生物質(zhì)化工人才培養(yǎng)途徑

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一、生物質(zhì)化學(xué)工程人才的需求分析

能源是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,我國能源消耗快速增長,已躍居世界第二大能源消費(fèi)國。我國能源總量和人均占有量卻嚴(yán)重不足,石油供需約缺口1億噸,天然氣供需約缺口400億標(biāo)準(zhǔn)立方米。而且,由于清潔利用的技術(shù)難度較大,化石能源在使用過程中引發(fā)了諸多的環(huán)境問題。生物質(zhì)能是第四大一次能源,又是唯一可存儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)目稍偕茉础０l(fā)展生物質(zhì)能將緩解能源緊缺的現(xiàn)狀和減少化石能源造成的環(huán)境污染。我國幅員遼闊,又是農(nóng)業(yè)大國,生物質(zhì)資源十分豐富。據(jù)測(cè)算,我國目前可供開發(fā)利用的生物質(zhì)能源約折合7.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。國家“十一五”發(fā)展規(guī)劃明確提出“加快發(fā)展生物質(zhì)能”。同時(shí),隨著化石資源日益枯竭,化學(xué)工業(yè)的原料也將逐步由石油等碳?xì)浠衔锵蛞陨镔|(zhì)為代表的碳水化合物過渡。目前,世界各國紛紛把發(fā)展生物質(zhì)經(jīng)濟(jì)作為可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略之一。以生物質(zhì)資源替代化石資源,轉(zhuǎn)化為能源和化工原料的研究受到普遍重視。政府、科研機(jī)構(gòu)和道化學(xué)、杜邦、中石油、中石化、中糧等大型企業(yè)爭(zhēng)相研發(fā)和儲(chǔ)備相關(guān)技術(shù),并取得了一系列重大進(jìn)展。海南正和生物能源公司、四川古杉油脂化工公司和龍巖卓越新能源發(fā)展有限公司,依托我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的生物柴油生產(chǎn)技術(shù),相繼建成規(guī)模超過萬噸的生產(chǎn)線,產(chǎn)品達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),各項(xiàng)性能與0#輕質(zhì)柴油相當(dāng),經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益俱佳。我國對(duì)以生物質(zhì)為原料生產(chǎn)化學(xué)品(即生物基化學(xué)品)極為重視,已列入科技攻關(guān)的重點(diǎn)。例如,生物柴油生產(chǎn)過程中大量副產(chǎn)的甘油是一種極具吸引力的非化石來源的綠色化工基礎(chǔ)原料。從甘油出發(fā)生產(chǎn)1,2-丙二醇、1,3-丙二醇和環(huán)氧氯丙烷等大宗化工產(chǎn)品,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)或接近產(chǎn)業(yè)化。新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,最根本的是靠科技的力量,最關(guān)鍵的是要大幅度提高自主創(chuàng)新能力,其核心是人才的競(jìng)爭(zhēng)。浙江是經(jīng)濟(jì)大省和能源小省,能源資源低于全國平均水平,一次能源消費(fèi)自給率僅為5%;而氣候條件優(yōu)越,是我國高產(chǎn)綜合農(nóng)業(yè)區(qū),森林覆蓋率達(dá)60%,生物質(zhì)資源居全國前列。浙江省乃至全國的生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)和生物質(zhì)化學(xué)工業(yè)的蓬勃發(fā)展,對(duì)生物質(zhì)化學(xué)工程人才的需求十分迫切。

二、生物質(zhì)化學(xué)工程人才的知識(shí)結(jié)構(gòu)

生物質(zhì)化學(xué)工程(專業(yè))模塊是一個(gè)新生事物,并未包含在《全國普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄》之中。在《專業(yè)目錄》中與之接近的是生物工程專業(yè)。生物工程專業(yè)培養(yǎng)掌握現(xiàn)代工業(yè)生物技術(shù)基礎(chǔ)理論及其產(chǎn)業(yè)化的原理、技術(shù)方法、生物過程工程、工程設(shè)計(jì)和生物產(chǎn)品開發(fā)等知識(shí)與能力的高級(jí)專業(yè)人才。生物工程專業(yè)重點(diǎn)關(guān)注圍繞生物技術(shù)進(jìn)行的工程應(yīng)用,而生物質(zhì)化學(xué)工程重點(diǎn)關(guān)注通過化學(xué)工程技術(shù)(包括生物化工技術(shù))對(duì)生物質(zhì)資源進(jìn)行加工利用的工業(yè)過程。可見,生物質(zhì)化學(xué)工程(專業(yè))模塊與生物工程專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)和知識(shí)體系存在著明顯差異,其人才培養(yǎng)模式仍處于探索之中。人才培養(yǎng)必須與產(chǎn)業(yè)發(fā)展相結(jié)合,生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化利用途徑如圖1所示,生物質(zhì)資源(以植物為例)轉(zhuǎn)化生成化學(xué)品的利用路線如圖2所示。生物質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)與常規(guī)化石資源相似,加工利用化石資源的化學(xué)工程技術(shù)無需做大的改動(dòng),即可應(yīng)用于生物質(zhì)資源。但是,生物質(zhì)的種類繁多,分別具有不同的特點(diǎn)和屬性,利用技術(shù)遠(yuǎn)比化石資源復(fù)雜與多樣?？梢?生物質(zhì)化學(xué)工程人才必須具有扎實(shí)的化學(xué)工程基礎(chǔ),并熟悉各類生物質(zhì)資源的特點(diǎn)、用途和轉(zhuǎn)化利用方式。因此,浙江工業(yè)大學(xué)將生物質(zhì)化學(xué)工程人才的培養(yǎng)目標(biāo)定位為:既能把握和解決各種化工過程的共性問題,勝任化工、醫(yī)藥、環(huán)保和能源等多個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)研究、工藝開發(fā)、裝置設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理等工作;又能將化學(xué)工程的基礎(chǔ)知識(shí)靈活運(yùn)用于生物質(zhì)資源的轉(zhuǎn)化利用和生物質(zhì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)開發(fā)等領(lǐng)域,勝任生物質(zhì)能源和生物質(zhì)化工等新興行業(yè)的工作。

三、生物質(zhì)化學(xué)工程人才培養(yǎng)的探索與實(shí)踐

(一)組織高水平學(xué)術(shù)會(huì)議,營造人才培養(yǎng)氛圍

2007年4月,浙江工業(yè)大學(xué)與中國工程院化工、冶金與材料工程學(xué)部和浙江省科技廳共同主辦了“浙江省生物質(zhì)能源與化工論壇”。中國工程院學(xué)部工作局李仁涵副局長分析了我國能源技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r,強(qiáng)調(diào)了發(fā)展生物質(zhì)能需注意工藝過程的綠色化。浙江省科技廳壽劍剛副廳長介紹了浙江省能源消費(fèi)狀況和新能源技術(shù)研發(fā)動(dòng)態(tài),鼓勵(lì)省內(nèi)外的科技工作者為改善浙江省能源緊缺現(xiàn)狀而努力工作。浙江工業(yè)大學(xué)黨委書記汪曉村回顧了浙江工業(yè)大學(xué)的發(fā)展歷程,介紹了浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)科在生物質(zhì)能源領(lǐng)域的科學(xué)研究特色和人才培養(yǎng)思路。浙江工業(yè)大學(xué)的計(jì)建炳教授和石油化工科學(xué)研究院的蔣福康教授主持了學(xué)術(shù)交流與討論。閔恩澤、李大東、舒興田、岑可法、沈寅初、汪燮卿等六位院士分別從我國發(fā)展生物能源的機(jī)遇與挑戰(zhàn)、我國生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r、生物質(zhì)燃料(清潔汽柴油、生物柴油)利用技術(shù)、生物柴油聯(lián)生產(chǎn)物利用技術(shù)和以生物質(zhì)為原料進(jìn)行化工生產(chǎn)等幾個(gè)方面進(jìn)行了精辟論述。2009年4月,浙江工業(yè)大學(xué)承辦了“中國工程院工程科技論壇第84場(chǎng)———生產(chǎn)生物質(zhì)燃料的原料與技術(shù)”。浙江工業(yè)大學(xué)副校長馬淳安教授在開幕式上致辭,介紹了浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)科在生物質(zhì)能源領(lǐng)域開展的科學(xué)研究和人才培養(yǎng)工作。浙江省可再生能源利用技術(shù)重大科技專項(xiàng)咨詢專家組組長、浙江工業(yè)大學(xué)化工與材料學(xué)院生物質(zhì)能源工程研究中心主任計(jì)建炳教授主持了學(xué)術(shù)交流與討論。國家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)獲得者、兩院院士閔恩澤做了題為“21世紀(jì)崛起的生物柴油產(chǎn)業(yè)”的報(bào)告,重點(diǎn)闡釋了我國發(fā)展生物能源和生物質(zhì)化工的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。在兩次會(huì)議上,來自石油化工研究院、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)、浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院、中國林業(yè)科學(xué)研究院和中糧集團(tuán)等單位的專家學(xué)者分別介紹了生物質(zhì)原料植物的選育、生物質(zhì)原料的收儲(chǔ)運(yùn)物流供應(yīng)體系、生物質(zhì)原料的梯級(jí)利用、生物質(zhì)液體燃料的制取技術(shù)、生物柴油的生產(chǎn)實(shí)踐及其副產(chǎn)物綜合利用和生產(chǎn)生物柴油的反應(yīng)器技術(shù)等方面的研究進(jìn)展。會(huì)議期間,閔恩澤院士等人應(yīng)邀參加了浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)建設(shè)暨生物質(zhì)化學(xué)工程專業(yè)方向建設(shè)研討會(huì)。閔恩澤院士指出,邁入21世紀(jì)以來,針對(duì)日趨嚴(yán)峻的能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī),國家高度重視能源替代戰(zhàn)略的發(fā)展和部署,新能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源、優(yōu)勢(shì)能源代替稀缺能源、可再生資源代替非可再生資源是大勢(shì)所趨;因此,化學(xué)工程與工藝專業(yè)根據(jù)國家發(fā)展需求調(diào)整學(xué)科設(shè)置、進(jìn)一步促進(jìn)交叉學(xué)科的發(fā)展也勢(shì)在必行。閔恩澤院士認(rèn)為,在降低能耗和保護(hù)環(huán)境的時(shí)代背景下,生物質(zhì)能源和生物質(zhì)化工的產(chǎn)業(yè)發(fā)展為生物質(zhì)化學(xué)工程人才提供了廣闊的發(fā)展空間,生物質(zhì)化學(xué)工程(專業(yè))方向的建設(shè)思路符合當(dāng)今化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。近距離接觸學(xué)術(shù)泰斗,聆聽專業(yè)領(lǐng)域的前沿進(jìn)展,極大地激發(fā)了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣。通過組織高水平學(xué)術(shù)會(huì)議,浙江工業(yè)大學(xué)營造了培養(yǎng)生物質(zhì)化學(xué)工程人才的良好氛圍。

(二)理論與實(shí)驗(yàn)課程體系

根據(jù)人才培養(yǎng)目標(biāo)定位,浙江工業(yè)大學(xué)將生物質(zhì)化學(xué)工程(專業(yè))模塊的主干學(xué)科確定為化學(xué)工程與技術(shù),針對(duì)生物質(zhì)資源加工利用過程的特點(diǎn),對(duì)化工原理、化學(xué)反應(yīng)工程、化工熱力學(xué)、化學(xué)工藝學(xué)、化工設(shè)計(jì)、分離工程和化工過程分析與合成等主干課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了梳理。此外,增設(shè)了生物質(zhì)化學(xué)與工藝學(xué)和生物質(zhì)工程兩門專業(yè)課程。生物質(zhì)化學(xué)與工藝學(xué)重點(diǎn)講授糖類、淀粉、油脂、纖維素、木質(zhì)素、甲殼素、蛋白質(zhì)、氨基酸等生物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、用途,以及加工轉(zhuǎn)化為化工產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝。生物質(zhì)工程從原料工程學(xué)、轉(zhuǎn)化過程工程學(xué)和產(chǎn)品工程學(xué)等角度出發(fā),為學(xué)生講授生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化利用過程中的工程原理、工程技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)例。化學(xué)工程與工藝國家特色專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)室在中央與地方共建高等學(xué)校共建專項(xiàng)資金的資助下,為生物質(zhì)化學(xué)工程(專業(yè))方向增設(shè)了酯交換法制備生物柴油和生物質(zhì)熱解制備生物原油兩個(gè)實(shí)驗(yàn),并在積極籌備開設(shè)生物柴油品質(zhì)測(cè)定、淀粉基兩性天然高分子改性絮凝劑的制備和易降解型纖維素-聚乙烯復(fù)合材料的制備等實(shí)驗(yàn)。

(三)實(shí)習(xí)、實(shí)踐和畢業(yè)環(huán)節(jié)

生物質(zhì)化學(xué)工程模塊依托化學(xué)工程省級(jí)重點(diǎn)學(xué)科和生物質(zhì)能源工程研究中心建設(shè),師資力量雄厚,擁有專職教師14人。其中,正高職稱5人,副高職稱7人,11人具有博士學(xué)位,7人具有海外留學(xué)經(jīng)歷。生物質(zhì)化學(xué)工程模塊教師的科研成果成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化,與企業(yè)建立了良好的合作關(guān)系。生物質(zhì)化學(xué)工程模塊不斷加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作,與寧波杰森綠色能源科技有限公司、溫州中科新能源科技有限公司等企業(yè)簽訂了共建大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐基地的合作協(xié)議,設(shè)立了企業(yè)專項(xiàng)獎(jiǎng)助學(xué)金,拓展了實(shí)習(xí)實(shí)踐渠道;還依托化工過程模擬基地,引入計(jì)算機(jī)模擬實(shí)習(xí)、沙盤模擬等方式,豐富了生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)的教學(xué)手段。同時(shí),生物質(zhì)化學(xué)工程模塊修訂完善生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃,根據(jù)實(shí)習(xí)廠和仿真軟件編寫實(shí)習(xí)手冊(cè),強(qiáng)化對(duì)實(shí)習(xí)的質(zhì)量監(jiān)控與反饋,建立科學(xué)合理的考評(píng)體系;增加“內(nèi)培外引”師資的力量,加快實(shí)習(xí)指導(dǎo)師資隊(duì)伍建設(shè);從實(shí)習(xí)方式、實(shí)習(xí)內(nèi)容、考核辦法和師資隊(duì)伍等多個(gè)角度出發(fā),確保生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)質(zhì)量的全面提高,強(qiáng)化學(xué)生的工程意識(shí)和實(shí)踐能力,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。生物質(zhì)化學(xué)工程模塊教師承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金、浙江省科技廳重大招標(biāo)項(xiàng)目、浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目和企業(yè)委托開發(fā)項(xiàng)目數(shù)十項(xiàng)。從這些科研和工程開發(fā)項(xiàng)目中選取的畢業(yè)環(huán)節(jié)課題,更加貼近科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)或工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況,能夠全面檢驗(yàn)學(xué)生所學(xué)的理論知識(shí)及其綜合運(yùn)用能力,全方位增強(qiáng)學(xué)生結(jié)合工程實(shí)際,發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力,為學(xué)生步入工作崗位打下良好基礎(chǔ)。生物質(zhì)化學(xué)工程(專業(yè))模塊以實(shí)踐環(huán)節(jié)課程為中心,構(gòu)建了課內(nèi)和課外兩個(gè)實(shí)踐平臺(tái),如圖3所示。通過兩個(gè)實(shí)踐平臺(tái)的緊密聯(lián)系,促進(jìn)第一課堂和第二課堂的融通。依托實(shí)踐教學(xué)平臺(tái),從“產(chǎn)品工程”的理念出發(fā),選取若干個(gè)恰當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品,串聯(lián)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)、畢業(yè)環(huán)節(jié)和課外科技活動(dòng)等教學(xué)內(nèi)容,幫助學(xué)生理順知識(shí)體系,建立起綠色化學(xué)和節(jié)能環(huán)保的基本理念。以生物柴油為例,核心反應(yīng)是酯交換反應(yīng),可以采用水力空化等技術(shù)強(qiáng)化反應(yīng)過程;產(chǎn)物需要采用精餾方法分離,生產(chǎn)廢水需要采用電滲析等方法加以分離;生產(chǎn)過程中還涉及流體流動(dòng)和傳熱等問題;生物柴油這一產(chǎn)品可以將多個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容組合成一個(gè)有機(jī)整體,有效降低實(shí)驗(yàn)原料的消耗。教學(xué)可以選取其中部分內(nèi)容作為單元設(shè)備設(shè)計(jì)進(jìn)行,可以將生物柴油生產(chǎn)車間作為化工設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容,可以選取部分內(nèi)容作為學(xué)科課外科技項(xiàng)目或畢業(yè)環(huán)節(jié)的研究?jī)?nèi)容,還可以將生物柴油生產(chǎn)作為創(chuàng)業(yè)大賽的競(jìng)賽內(nèi)容。學(xué)生可以到生物柴油生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行實(shí)習(xí),將工藝革新、過程強(qiáng)化和產(chǎn)品工程融為一體,并通過實(shí)驗(yàn)室規(guī)模與工業(yè)化規(guī)模的對(duì)比,強(qiáng)化工程意識(shí)。