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生物與化學工程專業范文1
關鍵詞：生物化學；教學改革；教學模式
中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）10-0018-02
生物化學是從分子水平揭示生命現象與化學本質的一門學科，是我校制藥工程專業的一門重要專業基礎課，它不僅為后繼專業課程奠定基礎，而且對于學生今后的職業生涯和攻讀研究生將起著重要作用。生物化學的特點是分子構象繁多，代謝途徑錯綜復雜，需要記憶、理解的內容多，學生普遍感到抽象難懂，學習興趣不高。為提高教學效果，激發學生的學習積極性，在近十年的教學實踐中，對課程的教學內容、教學模式以及實踐環節進行了研究與探索，取得了良好的效果。
一、構建知識框架，優化教學內容
我校生物化學的課程設置存在著學時少（40學時）、內容多的問題，要在有限的時間內完成大綱規定的教學任務，就需要精選教學內容，根據學生的知識背景和專業特點科學構建課程知識模塊。制藥工程專業學生已經學習過有機、無機、分析、物化四大基礎化學課程，擁有較強的化學理論基礎，對于生物分子式和相關的生化反應較易掌握，但涉及生物大分子的空間結構、錯綜復雜的代謝途徑以及需要記憶的抽象概念，就會感到眼花繚亂，無從下手。為引導學生由淺入深、變被動為主動地學習，以教材為藍本[1]，將整個生物化學的教學分為四大知識模塊來進行。模塊1：生物化學研究進展；模塊2：生物大分子的結構與功能；模塊3：代謝及其調控；模塊4：分子生物學及其在制藥工程領域中的應用。
1.激發學習熱情?，F代生物化學是一門飛速發展的學科，大學生對最新的科研成果有著濃厚的興趣。在教學過程中，尋找本學科與生物化學之間的交叉點，列舉科學家在生命科學領域中做出的巨大貢獻，如美國化學家博耶（Paul D.Boyer）等人運用化學方法闡明了ATP合成酶的功能機制，于1997年獲得諾貝爾獎；美國科學家萊馬克里斯南（Venkatraman Ramakrishnan）、施泰茨（Thomas Steitz）和以色列科學家阿尤納斯（Ada Yonath）對“核糖體的結構和功能”的研究，有助研制針對細菌的新型抗生素，獲得2009年諾貝爾化學獎等。介紹本學科在分子水平上探討病因、發病機理以及開發基因治療藥物的最新成就及發展前景。另外，通過階段性理論教學與專題討論的形式組織課堂教學，調動學生課下查閱資料、課堂發表觀點、暢所欲言。這樣，拓展了學習的視野，使學生認識到在學科交叉滲透的今天，學習生物化學的重要性，大大提高了學生的學習興趣和求知欲望。
2.突出重難點。在生物化學課程的教學中，重點在于使學生理解每種生物大分子的結構、功能、代謝特點及其相互聯系；難點在于，如何記憶眾多的抽象概念、復雜的代謝歷程和能量變化，理解微觀的分子生物學內容。對于相應的知識點，采用的方法是：（1）復雜過程簡單化：如對各代謝的生化途徑分段講解，及時總結其特點，引導學生按要點記憶，就較容易將整個反應歷程貫穿在一起。（2）理論聯系實際：通過案例教學法，拉近書本知識與實際生活和生產的距離；聯系本系教師的科研工作，使學生加深對生物化學知識的理解。（3）抽象內容形象化：采用現代化多媒體教學手段，通過大量圖表、動畫素材的運用，使微觀世界宏觀化、文字敘述圖片化、平面內容立體化、靜態模式動態化、難點內容簡單化。
3.理論聯系實際。理論教學中，強調生物化學原理在制藥工程領域中的應用，注重培養學生分析問題和解決問題的能力。例如：RNA的復制與AIDS藥物的設計，瘋牛病的發病機理與蛋白質空間構象的關系，夜盲癥、腳氣病、壞血病與各種維生素的關系等。用理論解釋實際問題，使學生感覺到生物化學并不枯燥，課堂效率大大提高。
二、改革教學方法和手段，提高教學效果
在總結傳統教學經驗的基礎上，采用先進的教育教學方式，對生物化學的教學方法和教學手段進行了改革。
1.多媒體與傳統教學有機結合。生物化學涉及到微觀世界的內容，理論抽象，反應過程復雜，難以理解，這是教師在傳統教學中的難點。采用多媒體現代化教學手段，給予教師和學生一種全新的感受。例如，通過觀看二維、三維的彩色圖片，有助于理解蛋白質空間構象，掌握蛋白質高級結構的概念；借助動畫演示酶的活性中心與必需基團、呼吸鏈的組成和氧化磷酸化過程、蛋白質的生物合成等，達到微觀內容宏觀化、抽象內容形象化的效果。此外，視頻播放一些生物化學的經典實驗，如證明DNA是遺傳物質的噬菌體實驗和肺炎雙球菌實驗、遺傳密碼破譯的體外翻譯實驗等，增加了課堂的活躍氣氛。CAI課件的使用，使整個教學過程有更強的直觀性、現實性、趣味性，加深了學生的理解和記憶，提高了教學質量。
雖然多媒體課件具有許多傳統方式無法比擬的優勢，但在教學實踐中也存在一些比較突出的問題。例如，信息量大，教學節奏較快，容易導致部分學生跟不上教師的思路；頁面的切換還容易造成學生對某一個知識點缺乏整體的認識和思考過程。因此，對于生物化學這一基礎課程，不宜用多媒體教學完全替代傳統的板書教學。在基礎內容的講解上，如酶促反應動力學米氏公式的推導，采用板書更能強化學生的理解和記憶。
2.聯系實際進行案例教學。借鑒華東理工大學的教學經驗[2]，采用案例教學法提出問題，引導討論。典型案例包括：（1）酶的競爭性抑制機理與藥物分子設計：以磺胺類藥物和有機磷農藥為例展開討論。（2）脂代謝與健康減肥產品的開發：通過對目前熱點減肥產品“左旋肉堿”瘦身的機理討論，而引出“脂肪酸的β-氧化”內容。（3）酶的修飾與抗癌藥物的開發等。實踐證明，案例教學可提高學生的學習效率，并能做到活學活用。
三、多樣化實踐環節，培養綜合素質
由于課時所限，課程中沒有包含實驗內容。為彌補實踐環節的不足，將生物化學基本技能實驗設置在《大學化學基礎實驗》選修課模塊中，由學生根據自己的興趣自愿選做。開設的實驗內容有：牛奶中酪蛋白質的提取與制備、氨基酸的紙色譜分離鑒定、維生素C的定量測定、卵磷脂的提取等。學生通過具體實驗，能夠熟練掌握生化基本實驗技能、提高動手能力和分析解決問題的能力，加深對相關生化原理的理解。
系統性綜合實驗以開放性實驗形式面向學生開設，將所學的分散知識點有機地綜合起來，使以往所做零散單一的實驗內容及操作相互銜接，培養了學生完整的科學實驗思維方法。結合本系教師在酶學研究上的優勢，開設了酶學方面的綜合性實驗，包括：淀粉酶水解淀粉制備飴糖，蛋清溶菌酶的提取及其活性測定，纖維素酶動力學性質分析等，涵蓋了主要的酶學性質研究及其分析方法。
借助我校開展的大學生各類課外科技活動，結合理論教學組織學生積極參加創新性實驗，參與教師的科學研究。近年來，開設出20余項創新性實驗，如生物農藥Bt毒蛋白的合成及其殺蟲活性鑒定、纖維素酶降解秸稈的條件優化、火棘果中精氨酸的提取與鑒定、豌豆中谷胱甘肽還原酶的提取及其活性分析、葛根中葛根素的提取及純化等。創新性科學研究為學生們提供了一次系統的鍛煉機會，使他們提前進入科研角色，為畢業論文的開題、撰寫奠定了基礎，不少學生在省挑戰杯、校大學生科技活動中獲獎。經過實踐，極大地激發了學生對生物化學課程的學習積極性，不僅對基本理論和概念理解掌握較好，綜合分析問題及解決問題的能力也大大提高，考研率逐年上升。
總之，在多年的生物化學教學實踐中，更新觀念、開拓思路，突破傳統的教學模式，在教學內容和手段上進行改革與探索，注重基礎與前沿相結合、理論與實踐相結合，激發了學生的學習積極性，培養了綜合素質，收到了良好的效果。
參考文獻：
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[2]李素霞，歐伶，俞建瑛，等.工科院校中生物化學教學模式探討[J].微生物學通報，2007，34（4）：816-818.
生物與化學工程專業范文2
生物化學工程發展過程中存在的問題
(一)生物化學工程的產品結構不合理
目前，我國生物化學工程的結構還不是很合理，大多數企業生產的產品都比較單一，而且檔次也不高，更不能滿足國內市場的需求。從發展技術看，生產高檔次醫藥產品的技術并不完善，國家每年都要耗費大量資金從國外進口高檔次的醫藥產品。
(二)生物化工產業范圍具有一定的局限性
現如今，國內生物化工產業還具有一定的局限性，主要應用到了輕工業、醫藥和食品行業。因此，大多數企業對生物化工產品生產領域并不是非常了解，特別是對精細化產品的生產更是一無所知，這些都直接阻礙了生物化學工程規模的擴大。因此，就更不用說利用生物化學工業技術指導企業走向世界。除此之外，由于國內生物化學工程的發展較快，我國政府缺少有關生物化學工程領域的研究體系和規范體系，因此，企業在日常的生產過程中，不僅消耗了大量的資源，而且嚴重地污染了生活環境，使生物化學工程的技術一直在低水平線上發展［2］。
(三)生產技術與工藝不完善
由于生物化學工程在生產技術方面還存在很多問題，例如:設備和工藝并不完善，而且上下游技術不相適應，從而使得產品的獲得率偏低，導致企業用高成本換來低效益的不良后果。根據有關部門的數據統計，盡管我國生物化學工程生產的檸檬酸和乳酸等的技術水平非常高，但是，很多產品的生產技術和國外發達國家相比還存在很大差距，只有極少數的產品生產略高于國外水平。因此，目前有很多企業為了更新生產技術，提高生產效率，更為了獲得更大的市場占有率，會投入大量資金，從西方發達國家購進先進的生產設備，例如:生物反應器、監控設備、生物傳感器等等。雖然企業的生產效率提高了，但是，并不利于企業實現長期生產目標。
(四)生物化學工程缺少完善的科研體系
和西方發達國家相比，我國生物化學工程發展起步較晚，而且國家對生物化學工程的基礎研究投入資源較少，缺少一個完善的科研體系，技術創新能力較差。而且有些企業對生產技術的開發和引進能力非常差。經過調查發現，我國生物化學工程仍然是利用傳統的擴大投資的增長模式在發展，此種生產模式不僅使企業獲得較小的生產效益，而且不利于提高企業的競爭能力，甚至會阻礙企業的發展。
解決生物化學工程發展的有效措施
(一)科學調整生物化學工程的產業結構
首先要對產業化結構進行科學、合理的調整，擴大高檔次產品的生產規模。比如:各大企業可以重點開發和研究有關醫藥的生化產品、具有一定功能性的食品等。除此之外，如今的生物化學工程發展正朝著多元化的方向發展，重點生產各種精細化產品或者傳統的生產方法不能生產的產品，例如:生物色素、工業酶制劑等。只有這樣，才能使企業的經濟效益和市場競爭得到快速提高。
(二)不斷擴大生物化學工程的生產規模
目前，生物化學工程的生產規模并不能滿足當今市場的需求，因此，企業要擴大生物化學工程的生產規模，為企業贏得更大的市場占有率。政府部門要給予企業大力支持和幫助?？梢灾贫ǜ嗟恼吆痛胧﹣砉膭钊藗兘ㄔO更多、更大的生物化學企業。特別是要大量建立和培養科技創新企業。企業可以把研發、生產和銷售集中在一起管理，從而降低企業生產成本。另一方面，鼓勵生物化學企業積極參與到相關技術的研究行列中，淘汰生產技術非常落后和競爭力不強的企業。
(三)加大對生物化學工程的資金投入
從生物化學工程的整體來看，企業對生物化學工程的教育投入是較少的，培養一大批具有生物化學工程的人才是企業發展的基礎。企業想要從根本上使生物化學工程在市場中的競爭力有所提高，就應該從相關人員的技術水平和專業素質方面著手。當下，生物化學工程是一個比較熱門的產業，然而，企業大多數的生產技術人員都是從事傳統化工行業的人員，沒有經過專業的技能培訓就上崗工作。由于長期受傳統化工生產思想的影響，這些員工不具備完善的專業知識，且對生產設備的生產操作能力也較差。所以，想要真正解決當前我國生物化學工程在發展過程中的問題，就要重視培養生物化工的專業人才。
(四)加大生物化學工程的技術研究
根據調查發現，我國缺乏對知識產權的認識和保護。我國生物化學工程的發展也存在這樣的現象，國家和企業對知識產權的保護并不重視，原本自己企業研究的新產品卻讓其它企業所占有，這不僅打消了相關研究人員的工作熱情和積極性，而且也使企業損失嚴重，加速人才外流。因此，國家和企業對知識產權要非常重視，并通過相應的措施加以保護［3］。只有這樣，才可以充分調動相關科研人員工作的積極性和熱情，同時又能帶動國外一大批有才能的人回國研究和發展。
生物與化學工程專業范文3
關鍵詞：綠色化學；工程工藝；化學工業節能
近年來，隨著我國社會的不斷發展以及經濟水平的逐漸提高，在我國的化學工藝得到了新的發展機遇的同時，人們對于化學工業生產中化學原料的環保性和節能性也提出了更高的要求。本文所提到的綠色化學工程與工藝是能夠對我國化學工業生產節能產生促進作用的主要工藝手段，而綠色化學工程在實施的過程中也會涉及到多個環節，其中會對化學工業生產過程中需要運用到的原料以環保的方式進行處理，繼而從根本上使我國化學工業領域在生成過程中因化學材料而導致的環境污染問題得到解決。
1綠色化學工程與工藝
1.1綠色化學工程與工藝的概述
綠色化學工程與工藝指的就是在進行化學生產的過程中所應用到的工藝不涉及到能夠對環境產生污染的化學物質，并且在將其投入到使用當中的時候，其的工藝環節可以對普通的化學生產反應進行調節和治理[1]。由此可以看出，綠色化學工程與工藝在投入到化學生產的過程中具有兩種特性，其一是化學領域污染的加重推動了我國綠色化學工程的發展，綠色化學的發展拉近了人與自然的和諧發展；另一點便是綠色化學工程和工藝可以有效降低化工業在進行生產過程中的廢棄物處理以及對環境污染物的規制。
1.2綠色化學工程與工藝的應用
通過調查可以發現，我國傳統的化工業在生產過程中所產生的廢棄物以及生產工藝都會對我國的環境以及能源造成大量的污染和消耗，而且想要對其進行處理和加工有是十分不容易的一件事。而從整體上來看，化工生產之所以會對環境造成影響，其中的主要因素在于其在生產過程中對于化學原材料的選擇。綠色化學工程及工藝在投入到實際應用過程中所遵循的原理便是以及綠色生產、清潔生產為基本原則來進行，而該種生產方式對防治化學生產所帶來的環境污染和能源消耗問題都有著十分明顯的成效[2]。綠色化學工程和工藝在投入到化學工業生產的過程中基本采用的都是不具有危害性的化學原料作為其產品的生產主要原料，也就是說，綠色化學工程和工藝是在化學工業的生產之初便對環境污染問題進行了相應的預防。
2綠色化學工程與工藝對化學工業節能的促進作用
當前，綠色化學工程和工藝在我國各類化學工業的生產過程中應用的都十分廣泛，并且對我國化學工業生產的節能減排起到了良好的促進作用，這些作用主要體現在以下兩個方面。首先，綠色化學工程及工藝中涉及到的生物技術對我國化學工業生產中所涉及到的廢棄物排放起到了一定的凈化作用。這里所提到的生物化工技術指的是在生物的體內存在一種具有高效催化功能的生物酶，這種生物酶又可以稱之為催化酶。這種從生物體內提取出的催化酶具有非常好的催化功能，將其應用于生物的催化過程中，其不但可以利用自身具有的超強的專一性來促進生物酶反應的總體效率，與此通知其還可以提升總體的反應質量[3]。與此同時，綠色化學工程及工藝還將這種生物技術引入到了化學工程的生產過程中，其通過將自然界中的可再生資源用生物技術轉化成化學原料的方式來進行最終的化學生產，這樣的做法不但使自然能源的消耗得到了減少，同時還使化學工業生產中的能源反應效率得到了相應的提高，繼而從根本上減少了化學工業生產中廢棄物以及污染物的排放數量。其次，綠色化學工程及工藝中還會涉及到清潔生產技術的應用，該項技術可以說是一個絕對的綠色生產技術，其可以對化學工業生產中所需要用到的化學原料進行綠色處理（無毒、無害、無廢棄），故其在能夠增加化學院材料使用效率的同時，還從根本上提高了化學工業生產的總體質量。與此同時，其還可以將化學生產中所排放出的污染物和廢棄物進行處理，使其變成有機物質或能夠供人們生活的沼氣資源，繼而使化學工業生產的綠色生產得以實現。
3結語
綜上所述，本文通過研究可以發現，當前我國所提出并實施的綠色化學工程與工藝在投入到化學工業生產的過程中主要采用的是無毒無害的經過加工以后的化學物品。而且其中所涉及到的節能減排綠色生產工藝在投入到生產的過程中，使用的也都是以清潔生產為最終目的科學生產技術。故其不但能夠使化學工業生產在實際的生產過程中排出的污染物對于環境的破壞性得到大幅度減少，還可以使其生產出的產品與自然環境的生長形成互補，繼而保證了我國社會環境的可持續發展。
參考文獻：
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生物與化學工程專業范文4
1、清華大學化工系是國家重點一級學科，在國內排名第一。
2、清華大學化學工程系，簡稱清華大學化工系。清華大學化工系開始建于1946年，在半個多世紀的發展中曾進行過若干次調整，目前在系內設立化學工程與工業生物工程、高分子材料與工程兩個專業，主要學科方向包括化學工程、過程與系統工程、生物化工、應用化學、高分子材料與化工、生態化工等。
3、清華大學化工系積極抓住機遇、迎接挑戰，繼續堅持以國家需求為導向，進一步加強學科建設及人才培養工作，繼續強化科技成果轉化，為實現綠色、安全和高效的化工過程提供基礎理論和關鍵技術，為我國化學工程高等教育和化學工業的發展培養高素質人才。
（來源：文章屋網 ）
生物與化學工程專業范文5
關鍵詞：化學工程；化學工藝；發展趨勢
前言：
簡要的說，物質發生化學變化的反應過程為化學過程，而化學工程則是研究化學工業和其他過程工業生產中有關化學過程以及物理過程的一般原理、規律。這些工業不僅僅包括了傳統化工制造，同時也包括了現代化工制造，像向生物工程、生物制藥以及以及相關的納米技術等?；瘜W工藝是以化學方法以化學方法、改變物質組成與組織結構合成新物質為主的一種生產過程與技術。而化學工程與工藝就是一種優化產品加工、生產的過程。在化學工程領域之內與之相關聯的行業特別多，同時也與許多現代高新科技領域具有一定程度上的相互影響作用，在很大程度上推動著我國科技的發展、進步，增強了我國的綜合國力。
1.化學工程與工藝對環境保護的意義
現階段，“綠色”這一詞匯已經逐漸被人們所熟悉，而環保也逐漸成為了人們普遍所追求的一種生活方式以及生活態度。實現環保節能這一生活方式、生活理念重要途徑之一便是對化學工程與工藝的研究?；瘜W工程與工藝相對程度上而言是一門比較具有顯著工業特色的學科，其所研究的范圍相對程度上也比較廣，同時應用范圍也特別寬。對于化學工程與工藝的研究，一方面需要降低污染、節約資源，另一方面需要實現人類利益的最大化。據調查數據顯示，很多國內外的企業都在進行一些與綠色環保方面的相關研究。
2.相關新興化學工程與工藝的技術研究
2.1綠色化學工程
綠色工程即無污染、無化學、無害物質。綠色化學就是研究、利用原理在一定程度上在化學產品的設計、開發以及加工生產過程中盡量減少、消除會對人類健康以及環境的影響的一門科學。因此，在一定程度上盡可能的運用化學工程與工藝去減少一些有害的原料、催化劑的產生與使用，盡可能的從根本上阻隔污染源的產生。綠色化學的主要作用就是從源頭上對污染物進行有效的減少或者消除，同時可以利用綠色化學生產出來一些對環境的保護有利的材料，然后經過回收廢物進行循環利用，在最大限度上保證化學工程與工藝的“綠色化”。
2.2化學工程與工藝的分離過程
在現代社會，蒸餾法是最主要也是用的最多的一種分離工程方法。相對而言，我國在蒸餾分離工程方法方面的研究已經有了相對程度上相比較豐富的理論依據以及實踐經驗，但是在很多方面依舊需要進行完善。現階段，有許多國家的科學家認為膜分離技術（就是吸附分離——運用一些氣體的干燥、廢水等污染物的處理等等）是現在最具有發展潛力的一項分離工程技術。它具有節能、高效以及易于清理等特點，但是同時它也具有一些問題需要去防治、改善。
2.3超臨界流體（SupercriticalFluid，SCF）
超臨界流體是一種溫度還有壓力，都在臨界點之上的無氣體液體的相界面。最近幾年，超臨界水氧化法（SCWO）在環境治療以及保護方面的應用、研究在相對程度上較多，而在化學工程與工藝方面相對研究比較少，依舊處于研究實驗期。
2.4提高反應選擇
化工生產過程的重要組成之一是化學反應，原料由反應得到產物，因此，便可以選擇相對程度上更為合理的反應途徑去實現提高生產效率以及產品質量的效果。影響化學反應的因素有很多，像反應溫度、反應條件以及反應時間等。比如在氧化反應過程中往往會產生大量的熱，因此原料就會因為受熱而發生質變，進而導致產品的質量降低。
3.總結
現階段，世界不僅面臨著資源的短缺的問題，同時也面臨著能源短缺的問題，全球國家都認為社會經濟的發展需要建立在綠色環保的基礎上，提出了資源的節約以及保護環境的要求。因此，這在一定程度上就要求在化學工程和工藝的配合上要緊密，發展上應該實現協同性發展。就這一方面，我國實現了可持續發展理念和化學工程工藝的融合，這樣，將化學工程和工藝技術相關的聯系在一起，重視其發展的綠色化，推動了傳統的化學工藝和工程的發展，降低了其發展給環境帶來的壓力，實現了資源的節約，環境污染的降低，綜上所述，開發新的能源對我國未來化學工程與工藝的發展是極為重要的一條道路，同時也是增強我國綜合國力的一條道路。
參考文獻
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生物與化學工程專業范文6
【關鍵詞】:化學工程;系統;和諧;辯證法
自然界中的和諧系統比比皆是,大至宇宙,小到原子;地球生態系統是和諧的,動植物群落是和諧的,人類社會體系是和諧的,健康的人體更是一個絕妙的和諧體。所有這些和諧系統遵循著同樣的辯證綜合的規律,具體可以歸納出三條:1.統一律;2.層次律;3.進化律;所有和諧系統具有同樣的性質:1.開放性;2.自組織性;3.非線性;4.無限發展性[1]。當愛因斯坦把大半生致力于統一場論時,其哲學上的需要相對物理學上而言或許要來得大,面對物理學的系統和諧,理論規則的分立是不能令他覺得滿意的。而化學工程的發展是不是因循同樣的哲學歷程呢?
在化學工程作為學科開始被重視之前,化學工業已具有了相當的規模,各種具體的工程與工藝都被獨立開來,在認識上是被分為各門特殊的知識,因此,當國外高等院校在十九世紀末開始設置"化學工程學"時,開設的課程大多是學習當時化學工業的各種工藝學,"化學工程"的概念在當時還是相當模糊的,在理論上充其量是化學與機械的一種混合(amalgam)。然而這種理論混合的模式在德國人看來卻是很正統的,即使在今天,他們也避免專論"化學工程",而是稱之為"過程工程"(ProcessEngineering),這一名稱實際上要比"化學工程"的范疇更廣,甚至更為準確,凡是涉及一定流程與工藝的領域都是適用的。但我們習慣上還是沿用"化學工程"的名稱。
二十世紀開始,化學工業迅猛發展,在社會經濟中占的比重越來越大,客觀上需要化學工程學科的發展和支持。隨著生產力的發展,人們對事物運動規律性的認識也愈來愈深化,愈來愈有概括性。伴隨著其他領域科學技術的快速進步,人們逐漸認識到化學工業中各門看似不相干的工程和工藝中存在著共同的物理特性。1901年,美G.E.的Davis《化學工程手冊》的發表,初步提出了"化工物理過程"的原理。1900年始,以合成氨、純堿、燃料等為代表的近代化工廠出現,如1913年,德哈勃-博施法高壓合成氨技術的產業化,星火燎原的,化學工業呈現出巨大的發展前景。到了二十年代,美MIT的一些學者提出:不管化工生產的工藝如何千差萬別,它們在眾多的典型設備中進行著原理相同的物理過程。1920年,美MIT成立了第一個嚴格意義上的化工系,時W.K.Lewis任系主任。1922年美國化工學會認同了新的見解,引出了"單元操作"(UnitOperation)的概念,這一概念在蘇聯時期和我國則廣泛稱為"化工原理"。
1900年始的"分離工程"研究使"單元操作"的概念日趨成熟。被稱為單元操作的過程主要有流體流動、傳熱、干燥、吸收、蒸發、萃取、結晶和過濾等,以這些單元操作作為研究和學習的主要內容,是化學工程學科在二十世紀前半期發展的核心,其理論迅速成為發展化學工業的重要基石。這種把千變萬化、千差萬別的過程和工藝概括成"單元操作"是生產力發展到一定水平的反映,是化學工程學從"個性"到"共性"的第一個哲學性概括,是在一個系統整體性把握的高度上建立了一門技術科學,體現了系統科學發展的和諧統一規律。
隨著"單元操作"概念的確定,另一方面,化學工程學科中重要支柱之一的"反應工程"亦逐漸浮出水面。從最初的德Winkler流化床煤氣化爐的應用到德Bergim-Pier三相液化床煤液化工藝的開發,又到1931年丁納橡膠和氯丁橡膠的投產,化學工業上發展的高峰持續不絕,1940年美國FCC煉油開發成功,成為石油化工的起點。直到1957年,歐洲第一屆反應工程會議,明確提出"反應工程"的概念,成為化學工程學科的重要組成部分,是化學工程學的進一步和諧統一。"反應工程"的建立,乃至今日仍備受困擾的"過程放大效應"問題,及從"逐級放大"到"數模放大"的研究都帶動了"化工過程系統工程"的發展,并共同體現了系統科學發展的和諧層次律。
就在"反應工程"發展的同時,"單元操作"得到了更加深刻的認識,人們發現各單元操作之間存在著更為普遍的原理,"過濾只是流體傳動的一個特例;蒸發不過是傳熱的一種形式;吸收和萃取都包含著質量的傳遞;干燥與蒸餾則是傳熱加傳質的操作……"[2]于是單元操作可以看成是傳熱、傳質及流體動量傳遞的特殊情況或特定的組合。這種認識的深化過程并沒有停止,人們進一步又發現了動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞之間的類似性。于是從二十世紀50年代開始,人們綜合了以往的成果,開始用統一的觀點來研究三種傳遞過程。1960年,美威斯康辛大學(Univ.Wiscosin)的R.B.Bird教授出版了《TransportPhenomena》一書,系統地采用統一的方法來處理三種傳遞現象,從此化學工程學科的核心過渡到了"三傳一反"的系統性概念。"三傳"的研究是系統科學和諧進化律的又一體現,使化學工程學達到了一個新的整體性高度,這種高度的和諧統一是對客觀世界本質性的認識,并在學科上反映出了系統科學的基本原理和性質,其影響力是普遍性的,是跨學科的,不僅使"傳遞原理"成為化學工程學的重要基礎,同時在生物工程、機械、航天和土木建筑等工程學科上也具有重要意義,并日益成為工程專業共有的一門技術基礎課,只是側重點有所差異而已。
至此化學工程學科自身經歷了一系列的演化和發展,并在短短的一個世紀中達到了一個前所未有的高度,涵括了眾多的生產和應用領域,如醫藥、化肥、能源、材料、航天、冶金、日用化學品等,每年為社會提供數以億噸計的千百萬種產品,是人們衣、食、住、行須臾不可離開的物質基礎,為社會繁榮作出了巨大貢獻。然而事物總是一分為二的,從人類發展最為激動人心的口號"征服自然"到今天龐大的工業化進程,地球自然生態系統遭遇了前所未有的嚴峻局面,這之中,化學工業是造成大規模環境污染及惡性重復污染的主要過程之一,化學工程學科需要肩負起新的使命。1990年,"生態化工"(Eco-ChemicalEngineering)的概念提出來了,相應在化工生產和過程工藝中提出了"清潔化工"和"綠色化工"的概念,因時應勢,化學工程學開始了系統科學的自組織過程,這也是和諧系統對立統一發展的需要。在系統科學看來,自組織是和諧系統的基本性質之一,只有自組織系統能通過外部和自身內部的不斷協調、整合,在適應環境的同時保持自己的特性并產生新的功能。從自發到自覺地,化學工程學吸收了自組織的理論,不斷在廣度和深度上充實、完善和發展。隨著新世紀的到來,世界正發生著全球性的變化,經濟、社會、環境和技術等領域都面臨著新范疇新理念的變更和沖擊[3]?；瘜W工程學科需要因應時展而改變傳統的限制,不斷有新的概念提出來,如化學工程應是伺機而待的專業(aprofessioninwaiting);化學工程師必須"besteepedintechnology",能夠創新、開發、變換、調控和適應取代;化學工程學科要從"ProcessEngineering"達到"ProductEngineering"再到"FormulationEngineering"。進一步的綜合認為,化學工程學關注著同時發生在非常廣泛的時空跨度內的現象,必須具備多尺度、多目標的方法來達到過程的總體優化。涵括了五個方面[4,5]:
①Nanoscale(納觀尺度):研究量子化學、分子過程與分子模擬等。
②Microscale(微觀尺度):研究微粒、氣泡、液滴、控制界面膠束和微流力學規律等。
③Mesoscale(介觀尺度):研究換熱設備、反應設備、塔器以及傳統的"單元操作"和"三傳一反"等。
④Macroscale(宏觀尺度):研究生產裝置和生產過程等。
⑤Megascale(兆觀尺度):研究環境過程和大氣生態過程等。
于是化學工程學的核心轉變到了"多尺度、多目標擇優"的概念,化學工程學科又到達一個新的和諧統一的高度,進入了更高層次的系統工程領域。
新的發展的深度促使化學工程學科作出了一定尺度的"分化",然而這還遠未結束,人們對世界的認識還在不斷探索不斷深入,一個更深刻更普遍也更一般的問題已經觸到了化學工程學科的神經,觸到了化學工程學的認識本質,并促使化學工程學需要有新的"融合"。這一問題就是"非線性及其包涵的混沌原理",相對于"線性"是人類認識客觀世界的基本工具,"非線性"則是客觀世界的本質特征,是"線性"反映的目的,是從科學角度看待世界的一種和諧統一;而在對"混沌發展"的研究表明,"混沌運動的普遍存在,揭示了自然界中實際系統發展演化的新行為,混沌態的自相似性使這種時間演化表現為一種空間結構,而且以其不同空間尺度上的相似性,揭示了系統復雜運動的統一性。這種統一性是一個觀察"整體"的問題,只有在長時間范圍(因為混沌運動是一種長時間行為)和更高層次復雜性中才能顯現出來。"[6,7]這一問題涵蓋了自然科學和人文社會科學的眾多領域,具有重大的科學價值和深刻的哲學方法論意義。馬克思曾經預言:"自然科學往后將會把關于人類的科學總括在自己下面,正如關于人類的科學把自然科學總括在自己下面一樣:它們將成為一個科學。"從這一角度上,"非線性"問題是這種過程一體化的契合點以及整體認識論上的共性[8]。當站在這種整體性的高度上,化學工程學科獲得了全新的視野和更強大的分析解決問題的能力,并最終具有了學科融合的基礎。
在整個化學工程學科的孕育、誕生和發展過程中,始終交織著學科的"分化"與"融合",除了上述尺度(scale)上的分化以外還有著所謂的石油化工、精細化工、高分子化工等專業上的分化;另一方面,作為近代工程技術,它又是自然科學(化學、物理等)和技術科學(機械、材料等)的融合。正如物理學家普朗克(Planck)所指出的:"科學是內在的整體,它被分解為單獨的部分不是取決于事物的本身,而是取決于人類認識能力的局限性,實際上存在著從物理到化學,通過生物學和人類學到社會學的連續的鏈條,這是任何一處都不能被打斷的鏈條。"事實上,當化學工程學科的核心發展到"非線性混沌系統"時,實現科學的融合已是其客觀系統性的需要,它需要強有力的非線性解算能力和綜合分析能力。基于人工智能和神經生物學的人工神經網絡(ArtificialNeuralNetworks)技術為這種系統性的融合提供了新的思路和途徑。人工神經網絡特有的信息處理能力在愈來愈多的領域中展現出廣闊的應用前景,它具有如下特點[9,10]:
①學習:神經網絡可以根據外界環境修改自身行為,這使它比其他任何方法接受自身感興趣的外界信息更敏感。
②概括:經過學習訓練后,神經網絡的響應在某種程度上能夠對外界信息的少量丟失或自身組織的局部缺損不再很敏感,反映了神經網絡的健壯性(魯棒性),即工程上說的"容錯"能力。
③抽取:神經網絡具有抽取外界輸入信息特征的特殊功能,在某種意義上可以說它能"創造"出未見的事物。
④模擬:神經網絡由眾多的神經元組成,以并行的方式處理信息,大大加快了運行速度,可以逼近任意復雜的非線性系統。
當然,神經網絡并非十全十美,其自身的發展就曾經歷過相當曲折的過程,但是,人工神經網絡(ANNs)特性的融合將是化學工程學科發展到非線性核心系統的自組織適應和需要。例如采用神經網絡設計的控制系統,適應性、穩定性和智能性均較好,能處理復雜工藝過程的控制問題,也使得化學工程師不但也是機械工程師,還首先是系統工程師,并能從最一般的非線性原理出發,解決實際過程的創新、應用、開發、生產等問題。
生產力的不斷發展,科學技術的持續進步,人類認識自然和改造自然的不斷深化,化學工程學科必將不斷"分化"和"融合",體現出和諧系統的無限發展性質。
參考文獻
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