1 本科课程教学改革背景
广东工业大学环境生物系始建于2003年，开设的生物工程专业具有双语教学、PBL教学、环境生物创新实验室、本科生导师制度等教学特色。“生物工程设备及工厂设计”课程设计作为该专业学生的专业方向选修课，具有设备形式多样、实用性强、应用面广等特点，同时需要兼顾清洁生产、节能减排等环境领域的应用[1].
生物工程设备及工厂设计课程具有综合性、实践性强的特点，近年来该课程教学团队开展了教学改革，已开发了原创的电子课件、设计图纸、设备图片、动画、视频资源。 通过教学改革实现了生物工程设备与工厂设计教学内容的系统整合，已初步建立课程教学的网上图书馆，可提供设计手册等专业电子图书下载，从课程讲授到课程设计的教学环节基本可实现全过程网络教学[2].
在国内高校的生物工程专业教学中，普遍认为课程设计应注重综合素质、完善知识结构、强化工程能力和工程素质的培养[3-5]. 在本次教学改革中我们结合本专业的特点，强化了循环经济的“3R”原则（减量化、最小化和资源化）在课程设计中的应用。 通过生态工业园区规划与生物工程工厂设计的有机结合，并结合案例教学与建设网络共享资源，为相关专业的课程设计教学提供了新的学习资源。
2 课程设计模型的构建
在课程设计开始之前，本专业学生已在肇庆星湖、珠江啤酒等工厂进行生产实习。 同时，教学团队成员具备广东燕京啤酒有限公司、百威啤酒（佛山）有限公司等企业清洁生产审核项目经验。 结合学院背景和本专业特点，以及多年的教学和项目实践经验基础，教学团队在“生物工程设备及工厂设计”课程设计的教学中构建了如下的教学模型：F市所在地区为南方山岭重丘区，拟在本市西北方向20km处建设规划面积为10000亩的“向日葵工业园”,该工业园以食品生物、机械电子、新型建材与轻纺服装为主导产业，规划企业数共计200家，预期总人口约40万（一期建设规划企业数和人口按50%计）。 根据F市“十二五”有关规划，预期F市在此期间人口增长速度为5%,GDP年增长率为12%;约束性指标包括单位GDP能耗下降20%,主要污染物排放总量减少25%.
向日葵工业园位于A水库坝下游10km,该水库为年调节水库，水质标准为Ⅲ类，主要功能为城市供水、农业灌溉。 工业园西北方向为B河，B河位于A水库下游，河水为Ⅳ类水质标准。 全年风向玫瑰图主导风向为东南风，环境空气功能区为二类区，声环境功能区为3类，经初步调查建设范围内无特殊敏感生态保护对象。
拟建工业园规划处理量为50万t/d的自来水厂（分2期建设，一期供水量为25万t/d），取水来自A水库。园区拟采用2×300MW循环流化床燃煤锅炉进行热岛集中供热，（分2期建设，一期为300MW）。 拟建处理量为40万t/d的园区污水集中处理厂，一期处理量为20万t/d,达标后排入B河，设计处理后再生水回用率为40%,主要用于热电厂用水、园区绿化和部分企业生产用水。 一般固废（煤渣、粉煤灰等）可用于园区内建材企业作为生产原料，园区拟建设一座垃圾转运站，生活垃圾经收集处理后运往垃圾填埋场进行卫生填埋，园区内危险废物委托某有资质的公司送省危险废物处理中心进行处置。
某中外合资企业拟选址于向日葵工业园，投资建设40万t/a的啤酒生物工厂，项目一期建设产能为20万t/a;该园区内还拟投资建设某生物制药厂生产青霉素等产品。 要求学生在课程设计中按照工业区循环经济布局，以及生物工厂技术经济分析与清洁生产等要求，对该啤酒厂一期工程和生物制药厂进行工厂初步设计，包括厂内物质、能量的小循环，二次蒸汽节能设计、CO2回收系统、热水回收设计、沼气发电系统设计、剩余污泥生物堆肥，及生态工业园区的的中循环（给排水管道布置、中水回用系统、蒸汽供应设计）。
3 园区规划体现区域层面的循环经济
在本次生物工程工厂设计中，结合本专业特色和学院背景，要求学生按照产业政策结构调整目录（2011年本），以及循环经济和行业规划等要求，对生态工业园区进行规划布局，同时加强了工业园区配套设施的设计，进行“三废”集中治理和污染物区域总量控制，符合当前产业升级对工厂设计的要求。
生态工业园区是依据循环经济理论和工业生态学原理，通过废物交换、循环利用、清洁生产等手段，寻求物质闭路循环、能量多级利用和废物产生最小化，以实现经济社会和环境可持续发展的一种新型工业组织形态[6]. 从区域层面加强规划设计以促进生态工业园区的“中循环”,与企业内部废物梯级利用的“小循环”相结合，是实现“零排放”,解决当前经济发展与环境矛盾的关键[7].
在课程设计阶段，我们要求学生结合地形地貌及气象条件进行工业新区的分区，进行热岛、污水厂等基础设施的布局，包括道路绿化和生态隔离带等，绘制工业园区规划分区布局图。 设计中需考虑循环经济在园区层面的“中循环”:热电厂产生的蒸汽可供应啤酒厂和制药厂，燃煤产生的粉煤灰可以作为园区内新型建材企业的原料，生物工厂废水处理后的中水可用于热电厂的冷却，这样在热电厂、啤酒厂和建材等企业之间形成了共生关系，保证了资源的合理利用。要求在课程设计中对区域层面的公用设施进行重点设计：1）园区给排水管网及蒸汽管网设计：从工业区上游的某水库取水进入自来水厂，进行取水泵站和管道的设计，绘制工业区给排水、蒸汽管网管道布置图。 2）热能工程设计：2×300MW热电厂一期工程设计，绘制热电厂平面图。 3）热电厂废气处理设计：采用电除尘等技术进行烟气脱硫脱硝的设计，实现达标排放，绘制烟气脱硫脱硝工艺流程图。 4）废水处理设计：设计40万t/d的园区污水处理厂，结合本工业区废水特点，设计和选择适当废水处理工艺，绘制污水处理工艺流程图。 5）工业区再生水回用系统设计：设计深度处理工艺，将园区污水处理厂达标排放的废水40%进行回用，其中一半作为热电厂冷却用水，绘制再生水回用工艺流程图。
4 工厂设计体现企业层面的循环经济
以生态工业园区内某40万t/a的啤酒厂一期工程和某生物制药工厂为例，按照相关行业规划和《中华人民共和国环境保护行业标准 清洁生产标准 啤酒制造业 HJ/T183-2006》等设计标准和规范，要求学生在设计中能够从装置大型化、加强全厂节能优化、实现蒸汽逐级合理利用等方面，考虑到企业的循环经济。 对工厂生产工艺流程以及相关生物工程设备进行设计，在生产过程中减少能源、水和原料的使使用，减少各种废物的排放。
4.1 40万t/a啤酒生物工厂一期工程设计
4.1.1 工厂总图布置、设计总量数据和工艺流程设计任务书要求对工厂总平面、道路、管线及绿化设计，以及厂内外运输、道路规格、路面质量、布置形式、运输机械、绿化方式等内容进行设计，并重点考虑与工业园区管线的对接。 要求绘制全厂道路及绿化设计图，风向玫瑰图、图纸主要尺寸必须标注清楚，厂内绿化方式按园林布置规范进行设计。工艺流程设计要求进行物料衡算，绘制全厂总工艺流程图、物料流程图、水平衡图、蒸汽平衡图、耗冷量平衡图、无菌空气及抽真空量平衡图等。 并对全厂污染源进行计算、分析和汇总编制污染源汇总一览表。
4.1.2 物料处理及输送设备包括大米、麦芽原料仓与输送设备设计，麦芽、大米湿法粉碎、输送设备的相关计算，各工段固体、液体物料输送设备的计算选型与汇总表，并绘制原料仓立面图、大米、麦芽粉碎设备平面布置图。 按有关排放标准和生产能力进行排气筒设计及风机选型，绘制麦芽、大米粉碎排气筒剖面图、泵装配图、泵安装示意图等。
4.1.3 重点车间（糖化及发酵）包括糊化、糖化、麦芽汁过滤工艺的相关计算、麦糟综合利用、糊化工艺设计及设备的相关计算，绘制糊化锅装配图、糖化锅装配图和糊化、麦芽汁煮沸锅、啤酒过滤设备、种子罐、啤酒发酵罐、储酒罐等设备装配图，绘制糊化、糖化车间设备布置平面图，车间柱网示意图、立剖图，车间管道布置图等。 空气过滤除菌系统的设计需要计算无菌压缩空气消耗量、抽真空量和进行设备选型，并绘制空气过滤除菌系统流程图。 CIP自动清洗工艺设计需要计算满足设备管道卫生要求的清洗剂用量，绘制CIP自动清洗管道布置图等。 技术中心相关设计包括总平面布置图、实验室所需检测设备说明及汇总表。
4.1.4 厂内公用工程供电工程设计包括工厂供电系统设计、全厂用电平衡图、电表分布图。 水处理工艺设计需计算全厂生产生活用水量，并进行水处理单元的设备选型。 进行全厂蒸汽用量计算、制冷与供冷系统设计，进行全厂空调与制冷系统有关的设备、车间和办公区域的空调计算和设计。
4.1.5 循环经济与“三废”综合利用专家指出在生物工程工厂的设计中，空气净化系统中空压机的选型、冷却水的合理使用、发酵罐的通气搅拌系统等对节能具有重要意义[8]. 我们在课程设计中还要求学生进行二次蒸汽节能设计，对全厂使用到的节能技术进行设计和列表说明，并重点设计麦芽汁煮沸锅二次蒸汽回收系统，绘制煮沸锅二次蒸汽回收流程图。 设计热水贮罐对糖化工段用于冷却煮沸麦汁的热水的循环利用，绘制换热器装配图。
厂内废水采用调节池/厌氧/好氧工艺处理，绘制污水/污泥处理工艺流程图，并列表说明整个工厂产生的废水来源、产生量、去向及应达到的排放标准。
沼气发电设计包括进行废水沼气发电的相关计算，并对沼气脱硫、沼气锅炉进行重点选型计算和设计，绘制沼气发电流程图。 对啤酒发酵罐产生的CO2进行回收和处理工艺设计，并用于储酒罐背压，绘制CO2回收净化系统流程图。
固废的综合利用方面需列出全厂固废的处理方式，并重点设计工艺对废酵母进行综合利用制作饲料，给出废酵母利用流程图。 对污水处理站排放的剩余污泥进行有机肥堆肥处理，绘制剩余污泥有机堆肥装置结构图。 需针对主要的噪声污染设备，结合厂区布置，进行设备布局与消声、降振防噪等噪声控制工程设计，使厂界和车间内应达到有关噪声防治标准。
4.2 生物制药工厂及废水处理工艺设计
针对抗生素好氧发酵与啤酒厌氧发酵的不同，主要进行5万t/a青霉素生物工厂及废水处理工艺设计，进行物料、热量、冷量、压缩空气量衡算衡算和工艺流程设计，绘制全厂总工艺流程图、物料流程图。
重点对原料预处理工段的液体培养基制备、发酵罐和萃取分离等生产设备，进行物料衡算与设备选型，并绘制培养基连续灭菌流程图、发酵罐及萃取分离设备装配图。 废水处理包括全厂生产生活用水平衡，绘制废水站污水/污泥处理工艺流程图。
设计任务中对厂内循环经济相关内容的处理：1）工厂设计的物料平衡与节能设计：生物工程工厂1平衡与物料平衡。 同时，在满足产品质量标准和清洁生产标准的前提下，重视相关设备的节能设计。 2）工厂设计与园区配套工程的关系：园区内工厂的用水、用电、用气、蒸汽、废水处理等由生态工业园区配套工程提供支持，以实现规模效益与污染集中治理。
但在设计过程中应按照相关设计规范和设计标准处理好对接关系（例如：工厂废水处理站排放口、中水回用水质与园区污水处理厂排放口应执行不同的标准，在设计中应选择不同的工艺）。
5 教学效果评估
通过构建生态工业园区的教学模型，将循环经济的抽象理论应用于课程设计，结合本专业在环保方面的特色和优势，及时地将工厂初步设计阶段对节能环保的要求有效地转化为教学内容。 设计过程中以设计小组为单位，每生一题，题目的设置围绕生物工程设备及工厂设计的教学内容。 在完成课程设计的综合训练后学生普遍反映良好，加强了应用专业知识的能力，并提高了团队协作精神和工程设计技能。
教学改革中结合网络辅助教学平台的建设，将课程设计与教学网站有机结合，弥补了传统教学模式的不足，符合生物工程专业新型人才培养的要求，可有效克服课堂教学中信息量大，难于全面把握课程内容的缺点[9]. 此外，用人单位反馈认为本课程设计较好解决了理论与实践脱节的难题，并通过精品课程的建设实现了网络资源共享，便于推广示范和有助于学生理解和掌握工程设计技能。
6 展望
本次教学改革主要服务于高校生物工程专业的工厂设计课程教学，结合循环经济和生态工业园区设计的原则，将工程技术和环保设计理念融合在“生物工程设备及工厂设计”教学过程中，全面拓展了教学内容的广度和纵深，形成了专业特色并具有推广应用价值。 针对目前该课程教学缺乏相关的教材与图纸集等问题，正在编撰配套教材更好地辅助教学，今后课程建设将进一步加强教学团队建设，并探索三维虚拟仿真技术在设计教学中的应用。
