(zhì)量標準和清潔生產(chǎn)標準的前提下，重視相關(guān)設備的節能設計。
2）工廠(chǎng)設計與園區配套工程的關(guān)系：園區內工廠(chǎng)的用水、用電、用氣、蒸汽、廢水處理等由生態(tài)工業(yè)園區配套工程提供支持，以實(shí)現規模效益與污染集中治理。
但在設計過(guò)程中應按照相關(guān)設計規范和設計標準處理好對接關(guān)系（例如：工廠(chǎng)廢水處理站排放口、中水回用水質(zhì)與園區污水處理廠(chǎng)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(xué)效果評估
通過(guò)構建生態(tài)工業(yè)園區的教學(xué)模型，將循環(huán)經(jīng)濟的抽象理論應用于課程設計，結合本專(zhuān)業(yè)在環(huán)保方面的特色和優(yōu)勢，及時(shí)地將工廠(chǎng)初步設計階段對節能環(huán)保的要求有效地轉化為教學(xué)內容。 設計過(guò)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(chǎng)設計的教學(xué)內容。 在完成課程設計的綜合訓練后學(xué)生普遍反映良好，加強了應用專(zhuān)業(yè)知識的能力，并提高了團隊協(xié)作精神和工程設計技能。
教學(xué)改革中結合網(wǎng)絡(luò )輔助教學(xué)平臺的建設，將課程設計與教學(xué)網(wǎng)站有機結合，彌補了傳統教學(xué)模式的不足，符合生物工程專(zhuān)業(yè)新型人才培養的要求，可有效克服課堂教學(xué)中信息量大，難于全面把握課程內容的缺點(diǎn)[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(shí)踐脫節的難題，并通過(guò)精品課程的建設實(shí)現了網(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(zhuān)業(yè)的工廠(chǎng)設計課程教學(xué)，結合循環(huán)經(jīng)濟和生態(tài)工業(yè)園區設計的原則，將工程技術(shù)和環(huán)保設計理念融合在“生物工程設備及工廠(chǎng)設計”教學(xué)過(guò)程中，全面拓展了教學(xué)內容的廣度和縱深，形成了專(zhuān)業(yè)特色并具有推廣應用價(jià)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(wèn)題，正在編撰配套教材更好地輔助教學(xué)，今后課程建設將進(jìn)一步加強教學(xué)團隊建設，并探索三維虛擬仿真技術(shù)在設計教學(xué)中的應用。
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