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
能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著經(jīng)濟的飛速發(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,又是唯一可存儲和運輸?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,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、科研機構(gòu)和道化學(xué)、杜邦、中石油、中石化、中糧等大型企業(yè)爭相研發(fā)和儲備相關(guān)技術(shù),并取得了一系列重大進展。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)品達到了國外同類產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),各項性能與0#輕質(zhì)柴油相當(dāng),經(jīng)濟效益和社會效益俱佳。我國對以生物質(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。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,其核心是人才的競爭。浙江是經(jīng)濟大省和能源小省,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)工程人才的知識結(jié)構(gòu)
生物質(zhì)化學(xué)工程(專業(yè))模塊是一個新生事物,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)計和生物產(chǎn)品開發(fā)等知識與能力的高級專業(yè)人才。生物工程專業(yè)重點關(guān)注圍繞生物技術(shù)進行的工程應(yīng)用,而生物質(zhì)化學(xué)工程重點關(guān)注通過化學(xué)工程技術(shù)(包括生物化工技術(shù))對生物質(zhì)資源進行加工利用的工業(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,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和屬性,利用技術(shù)遠(yuǎn)比化石資源復(fù)雜與多樣。可見,生物質(zhì)化學(xué)工程人才必須具有扎實的化學(xué)工程基礎(chǔ),并熟悉各類生物質(zhì)資源的特點、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)保和能源等多個領(lǐng)域的科學(xué)研究、工藝開發(fā)、裝置設(shè)計和生產(chǎn)管理等工作;又能將化學(xué)工程的基礎(chǔ)知識靈活運用于生物質(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)的探索與實踐
(一)組織高水平學(xué)術(shù)會議,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狀況和新能源技術(shù)研發(fā)動態(tài),鼓勵省內(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)為原料進行化工生產(chǎn)等幾個方面進行了精辟論述。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———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)”的報告,重點闡釋了我國發(fā)展生物能源和生物質(zhì)化工的機遇與挑戰(zhàn)。在兩次會議上,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)原料的收儲運物流供應(yīng)體系、生物質(zhì)原料的梯級利用、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)等方面的研究進展。會議期間,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。閔恩澤院士指出,邁入21世紀(jì)以來,針對日趨嚴(yán)峻的能源危機和環(huán)境危機,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)勢能源代替稀缺能源、可再生資源代替非可再生資源是大勢所趨;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、進一步促進交叉學(xué)科的發(fā)展也勢在必行。閔恩澤院士認(rèn)為,在降低能耗和保護環(huán)境的時代背景下,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。近距離接觸學(xué)術(shù)泰斗,聆聽專業(yè)領(lǐng)域的前沿進展,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)理論與實驗課程體系
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),針對生物質(zhì)資源加工利用過程的特點,對化工原理、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、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)實例?；瘜W(xué)工程與工藝國家特色專業(yè)綜合實驗室在中央與地方共建高等學(xué)校共建專項資金的資助下,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實驗,并在積極籌備開設(shè)生物柴油品質(zhì)測定、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)合材料的制備等實驗。
(三)實習(xí)、實踐和畢業(yè)環(huán)節(jié)
生物質(zhì)化學(xué)工程模塊依托化學(xué)工程省級重點學(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)新實踐基地的合作協(xié)議,設(shè)立了企業(yè)專項獎助學(xué)金,拓展了實習(xí)實踐渠道;還依托化工過程模擬基地,引入計算機模擬實習(xí)、沙盤模擬等方式,豐富了生產(chǎn)實習(xí)環(huán)節(jié)的教學(xué)手段。同時,生物質(zhì)化學(xué)工程模塊修訂完善生產(chǎn)實習(xí)教學(xué)大綱和教學(xué)計劃,根據(jù)實習(xí)廠和仿真軟件編寫實習(xí)手冊,強化對實習(xí)的質(zhì)量監(jiān)控與反饋,建立科學(xué)合理的考評體系;增加“內(nèi)培外引”師資的力量,加快實習(xí)指導(dǎo)師資隊伍建設(shè);從實習(xí)方式、實習(xí)內(nèi)容、考核辦法和師資隊伍等多個角度出發(fā),確保生產(chǎn)實習(xí)教學(xué)質(zhì)量的全面提高,強化學(xué)生的工程意識和實踐能力,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(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)項目、浙江省科技計劃項目和企業(yè)委托開發(fā)項目數(shù)十項。從這些科研和工程開發(fā)項目中選取的畢業(yè)環(huán)節(jié)課題,更加貼近科學(xué)研究、工程設(shè)計或工業(yè)生產(chǎn)的實際情況,能夠全面檢驗學(xué)生所學(xué)的理論知識及其綜合運用能力,全方位增強學(xué)生結(jié)合工程實際,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))模塊以實踐環(huán)節(jié)課程為中心,構(gòu)建了課內(nèi)和課外兩個實踐平臺,如圖3所示。通過兩個實踐平臺的緊密聯(lián)系,促進第一課堂和第二課堂的融通。依托實踐教學(xué)平臺,從“產(chǎn)品工程”的理念出發(fā),選取若干個恰當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品,串聯(lián)實驗、課程設(shè)計、實習(xí)、畢業(yè)環(huán)節(jié)和課外科技活動等教學(xué)內(nèi)容,幫助學(xué)生理順知識體系,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和傳熱等問題;生物柴油這一產(chǎn)品可以將多個實驗內(nèi)容組合成一個有機整體,有效降低實驗原料的消耗。教學(xué)可以選取其中部分內(nèi)容作為單元設(shè)備設(shè)計進行,可以將生物柴油生產(chǎn)車間作為化工設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容,可以選取部分內(nèi)容作為學(xué)科課外科技項目或畢業(yè)環(huán)節(jié)的研究內(nèi)容,還可以將生物柴油生產(chǎn)作為創(chuàng)業(yè)大賽的競賽內(nèi)容。學(xué)生可以到生物柴油生產(chǎn)企業(yè)進行實習(xí),將工藝革新、過程強化和產(chǎn)品工程融為一體,并通過實驗室規(guī)模與工業(yè)化規(guī)模的對比,強化工程意識。
