工程教育绿色过程的实践

过程工业是进行物质转化的所有工业过程的总称,化学工业、石油炼制、能源、环境、冶金、材料、医药、农药等都属于过程工业。化学工程学在发展过程中不断向其他科学技术领域渗透拓展,应用对象涵盖了所有物质的物理、化学加工过程,使化学工程学上升至过程工程学。过程工程学是过程工业的科学基础,研究对象是物质的化学、物理转化过程,研究内容是物质的运动、传递、化学反应及其相互间的关系。[1]绿色过程工程涵盖绿色化学与化工,成为综合运用数学、物理、化学、化工、冶金、环境、医药、资源、能源、材料、生物、信息、人工智能等多学科知识与技术,研究物质转化过程绿色化的综合性科学与工程。[2]它依据环境-经济两种尺度对过程进行综合优化,包括反应-分离等多序列的综合,物质集成与能量集成,通过质量、热量交换网络-环境影响最小化的模拟设计来实现。从科学观点看,它是过程工程内容的更新和提升;从环境观点看,它是从源头上消除污染,符合可持续发展的生态工业发展模式;从经济观点看,它符合利用资源、能源,降低成本,符合经济可持续发展的要求。[1]绿色过程工程是人类和过程工业可持续发展的客观要求。随着绿色过程工程的发展,各国逐渐认识到对社会各阶层,尤其是大中学校的学生进行绿色过程工程教育对绿色过程工程将来的发展至关重要。目前,我国社会各界对绿色过程工程的认识还很肤浅,应通过各种方式加强绿色过程工程的教育、宣传、信息交流和人才培养工作。据调研,国内尚未开设绿色过程工程专业。化学、化工等过程工程相关专业课程在建设和改革中,应把绿色过程工程作为一个重要的研究内容,将绿色过程工程的思想贯穿于整个化学、化工的教学活动中,从而培养出具有较强绿色过程工程观念的新一代高级人才。化学制药工业属流程工业,通过一系列物理、化学和生物加工过程,改变初始物料的物化性质,最终获得药物。其突出特点有:[3]产品更新快;生产工艺复杂,需用的原辅材料繁多;产品三废(废液、废气、废渣)成分复杂,严重危害环境等。药物的合成工艺路线不是唯一的,其选择直接影响产品质量及生产成本。一个药物的合成路线通常由若干个合成工序组成,每个合成工序通常包含若干个化学反应单元和分离、精制等单元操作。药物的制备过程是各种化学单元反应和化工单元操作的有机组合和综合应用。化学制药工艺学是药物开发和生产过程中,设计和研究经济、安全、高效的化学合成工艺路线,研究工艺原理和工业生产过程,制定生产工艺规程,实现化学制药生产过程最优化的一门科学。该课程的教学内容主要包括化学药物合成工艺路线的设计和选择、工艺条件研究、手性制药、中试放大、生产工艺规程、化学制药污染防治,以及化学制药生产工艺实例。该课程是制药工程专业本科教育的核心课程,为绿色过程工程教育提供了适宜载体。本文主要介绍在授课中强化绿色过程工程教育的总体设计思路和相关经验。

一、重视案例教学,增强学生对制药工艺绿色化的感性认识

采用绿色工艺、实行清洁生产是制药工业的发展趋势和必然选择。为增强学生的感性认识,授课中可以适时引入几个经典案例配合理论方面的讲解,以期达到事半功倍的效果。美国女生物学家RachelCarson1962年出版了题为SilentSpring的专著。她告诫人们,DDT等农药的使用导致鸟类数量急剧下降,使万物复苏的春天居然听不到鸟鸣,成为“寂静的春天”。该书揭示了环境问题的严重性,吹响了环境保护的号角。为了从化学和化工的源头防止污染,以原子经济反应为核心的绿色化学应运而生。本案例可以让学生体会传统制药业忽视污染控制、破坏生态环境,竟成了催生绿色化学、绿色过程工程的重要因素;绿色化学是化学发展的必由之路,绿色过程工程是过程工业发展的必由之路,从而产生学习绿色过程工程原理与技术的自觉性。1984年12月3日凌晨,作为农药生产原料的光气溢出到印度博帕尔市(Bhopal)的人口密集地区,导致32万人中毒、2500人直接死亡的严重后果,业界由此得到一个减免使用剧毒原料的警示信号。调查显示在事故发生时,冷却系统、温度指示器、燃烧塔都不能起作用,这表明事故还与设计错误、疏于管理等有关。此案例让学生体会到要提高工业过程的绿色度,一方面要采用无毒、无公害的合成或天然原料,从源头上尽量减少甚至杜绝污染和危害;另一方面,必须从工艺和设备两方面着手,大力研究和开发从整个工程链中消减污染的绿色工程技术,并强化生产系统的优化管理,提升员工素质。20世纪50年代,沙利度胺曾作为镇静剂用于缓解孕妇妊娠反应。1961年发现服用外消旋的沙利度胺(反应停)的孕妇产下了四肢呈海豹状的畸形儿,累计致畸案例多达17000例,成为20世纪医药界最大的药害事件。后来的研究表明,沙利度胺的致畸性是由(S)-异构体引起的。此案例能让学生体会产品的绿色化是绿色过程工程的重要指标,绿色化工产品应对人类和环境无毒无害;若对映体具有不同的药理活性,开发单一旋光异构体药物符合绿色过程工程原理。

二、用绿色过程工程原理引导学生改变传统的工程观念,培养学生的“当代工程观”

工程观念的强弱和趋向直接决定着研究和工程技术人员的实践能力,教学中应加强学生的工程观教育,培养学生的责任意识和工程思维。工程观是人们关于工程活动的基本理念,是认识和进行工程活动的指南。在当代学科交叉渗透的趋势下形成的当代工程观是对传统工程观的扬弃和超越。[4]传统工程观以科学理性和技术理性为主导,而对人文理性和生态优化较为忽视。当代工程观把工程理解为生态循环系统中的生态社会现象,视生态环境为工程活动的内生因素,工程活动不但受生态环境的制约,而且应按照生态规律重塑生态活动的方式。[4]这与绿色过程工程的内涵一致,强化绿色过程工程教学,有利于贯彻当代工程观教育,有助于培养对可持续发展具有强烈责任意识并具有良好创新素质的未来建设者和管理者。化学制药工艺学是研究、优选符合大规模药物生产的工艺路线和工艺条件,从而以最安全、最经济、最切实可行的方式完成药物制备的一门学科。生产工艺研究按研究阶段可分为实验室工艺研究、中试放大研究和工业生产工艺研究。该课程与生产实际紧密相关,适宜强化工程观念教学。朱宏吉、元英进等指出,[5]制药工艺学可指导学生完成制药工程课程设计最基本、最核心的内容,即工艺计算和工艺流程的组织,使学生将符合GMP要求的制药车间工程设计基本原则、制药设备选型与设备结构的设计结合起来。笔者认为,通过本课程的学习,学生还应该学会按当代工程观的要求,根据经济合理、技术可行、环境友好的原则,选择、优化药物及中间体的制备工艺。实践表明,强化绿色过程工程教育,对学生在制药工程课程设计、毕业设计、毕业论文中选择、设计绿色工艺具有非常突出的指导作用。据众多学习过本课程的毕业生的反馈信息,不论他们是否从事制药业,都能自觉运用绿色过程工程的观念开展工程项目的开发、评价和实施,学生毕业后体会到了学习绿色过程工程原理的更大收获。

三、强化绿色过程工程教育的教学设计

经过多年的摸索,绪论部分教学中引入生命周期评价(LCA)、[6]原子经济性(AE)、[7,8]环境因子(EFactor)、[8-10]环境商(EQ)四个概念是必要的和可行的。[8-10]生命周期评价(LCA)是一种评价产品、工艺或活动,从原材料采集,到产品生产、运输、销售、使用、回用、维护和最终处置整个生命周期阶段环境负荷的过程,是从“摇篮”到“坟墓”的过程。它首先辨识整个生命周期阶段中能量、物质的消耗以及环境释放,然后评价这些消耗和释放对环境的影响,最后辨识和评价减少这些影响的机会。生命周期评价是实施绿色过程工程的重要工具。掌握生命周期评价的概念有助于学生从产品整个生命周期综合思考新产品设计、新工艺开发和旧工艺改造,生命周期评价的概念为在授课过程中灌输、剖析绿色过程工程原理提供了线索。传统化学采用收率作为评价某化学反应过程或某一产品合成工艺优劣的标准,这种做法已沿用了上百年。只注重收率往往会忽略合成中使用或产生的不必要的化学品,收率指标难以反映废物产生数量的多少,不足以完全反映原料的综合利用效率。欲充分利用资源和消减废弃物排放,只有使反应物分子中的原子尽可能多的进入目标产物中。B.M.Trost于1991年提出了原子经济性(AE)概念,[7]为评价化工过程提供了强有力的工具。原子经济反应处于绿色过程的核心地位。R.A.Sheldon提出了E因子和环境商(EQ)两个概念分别用于快速评价反应过程中废物产生的数量和废物对环境产生的潜在影响。[9]R.A.Sheldon给出了传统制药业的E因子范围常在25~100kg/kg,[8]远高于炼油和大宗商品生产行业,这说明制药业实施绿色过程工程技术任重道远且正当其时,强化绿色过程工程教育是制药业人才培养的内在要求。绪论部分在介绍绿色过程工程内涵的基础上,着重辨析上述四个概念,生命周期评价为绿色过程工程教学提供了线索,其余概念则可直接服务于每一部分教学。依据制药工艺学主要讲授内容,总体教学设计如图1所示,绿色过程工程教育是一个线索分明、重点突出的有机的整体。期望学生能够学会科学的研究方法。例如,热力学以经验概况的热力学第一、第二定律为基础,经过严密的逻辑推理,建立了几个热力学函数,通过“状态函数法”,即在相同的始终态间,能动地设计可计算的过程,解决了化学反应的方向和限度问题。理想气体、理想溶液是实际气体、实际溶液的理想化模型,实际气体通过逸度、实际溶液通过活度进行相应校正,可以简单地解决热力学、动力学问题。

(一)通过公式的推导过程,培养学生严谨的逻辑思维物理化学课程公式繁多。对于有代表性的公式,授课中用板书逐步推导,一方面有利于学生理解和记忆,另一方面能教会学生处理问题的方法,培养严谨的逻辑思维能力。例如,在化学热力学公式的推导过程中,每一步都可能引入限制条件,这种条件也是该公式的适用条件,使用过程中必须注意。在授课过程中,我强调它们之间的逻辑关系,注重学生思维的梳理。

(二)以联系的观点和类比的方法贯穿课程始终物理化学课程内容多,学时紧,学生常常感觉太难,抓不住重点。事实上,物理化学的研究体系非常完整,研究内容非常紧密。例如:热力学内容以热力学第一定律和第二定律为主线,在不同的体系中解决化学变化的方向和热力学平衡问题。再如多组分体系,为了解决化学变化的方向问题,引入化学势的概念,介绍从简单的理想气体到实际溶液中溶质、溶剂的化学势的求法,然后根据集合公式,求出体系吉布斯函数的改变值,从而判断化学变化的方向。

经过几年的实践,学生上课的状态明显好转,考试平均成绩明显提高,不及格率降低了,考研的成绩提高了,达到了预期教学效果。