工程教育綠色過程的實(shí)踐范文
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過程工業(yè)是進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化的所有工業(yè)過程的總稱,化學(xué)工業(yè)、石油煉制、能源、環(huán)境、冶金、材料、醫(yī)藥、農(nóng)藥等都屬于過程工業(yè)。化學(xué)工程學(xué)在發(fā)展過程中不斷向其他科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域滲透拓展,應(yīng)用對象涵蓋了所有物質(zhì)的物理、化學(xué)加工過程,使化學(xué)工程學(xué)上升至過程工程學(xué)。過程工程學(xué)是過程工業(yè)的科學(xué)基礎(chǔ),研究對象是物質(zhì)的化學(xué)、物理轉(zhuǎn)化過程,研究內(nèi)容是物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)、傳遞、化學(xué)反應(yīng)及其相互間的關(guān)系。[1]綠色過程工程涵蓋綠色化學(xué)與化工,成為綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、化工、冶金、環(huán)境、醫(yī)藥、資源、能源、材料、生物、信息、人工智能等多學(xué)科知識與技術(shù),研究物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程綠色化的綜合性科學(xué)與工程。[2]它依據(jù)環(huán)境-經(jīng)濟(jì)兩種尺度對過程進(jìn)行綜合優(yōu)化,包括反應(yīng)-分離等多序列的綜合,物質(zhì)集成與能量集成,通過質(zhì)量、熱量交換網(wǎng)絡(luò)-環(huán)境影響最小化的模擬設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。從科學(xué)觀點(diǎn)看,它是過程工程內(nèi)容的更新和提升;從環(huán)境觀點(diǎn)看,它是從源頭上消除污染,符合可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)工業(yè)發(fā)展模式;從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)看,它符合利用資源、能源,降低成本,符合經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的要求。[1]綠色過程工程是人類和過程工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的客觀要求。隨著綠色過程工程的發(fā)展,各國逐漸認(rèn)識到對社會各階層,尤其是大中學(xué)校的學(xué)生進(jìn)行綠色過程工程教育對綠色過程工程將來的發(fā)展至關(guān)重要。目前,我國社會各界對綠色過程工程的認(rèn)識還很膚淺,應(yīng)通過各種方式加強(qiáng)綠色過程工程的教育、宣傳、信息交流和人才培養(yǎng)工作。據(jù)調(diào)研,國內(nèi)尚未開設(shè)綠色過程工程專業(yè)。化學(xué)、化工等過程工程相關(guān)專業(yè)課程在建設(shè)和改革中,應(yīng)把綠色過程工程作為一個(gè)重要的研究內(nèi)容,將綠色過程工程的思想貫穿于整個(gè)化學(xué)、化工的教學(xué)活動(dòng)中,從而培養(yǎng)出具有較強(qiáng)綠色過程工程觀念的新一代高級人才。化學(xué)制藥工業(yè)屬流程工業(yè),通過一系列物理、化學(xué)和生物加工過程,改變初始物料的物化性質(zhì),最終獲得藥物。其突出特點(diǎn)有:[3]產(chǎn)品更新快;生產(chǎn)工藝復(fù)雜,需用的原輔材料繁多;產(chǎn)品三廢(廢液、廢氣、廢渣)成分復(fù)雜,嚴(yán)重危害環(huán)境等。藥物的合成工藝路線不是唯一的,其選擇直接影響產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)成本。一個(gè)藥物的合成路線通常由若干個(gè)合成工序組成,每個(gè)合成工序通常包含若干個(gè)化學(xué)反應(yīng)單元和分離、精制等單元操作。藥物的制備過程是各種化學(xué)單元反應(yīng)和化工單元操作的有機(jī)組合和綜合應(yīng)用。化學(xué)制藥工藝學(xué)是藥物開發(fā)和生產(chǎn)過程中,設(shè)計(jì)和研究經(jīng)濟(jì)、安全、高效的化學(xué)合成工藝路線,研究工藝原理和工業(yè)生產(chǎn)過程,制定生產(chǎn)工藝規(guī)程,實(shí)現(xiàn)化學(xué)制藥生產(chǎn)過程最優(yōu)化的一門科學(xué)。該課程的教學(xué)內(nèi)容主要包括化學(xué)藥物合成工藝路線的設(shè)計(jì)和選擇、工藝條件研究、手性制藥、中試放大、生產(chǎn)工藝規(guī)程、化學(xué)制藥污染防治,以及化學(xué)制藥生產(chǎn)工藝實(shí)例。該課程是制藥工程專業(yè)本科教育的核心課程,為綠色過程工程教育提供了適宜載體。本文主要介紹在授課中強(qiáng)化綠色過程工程教育的總體設(shè)計(jì)思路和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。
一、重視案例教學(xué),增強(qiáng)學(xué)生對制藥工藝綠色化的感性認(rèn)識
采用綠色工藝、實(shí)行清潔生產(chǎn)是制藥工業(yè)的發(fā)展趨勢和必然選擇。為增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識,授課中可以適時(shí)引入幾個(gè)經(jīng)典案例配合理論方面的講解,以期達(dá)到事半功倍的效果。美國女生物學(xué)家RachelCarson1962年出版了題為SilentSpring的專著。她告誡人們,DDT等農(nóng)藥的使用導(dǎo)致鳥類數(shù)量急劇下降,使萬物復(fù)蘇的春天居然聽不到鳥鳴,成為“寂靜的春天”。該書揭示了環(huán)境問題的嚴(yán)重性,吹響了環(huán)境保護(hù)的號角。為了從化學(xué)和化工的源頭防止污染,以原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)為核心的綠色化學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。本案例可以讓學(xué)生體會傳統(tǒng)制藥業(yè)忽視污染控制、破壞生態(tài)環(huán)境,竟成了催生綠色化學(xué)、綠色過程工程的重要因素;綠色化學(xué)是化學(xué)發(fā)展的必由之路,綠色過程工程是過程工業(yè)發(fā)展的必由之路,從而產(chǎn)生學(xué)習(xí)綠色過程工程原理與技術(shù)的自覺性。1984年12月3日凌晨,作為農(nóng)藥生產(chǎn)原料的光氣溢出到印度博帕爾市(Bhopal)的人口密集地區(qū),導(dǎo)致32萬人中毒、2500人直接死亡的嚴(yán)重后果,業(yè)界由此得到一個(gè)減免使用劇毒原料的警示信號。調(diào)查顯示在事故發(fā)生時(shí),冷卻系統(tǒng)、溫度指示器、燃燒塔都不能起作用,這表明事故還與設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、疏于管理等有關(guān)。此案例讓學(xué)生體會到要提高工業(yè)過程的綠色度,一方面要采用無毒、無公害的合成或天然原料,從源頭上盡量減少甚至杜絕污染和危害;另一方面,必須從工藝和設(shè)備兩方面著手,大力研究和開發(fā)從整個(gè)工程鏈中消減污染的綠色工程技術(shù),并強(qiáng)化生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化管理,提升員工素質(zhì)。20世紀(jì)50年代,沙利度胺曾作為鎮(zhèn)靜劑用于緩解孕婦妊娠反應(yīng)。1961年發(fā)現(xiàn)服用外消旋的沙利度胺(反應(yīng)停)的孕婦產(chǎn)下了四肢呈海豹狀的畸形兒,累計(jì)致畸案例多達(dá)17000例,成為20世紀(jì)醫(yī)藥界最大的藥害事件。后來的研究表明,沙利度胺的致畸性是由(S)-異構(gòu)體引起的。此案例能讓學(xué)生體會產(chǎn)品的綠色化是綠色過程工程的重要指標(biāo),綠色化工產(chǎn)品應(yīng)對人類和環(huán)境無毒無害;若對映體具有不同的藥理活性,開發(fā)單一旋光異構(gòu)體藥物符合綠色過程工程原理。
二、用綠色過程工程原理引導(dǎo)學(xué)生改變傳統(tǒng)的工程觀念,培養(yǎng)學(xué)生的“當(dāng)代工程觀”
工程觀念的強(qiáng)弱和趨向直接決定著研究和工程技術(shù)人員的實(shí)踐能力,教學(xué)中應(yīng)加強(qiáng)學(xué)生的工程觀教育,培養(yǎng)學(xué)生的責(zé)任意識和工程思維。工程觀是人們關(guān)于工程活動(dòng)的基本理念,是認(rèn)識和進(jìn)行工程活動(dòng)的指南。在當(dāng)代學(xué)科交叉滲透的趨勢下形成的當(dāng)代工程觀是對傳統(tǒng)工程觀的揚(yáng)棄和超越。[4]傳統(tǒng)工程觀以科學(xué)理性和技術(shù)理性為主導(dǎo),而對人文理性和生態(tài)優(yōu)化較為忽視。當(dāng)代工程觀把工程理解為生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)中的生態(tài)社會現(xiàn)象,視生態(tài)環(huán)境為工程活動(dòng)的內(nèi)生因素,工程活動(dòng)不但受生態(tài)環(huán)境的制約,而且應(yīng)按照生態(tài)規(guī)律重塑生態(tài)活動(dòng)的方式。[4]這與綠色過程工程的內(nèi)涵一致,強(qiáng)化綠色過程工程教學(xué),有利于貫徹當(dāng)代工程觀教育,有助于培養(yǎng)對可持續(xù)發(fā)展具有強(qiáng)烈責(zé)任意識并具有良好創(chuàng)新素質(zhì)的未來建設(shè)者和管理者。化學(xué)制藥工藝學(xué)是研究、優(yōu)選符合大規(guī)模藥物生產(chǎn)的工藝路線和工藝條件,從而以最安全、最經(jīng)濟(jì)、最切實(shí)可行的方式完成藥物制備的一門學(xué)科。生產(chǎn)工藝研究按研究階段可分為實(shí)驗(yàn)室工藝研究、中試放大研究和工業(yè)生產(chǎn)工藝研究。該課程與生產(chǎn)實(shí)際緊密相關(guān),適宜強(qiáng)化工程觀念教學(xué)。朱宏吉、元英進(jìn)等指出,[5]制藥工藝學(xué)可指導(dǎo)學(xué)生完成制藥工程課程設(shè)計(jì)最基本、最核心的內(nèi)容,即工藝計(jì)算和工藝流程的組織,使學(xué)生將符合GMP要求的制藥車間工程設(shè)計(jì)基本原則、制藥設(shè)備選型與設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)合起來。筆者認(rèn)為,通過本課程的學(xué)習(xí),學(xué)生還應(yīng)該學(xué)會按當(dāng)代工程觀的要求,根據(jù)經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行、環(huán)境友好的原則,選擇、優(yōu)化藥物及中間體的制備工藝。實(shí)踐表明,強(qiáng)化綠色過程工程教育,對學(xué)生在制藥工程課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、畢業(yè)論文中選擇、設(shè)計(jì)綠色工藝具有非常突出的指導(dǎo)作用。據(jù)眾多學(xué)習(xí)過本課程的畢業(yè)生的反饋信息,不論他們是否從事制藥業(yè),都能自覺運(yùn)用綠色過程工程的觀念開展工程項(xiàng)目的開發(fā)、評價(jià)和實(shí)施,學(xué)生畢業(yè)后體會到了學(xué)習(xí)綠色過程工程原理的更大收獲。
三、強(qiáng)化綠色過程工程教育的教學(xué)設(shè)計(jì)
經(jīng)過多年的摸索,緒論部分教學(xué)中引入生命周期評價(jià)(LCA)、[6]原子經(jīng)濟(jì)性(AE)、[7,8]環(huán)境因子(EFactor)、[8-10]環(huán)境商(EQ)四個(gè)概念是必要的和可行的。[8-10]生命周期評價(jià)(LCA)是一種評價(jià)產(chǎn)品、工藝或活動(dòng),從原材料采集,到產(chǎn)品生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷售、使用、回用、維護(hù)和最終處置整個(gè)生命周期階段環(huán)境負(fù)荷的過程,是從“搖籃”到“墳?zāi)埂钡倪^程。它首先辨識整個(gè)生命周期階段中能量、物質(zhì)的消耗以及環(huán)境釋放,然后評價(jià)這些消耗和釋放對環(huán)境的影響,最后辨識和評價(jià)減少這些影響的機(jī)會。生命周期評價(jià)是實(shí)施綠色過程工程的重要工具。掌握生命周期評價(jià)的概念有助于學(xué)生從產(chǎn)品整個(gè)生命周期綜合思考新產(chǎn)品設(shè)計(jì)、新工藝開發(fā)和舊工藝改造,生命周期評價(jià)的概念為在授課過程中灌輸、剖析綠色過程工程原理提供了線索。傳統(tǒng)化學(xué)采用收率作為評價(jià)某化學(xué)反應(yīng)過程或某一產(chǎn)品合成工藝優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn),這種做法已沿用了上百年。只注重收率往往會忽略合成中使用或產(chǎn)生的不必要的化學(xué)品,收率指標(biāo)難以反映廢物產(chǎn)生數(shù)量的多少,不足以完全反映原料的綜合利用效率。欲充分利用資源和消減廢棄物排放,只有使反應(yīng)物分子中的原子盡可能多的進(jìn)入目標(biāo)產(chǎn)物中。B.M.Trost于1991年提出了原子經(jīng)濟(jì)性(AE)概念,[7]為評價(jià)化工過程提供了強(qiáng)有力的工具。原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)處于綠色過程的核心地位。R.A.Sheldon提出了E因子和環(huán)境商(EQ)兩個(gè)概念分別用于快速評價(jià)反應(yīng)過程中廢物產(chǎn)生的數(shù)量和廢物對環(huán)境產(chǎn)生的潛在影響。[9]R.A.Sheldon給出了傳統(tǒng)制藥業(yè)的E因子范圍常在25~100kg/kg,[8]遠(yuǎn)高于煉油和大宗商品生產(chǎn)行業(yè),這說明制藥業(yè)實(shí)施綠色過程工程技術(shù)任重道遠(yuǎn)且正當(dāng)其時(shí),強(qiáng)化綠色過程工程教育是制藥業(yè)人才培養(yǎng)的內(nèi)在要求。緒論部分在介紹綠色過程工程內(nèi)涵的基礎(chǔ)上,著重辨析上述四個(gè)概念,生命周期評價(jià)為綠色過程工程教學(xué)提供了線索,其余概念則可直接服務(wù)于每一部分教學(xué)。依據(jù)制藥工藝學(xué)主要講授內(nèi)容,總體教學(xué)設(shè)計(jì)如圖1所示,綠色過程工程教育是一個(gè)線索分明、重點(diǎn)突出的有機(jī)的整體。期望學(xué)生能夠?qū)W會科學(xué)的研究方法。例如,熱力學(xué)以經(jīng)驗(yàn)概況的熱力學(xué)第一、第二定律為基礎(chǔ),經(jīng)過嚴(yán)密的邏輯推理,建立了幾個(gè)熱力學(xué)函數(shù),通過“狀態(tài)函數(shù)法”,即在相同的始終態(tài)間,能動(dòng)地設(shè)計(jì)可計(jì)算的過程,解決了化學(xué)反應(yīng)的方向和限度問題。理想氣體、理想溶液是實(shí)際氣體、實(shí)際溶液的理想化模型,實(shí)際氣體通過逸度、實(shí)際溶液通過活度進(jìn)行相應(yīng)校正,可以簡單地解決熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)問題。
(一)通過公式的推導(dǎo)過程,培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S物理化學(xué)課程公式繁多。對于有代表性的公式,授課中用板書逐步推導(dǎo),一方面有利于學(xué)生理解和記憶,另一方面能教會學(xué)生處理問題的方法,培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S能力。例如,在化學(xué)熱力學(xué)公式的推導(dǎo)過程中,每一步都可能引入限制條件,這種條件也是該公式的適用條件,使用過程中必須注意。在授課過程中,我強(qiáng)調(diào)它們之間的邏輯關(guān)系,注重學(xué)生思維的梳理。
(二)以聯(lián)系的觀點(diǎn)和類比的方法貫穿課程始終物理化學(xué)課程內(nèi)容多,學(xué)時(shí)緊,學(xué)生常常感覺太難,抓不住重點(diǎn)。事實(shí)上,物理化學(xué)的研究體系非常完整,研究內(nèi)容非常緊密。例如:熱力學(xué)內(nèi)容以熱力學(xué)第一定律和第二定律為主線,在不同的體系中解決化學(xué)變化的方向和熱力學(xué)平衡問題。再如多組分體系,為了解決化學(xué)變化的方向問題,引入化學(xué)勢的概念,介紹從簡單的理想氣體到實(shí)際溶液中溶質(zhì)、溶劑的化學(xué)勢的求法,然后根據(jù)集合公式,求出體系吉布斯函數(shù)的改變值,從而判斷化學(xué)變化的方向。
經(jīng)過幾年的實(shí)踐,學(xué)生上課的狀態(tài)明顯好轉(zhuǎn),考試平均成績明顯提高,不及格率降低了,考研的成績提高了,達(dá)到了預(yù)期教學(xué)效果。
