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生物与化学工程专业范文1
关键词：生物化学；教学改革；教学模式
中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）10-0018-02
生物化学是从分子水平揭示生命现象与化学本质的一门学科，是我校制药工程专业的一门重要专业基础课，它不仅为后继专业课程奠定基础，而且对于学生今后的职业生涯和攻读研究生将起着重要作用。生物化学的特点是分子构象繁多，代谢途径错综复杂，需要记忆、理解的内容多，学生普遍感到抽象难懂，学习兴趣不高。为提高教学效果，激发学生的学习积极性，在近十年的教学实践中，对课程的教学内容、教学模式以及实践环节进行了研究与探索，取得了良好的效果。
一、构建知识框架，优化教学内容
我校生物化学的课程设置存在着学时少（40学时）、内容多的问题，要在有限的时间内完成大纲规定的教学任务，就需要精选教学内容，根据学生的知识背景和专业特点科学构建课程知识模块。制药工程专业学生已经学习过有机、无机、分析、物化四大基础化学课程，拥有较强的化学理论基础，对于生物分子式和相关的生化反应较易掌握，但涉及生物大分子的空间结构、错综复杂的代谢途径以及需要记忆的抽象概念，就会感到眼花缭乱，无从下手。为引导学生由浅入深、变被动为主动地学习，以教材为蓝本[1]，将整个生物化学的教学分为四大知识模块来进行。模块1：生物化学研究进展；模块2：生物大分子的结构与功能；模块3：代谢及其调控；模块4：分子生物学及其在制药工程领域中的应用。
1.激发学习热情。现代生物化学是一门飞速发展的学科，大学生对最新的科研成果有着浓厚的兴趣。在教学过程中，寻找本学科与生物化学之间的交叉点，列举科学家在生命科学领域中做出的巨大贡献，如美国化学家博耶（Paul D.Boyer）等人运用化学方法阐明了ATP合成酶的功能机制，于1997年获得诺贝尔奖；美国科学家莱马克里斯南（Venkatraman Ramakrishnan）、施泰茨（Thomas Steitz）和以色列科学家阿尤纳斯（Ada Yonath）对“核糖体的结构和功能”的研究，有助研制针对细菌的新型抗生素，获得2009年诺贝尔化学奖等。介绍本学科在分子水平上探讨病因、发病机理以及开发基因治疗药物的最新成就及发展前景。另外，通过阶段性理论教学与专题讨论的形式组织课堂教学，调动学生课下查阅资料、课堂发表观点、畅所欲言。这样，拓展了学习的视野，使学生认识到在学科交叉渗透的今天，学习生物化学的重要性，大大提高了学生的学习兴趣和求知欲望。
2.突出重难点。在生物化学课程的教学中，重点在于使学生理解每种生物大分子的结构、功能、代谢特点及其相互联系；难点在于，如何记忆众多的抽象概念、复杂的代谢历程和能量变化，理解微观的分子生物学内容。对于相应的知识点，采用的方法是：（1）复杂过程简单化：如对各代谢的生化途径分段讲解，及时总结其特点，引导学生按要点记忆，就较容易将整个反应历程贯穿在一起。（2）理论联系实际：通过案例教学法，拉近书本知识与实际生活和生产的距离；联系本系教师的科研工作，使学生加深对生物化学知识的理解。（3）抽象内容形象化：采用现代化多媒体教学手段，通过大量图表、动画素材的运用，使微观世界宏观化、文字叙述图片化、平面内容立体化、静态模式动态化、难点内容简单化。
3.理论联系实际。理论教学中，强调生物化学原理在制药工程领域中的应用，注重培养学生分析问题和解决问题的能力。例如：RNA的复制与AIDS药物的设计，疯牛病的发病机理与蛋白质空间构象的关系，夜盲症、脚气病、坏血病与各种维生素的关系等。用理论解释实际问题，使学生感觉到生物化学并不枯燥，课堂效率大大提高。
二、改革教学方法和手段，提高教学效果
在总结传统教学经验的基础上，采用先进的教育教学方式，对生物化学的教学方法和教学手段进行了改革。
1.多媒体与传统教学有机结合。生物化学涉及到微观世界的内容，理论抽象，反应过程复杂，难以理解，这是教师在传统教学中的难点。采用多媒体现代化教学手段，给予教师和学生一种全新的感受。例如，通过观看二维、三维的彩色图片，有助于理解蛋白质空间构象，掌握蛋白质高级结构的概念；借助动画演示酶的活性中心与必需基团、呼吸链的组成和氧化磷酸化过程、蛋白质的生物合成等，达到微观内容宏观化、抽象内容形象化的效果。此外，视频播放一些生物化学的经典实验，如证明DNA是遗传物质的噬菌体实验和肺炎双球菌实验、遗传密码破译的体外翻译实验等，增加了课堂的活跃气氛。CAI课件的使用，使整个教学过程有更强的直观性、现实性、趣味性，加深了学生的理解和记忆，提高了教学质量。
虽然多媒体课件具有许多传统方式无法比拟的优势，但在教学实践中也存在一些比较突出的问题。例如，信息量大，教学节奏较快，容易导致部分学生跟不上教师的思路；页面的切换还容易造成学生对某一个知识点缺乏整体的认识和思考过程。因此，对于生物化学这一基础课程，不宜用多媒体教学完全替代传统的板书教学。在基础内容的讲解上，如酶促反应动力学米氏公式的推导，采用板书更能强化学生的理解和记忆。
2.联系实际进行案例教学。借鉴华东理工大学的教学经验[2]，采用案例教学法提出问题，引导讨论。典型案例包括：（1）酶的竞争性抑制机理与药物分子设计：以磺胺类药物和有机磷农药为例展开讨论。（2）脂代谢与健康减肥产品的开发：通过对目前热点减肥产品“左旋肉碱”瘦身的机理讨论，而引出“脂肪酸的β-氧化”内容。（3）酶的修饰与抗癌药物的开发等。实践证明，案例教学可提高学生的学习效率，并能做到活学活用。
三、多样化实践环节，培养综合素质
由于课时所限，课程中没有包含实验内容。为弥补实践环节的不足，将生物化学基本技能实验设置在《大学化学基础实验》选修课模块中，由学生根据自己的兴趣自愿选做。开设的实验内容有：牛奶中酪蛋白质的提取与制备、氨基酸的纸色谱分离鉴定、维生素C的定量测定、卵磷脂的提取等。学生通过具体实验，能够熟练掌握生化基本实验技能、提高动手能力和分析解决问题的能力，加深对相关生化原理的理解。
系统性综合实验以开放性实验形式面向学生开设，将所学的分散知识点有机地综合起来，使以往所做零散单一的实验内容及操作相互衔接，培养了学生完整的科学实验思维方法。结合本系教师在酶学研究上的优势，开设了酶学方面的综合性实验，包括：淀粉酶水解淀粉制备饴糖，蛋清溶菌酶的提取及其活性测定，纤维素酶动力学性质分析等，涵盖了主要的酶学性质研究及其分析方法。
借助我校开展的大学生各类课外科技活动，结合理论教学组织学生积极参加创新性实验，参与教师的科学研究。近年来，开设出20余项创新性实验，如生物农药Bt毒蛋白的合成及其杀虫活性鉴定、纤维素酶降解秸秆的条件优化、火棘果中精氨酸的提取与鉴定、豌豆中谷胱甘肽还原酶的提取及其活性分析、葛根中葛根素的提取及纯化等。创新性科学研究为学生们提供了一次系统的锻炼机会，使他们提前进入科研角色，为毕业论文的开题、撰写奠定了基础，不少学生在省挑战杯、校大学生科技活动中获奖。经过实践，极大地激发了学生对生物化学课程的学习积极性，不仅对基本理论和概念理解掌握较好，综合分析问题及解决问题的能力也大大提高，考研率逐年上升。
总之，在多年的生物化学教学实践中，更新观念、开拓思路，突破传统的教学模式，在教学内容和手段上进行改革与探索，注重基础与前沿相结合、理论与实践相结合，激发了学生的学习积极性，培养了综合素质，收到了良好的效果。
参考文献：
[1]郭蔼光.基础生物化学[M].北京：高等教育出版社，2001.
[2]李素霞，欧伶，俞建瑛，等.工科院校中生物化学教学模式探讨[J].微生物学通报，2007，34（4）：816-818.
生物与化学工程专业范文2
生物化学工程发展过程中存在的问题
(一)生物化学工程的产品结构不合理
目前，我国生物化学工程的结构还不是很合理，大多数企业生产的产品都比较单一，而且档次也不高，更不能满足国内市场的需求。从发展技术看，生产高档次医药产品的技术并不完善，国家每年都要耗费大量资金从国外进口高档次的医药产品。
(二)生物化工产业范围具有一定的局限性
现如今，国内生物化工产业还具有一定的局限性，主要应用到了轻工业、医药和食品行业。因此，大多数企业对生物化工产品生产领域并不是非常了解，特别是对精细化产品的生产更是一无所知，这些都直接阻碍了生物化学工程规模的扩大。因此，就更不用说利用生物化学工业技术指导企业走向世界。除此之外，由于国内生物化学工程的发展较快，我国政府缺少有关生物化学工程领域的研究体系和规范体系，因此，企业在日常的生产过程中，不仅消耗了大量的资源，而且严重地污染了生活环境，使生物化学工程的技术一直在低水平线上发展［2］。
(三)生产技术与工艺不完善
由于生物化学工程在生产技术方面还存在很多问题，例如:设备和工艺并不完善，而且上下游技术不相适应，从而使得产品的获得率偏低，导致企业用高成本换来低效益的不良后果。根据有关部门的数据统计，尽管我国生物化学工程生产的柠檬酸和乳酸等的技术水平非常高，但是，很多产品的生产技术和国外发达国家相比还存在很大差距，只有极少数的产品生产略高于国外水平。因此，目前有很多企业为了更新生产技术，提高生产效率，更为了获得更大的市场占有率，会投入大量资金，从西方发达国家购进先进的生产设备，例如:生物反应器、监控设备、生物传感器等等。虽然企业的生产效率提高了，但是，并不利于企业实现长期生产目标。
(四)生物化学工程缺少完善的科研体系
和西方发达国家相比，我国生物化学工程发展起步较晚，而且国家对生物化学工程的基础研究投入资源较少，缺少一个完善的科研体系，技术创新能力较差。而且有些企业对生产技术的开发和引进能力非常差。经过调查发现，我国生物化学工程仍然是利用传统的扩大投资的增长模式在发展，此种生产模式不仅使企业获得较小的生产效益，而且不利于提高企业的竞争能力，甚至会阻碍企业的发展。
解决生物化学工程发展的有效措施
(一)科学调整生物化学工程的产业结构
首先要对产业化结构进行科学、合理的调整，扩大高档次产品的生产规模。比如:各大企业可以重点开发和研究有关医药的生化产品、具有一定功能性的食品等。除此之外，如今的生物化学工程发展正朝着多元化的方向发展，重点生产各种精细化产品或者传统的生产方法不能生产的产品，例如:生物色素、工业酶制剂等。只有这样，才能使企业的经济效益和市场竞争得到快速提高。
(二)不断扩大生物化学工程的生产规模
目前，生物化学工程的生产规模并不能满足当今市场的需求，因此，企业要扩大生物化学工程的生产规模，为企业赢得更大的市场占有率。政府部门要给予企业大力支持和帮助。可以制定更多的政策和措施来鼓励人们建设更多、更大的生物化学企业。特别是要大量建立和培养科技创新企业。企业可以把研发、生产和销售集中在一起管理，从而降低企业生产成本。另一方面，鼓励生物化学企业积极参与到相关技术的研究行列中，淘汰生产技术非常落后和竞争力不强的企业。
(三)加大对生物化学工程的资金投入
从生物化学工程的整体来看，企业对生物化学工程的教育投入是较少的，培养一大批具有生物化学工程的人才是企业发展的基础。企业想要从根本上使生物化学工程在市场中的竞争力有所提高，就应该从相关人员的技术水平和专业素质方面着手。当下，生物化学工程是一个比较热门的产业，然而，企业大多数的生产技术人员都是从事传统化工行业的人员，没有经过专业的技能培训就上岗工作。由于长期受传统化工生产思想的影响，这些员工不具备完善的专业知识，且对生产设备的生产操作能力也较差。所以，想要真正解决当前我国生物化学工程在发展过程中的问题，就要重视培养生物化工的专业人才。
(四)加大生物化学工程的技术研究
根据调查发现，我国缺乏对知识产权的认识和保护。我国生物化学工程的发展也存在这样的现象，国家和企业对知识产权的保护并不重视，原本自己企业研究的新产品却让其它企业所占有，这不仅打消了相关研究人员的工作热情和积极性，而且也使企业损失严重，加速人才外流。因此，国家和企业对知识产权要非常重视，并通过相应的措施加以保护［3］。只有这样，才可以充分调动相关科研人员工作的积极性和热情，同时又能带动国外一大批有才能的人回国研究和发展。
生物与化学工程专业范文3
关键词：绿色化学；工程工艺；化学工业节能
近年来，随着我国社会的不断发展以及经济水平的逐渐提高，在我国的化学工艺得到了新的发展机遇的同时，人们对于化学工业生产中化学原料的环保性和节能性也提出了更高的要求。本文所提到的绿色化学工程与工艺是能够对我国化学工业生产节能产生促进作用的主要工艺手段，而绿色化学工程在实施的过程中也会涉及到多个环节，其中会对化学工业生产过程中需要运用到的原料以环保的方式进行处理，继而从根本上使我国化学工业领域在生成过程中因化学材料而导致的环境污染问题得到解决。
1绿色化学工程与工艺
1.1绿色化学工程与工艺的概述
绿色化学工程与工艺指的就是在进行化学生产的过程中所应用到的工艺不涉及到能够对环境产生污染的化学物质，并且在将其投入到使用当中的时候，其的工艺环节可以对普通的化学生产反应进行调节和治理[1]。由此可以看出，绿色化学工程与工艺在投入到化学生产的过程中具有两种特性，其一是化学领域污染的加重推动了我国绿色化学工程的发展，绿色化学的发展拉近了人与自然的和谐发展；另一点便是绿色化学工程和工艺可以有效降低化工业在进行生产过程中的废弃物处理以及对环境污染物的规制。
1.2绿色化学工程与工艺的应用
通过调查可以发现，我国传统的化工业在生产过程中所产生的废弃物以及生产工艺都会对我国的环境以及能源造成大量的污染和消耗，而且想要对其进行处理和加工有是十分不容易的一件事。而从整体上来看，化工生产之所以会对环境造成影响，其中的主要因素在于其在生产过程中对于化学原材料的选择。绿色化学工程及工艺在投入到实际应用过程中所遵循的原理便是以及绿色生产、清洁生产为基本原则来进行，而该种生产方式对防治化学生产所带来的环境污染和能源消耗问题都有着十分明显的成效[2]。绿色化学工程和工艺在投入到化学工业生产的过程中基本采用的都是不具有危害性的化学原料作为其产品的生产主要原料，也就是说，绿色化学工程和工艺是在化学工业的生产之初便对环境污染问题进行了相应的预防。
2绿色化学工程与工艺对化学工业节能的促进作用
当前，绿色化学工程和工艺在我国各类化学工业的生产过程中应用的都十分广泛，并且对我国化学工业生产的节能减排起到了良好的促进作用，这些作用主要体现在以下两个方面。首先，绿色化学工程及工艺中涉及到的生物技术对我国化学工业生产中所涉及到的废弃物排放起到了一定的净化作用。这里所提到的生物化工技术指的是在生物的体内存在一种具有高效催化功能的生物酶，这种生物酶又可以称之为催化酶。这种从生物体内提取出的催化酶具有非常好的催化功能，将其应用于生物的催化过程中，其不但可以利用自身具有的超强的专一性来促进生物酶反应的总体效率，与此通知其还可以提升总体的反应质量[3]。与此同时，绿色化学工程及工艺还将这种生物技术引入到了化学工程的生产过程中，其通过将自然界中的可再生资源用生物技术转化成化学原料的方式来进行最终的化学生产，这样的做法不但使自然能源的消耗得到了减少，同时还使化学工业生产中的能源反应效率得到了相应的提高，继而从根本上减少了化学工业生产中废弃物以及污染物的排放数量。其次，绿色化学工程及工艺中还会涉及到清洁生产技术的应用，该项技术可以说是一个绝对的绿色生产技术，其可以对化学工业生产中所需要用到的化学原料进行绿色处理（无毒、无害、无废弃），故其在能够增加化学院材料使用效率的同时，还从根本上提高了化学工业生产的总体质量。与此同时，其还可以将化学生产中所排放出的污染物和废弃物进行处理，使其变成有机物质或能够供人们生活的沼气资源，继而使化学工业生产的绿色生产得以实现。
3结语
综上所述，本文通过研究可以发现，当前我国所提出并实施的绿色化学工程与工艺在投入到化学工业生产的过程中主要采用的是无毒无害的经过加工以后的化学物品。而且其中所涉及到的节能减排绿色生产工艺在投入到生产的过程中，使用的也都是以清洁生产为最终目的科学生产技术。故其不但能够使化学工业生产在实际的生产过程中排出的污染物对于环境的破坏性得到大幅度减少，还可以使其生产出的产品与自然环境的生长形成互补，继而保证了我国社会环境的可持续发展。
参考文献：
[1]王艳丽，乔昱.阐述绿色化学工程与工艺对化学工业节能发展的作用[J].山东工业技术，2014，16（02）:147-154.
[2]孟祥芳，唐家龙，夏来保.我国化学工业节能减排与清洁生产技术发展战略研究[J].科技进步与对策，2011，17（21）:67-71.
生物与化学工程专业范文4
1、清华大学化工系是国家重点一级学科，在国内排名第一。
2、清华大学化学工程系，简称清华大学化工系。清华大学化工系开始建于1946年，在半个多世纪的发展中曾进行过若干次调整，目前在系内设立化学工程与工业生物工程、高分子材料与工程两个专业，主要学科方向包括化学工程、过程与系统工程、生物化工、应用化学、高分子材料与化工、生态化工等。
3、清华大学化工系积极抓住机遇、迎接挑战，继续坚持以国家需求为导向，进一步加强学科建设及人才培养工作，继续强化科技成果转化，为实现绿色、安全和高效的化工过程提供基础理论和关键技术，为我国化学工程高等教育和化学工业的发展培养高素质人才。
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生物与化学工程专业范文5
关键词：化学工程；化学工艺；发展趋势
前言：
简要的说，物质发生化学变化的反应过程为化学过程，而化学工程则是研究化学工业和其他过程工业生产中有关化学过程以及物理过程的一般原理、规律。这些工业不仅仅包括了传统化工制造，同时也包括了现代化工制造，像向生物工程、生物制药以及以及相关的纳米技术等。化学工艺是以化学方法以化学方法、改变物质组成与组织结构合成新物质为主的一种生产过程与技术。而化学工程与工艺就是一种优化产品加工、生产的过程。在化学工程领域之内与之相关联的行业特别多，同时也与许多现代高新科技领域具有一定程度上的相互影响作用，在很大程度上推动着我国科技的发展、进步，增强了我国的综合国力。
1.化学工程与工艺对环境保护的意义
现阶段，“绿色”这一词汇已经逐渐被人们所熟悉，而环保也逐渐成为了人们普遍所追求的一种生活方式以及生活态度。实现环保节能这一生活方式、生活理念重要途径之一便是对化学工程与工艺的研究。化学工程与工艺相对程度上而言是一门比较具有显著工业特色的学科，其所研究的范围相对程度上也比较广，同时应用范围也特别宽。对于化学工程与工艺的研究，一方面需要降低污染、节约资源，另一方面需要实现人类利益的最大化。据调查数据显示，很多国内外的企业都在进行一些与绿色环保方面的相关研究。
2.相关新兴化学工程与工艺的技术研究
2.1绿色化学工程
绿色工程即无污染、无化学、无害物质。绿色化学就是研究、利用原理在一定程度上在化学产品的设计、开发以及加工生产过程中尽量减少、消除会对人类健康以及环境的影响的一门科学。因此，在一定程度上尽可能的运用化学工程与工艺去减少一些有害的原料、催化剂的产生与使用，尽可能的从根本上阻隔污染源的产生。绿色化学的主要作用就是从源头上对污染物进行有效的减少或者消除，同时可以利用绿色化学生产出来一些对环境的保护有利的材料，然后经过回收废物进行循环利用，在最大限度上保证化学工程与工艺的“绿色化”。
2.2化学工程与工艺的分离过程
在现代社会，蒸馏法是最主要也是用的最多的一种分离工程方法。相对而言，我国在蒸馏分离工程方法方面的研究已经有了相对程度上相比较丰富的理论依据以及实践经验，但是在很多方面依旧需要进行完善。现阶段，有许多国家的科学家认为膜分离技术（就是吸附分离——运用一些气体的干燥、废水等污染物的处理等等）是现在最具有发展潜力的一项分离工程技术。它具有节能、高效以及易于清理等特点，但是同时它也具有一些问题需要去防治、改善。
2.3超临界流体（SupercriticalFluid，SCF）
超临界流体是一种温度还有压力，都在临界点之上的无气体液体的相界面。最近几年，超临界水氧化法（SCWO）在环境治疗以及保护方面的应用、研究在相对程度上较多，而在化学工程与工艺方面相对研究比较少，依旧处于研究实验期。
2.4提高反应选择
化工生产过程的重要组成之一是化学反应，原料由反应得到产物，因此，便可以选择相对程度上更为合理的反应途径去实现提高生产效率以及产品质量的效果。影响化学反应的因素有很多，像反应温度、反应条件以及反应时间等。比如在氧化反应过程中往往会产生大量的热，因此原料就会因为受热而发生质变，进而导致产品的质量降低。
3.总结
现阶段，世界不仅面临着资源的短缺的问题，同时也面临着能源短缺的问题，全球国家都认为社会经济的发展需要建立在绿色环保的基础上，提出了资源的节约以及保护环境的要求。因此，这在一定程度上就要求在化学工程和工艺的配合上要紧密，发展上应该实现协同性发展。就这一方面，我国实现了可持续发展理念和化学工程工艺的融合，这样，将化学工程和工艺技术相关的联系在一起，重视其发展的绿色化，推动了传统的化学工艺和工程的发展，降低了其发展给环境带来的压力，实现了资源的节约，环境污染的降低，综上所述，开发新的能源对我国未来化学工程与工艺的发展是极为重要的一条道路，同时也是增强我国综合国力的一条道路。
参考文献
[1]杜春.化学工程与工艺专业认识实习的探索与实践[J].石油化工应用，2008（27）：136
[2]姜兆华，赵力，宋英等.面向国家需求的化学工程与工艺特色专业课程体系构建与实践[J].中国大学教学，2013（11）53-55
生物与化学工程专业范文6
【关键词】:化学工程;系统;和谐;辩证法
自然界中的和谐系统比比皆是,大至宇宙,小到原子;地球生态系统是和谐的,动植物群落是和谐的,人类社会体系是和谐的,健康的人体更是一个绝妙的和谐体。所有这些和谐系统遵循着同样的辩证综合的规律,具体可以归纳出三条:1.统一律;2.层次律;3.进化律;所有和谐系统具有同样的性质:1.开放性;2.自组织性;3.非线性;4.无限发展性[1]。当爱因斯坦把大半生致力于统一场论时,其哲学上的需要相对物理学上而言或许要来得大,面对物理学的系统和谐,理论规则的分立是不能令他觉得满意的。而化学工程的发展是不是因循同样的哲学历程呢?
在化学工程作为学科开始被重视之前,化学工业已具有了相当的规模,各种具体的工程与工艺都被独立开来,在认识上是被分为各门特殊的知识,因此,当国外高等院校在十九世纪末开始设置"化学工程学"时,开设的课程大多是学习当时化学工业的各种工艺学,"化学工程"的概念在当时还是相当模糊的,在理论上充其量是化学与机械的一种混合(amalgam)。然而这种理论混合的模式在德国人看来却是很正统的,即使在今天,他们也避免专论"化学工程",而是称之为"过程工程"(ProcessEngineering),这一名称实际上要比"化学工程"的范畴更广,甚至更为准确,凡是涉及一定流程与工艺的领域都是适用的。但我们习惯上还是沿用"化学工程"的名称。
二十世纪开始,化学工业迅猛发展,在社会经济中占的比重越来越大,客观上需要化学工程学科的发展和支持。随着生产力的发展,人们对事物运动规律性的认识也愈来愈深化,愈来愈有概括性。伴随着其他领域科学技术的快速进步,人们逐渐认识到化学工业中各门看似不相干的工程和工艺中存在着共同的物理特性。1901年,美G.E.的Davis《化学工程手册》的发表,初步提出了"化工物理过程"的原理。1900年始,以合成氨、纯碱、燃料等为代表的近代化工厂出现,如1913年,德哈勃-博施法高压合成氨技术的产业化,星火燎原的,化学工业呈现出巨大的发展前景。到了二十年代,美MIT的一些学者提出:不管化工生产的工艺如何千差万别,它们在众多的典型设备中进行着原理相同的物理过程。1920年,美MIT成立了第一个严格意义上的化工系,时W.K.Lewis任系主任。1922年美国化工学会认同了新的见解,引出了"单元操作"(UnitOperation)的概念,这一概念在苏联时期和我国则广泛称为"化工原理"。
1900年始的"分离工程"研究使"单元操作"的概念日趋成熟。被称为单元操作的过程主要有流体流动、传热、干燥、吸收、蒸发、萃取、结晶和过滤等,以这些单元操作作为研究和学习的主要内容,是化学工程学科在二十世纪前半期发展的核心,其理论迅速成为发展化学工业的重要基石。这种把千变万化、千差万别的过程和工艺概括成"单元操作"是生产力发展到一定水平的反映,是化学工程学从"个性"到"共性"的第一个哲学性概括,是在一个系统整体性把握的高度上建立了一门技术科学,体现了系统科学发展的和谐统一规律。
随着"单元操作"概念的确定,另一方面,化学工程学科中重要支柱之一的"反应工程"亦逐渐浮出水面。从最初的德Winkler流化床煤气化炉的应用到德Bergim-Pier三相液化床煤液化工艺的开发,又到1931年丁纳橡胶和氯丁橡胶的投产,化学工业上发展的高峰持续不绝,1940年美国FCC炼油开发成功,成为石油化工的起点。直到1957年,欧洲第一届反应工程会议,明确提出"反应工程"的概念,成为化学工程学科的重要组成部分,是化学工程学的进一步和谐统一。"反应工程"的建立,乃至今日仍备受困扰的"过程放大效应"问题,及从"逐级放大"到"数模放大"的研究都带动了"化工过程系统工程"的发展,并共同体现了系统科学发展的和谐层次律。
就在"反应工程"发展的同时,"单元操作"得到了更加深刻的认识,人们发现各单元操作之间存在着更为普遍的原理,"过滤只是流体传动的一个特例;蒸发不过是传热的一种形式;吸收和萃取都包含着质量的传递;干燥与蒸馏则是传热加传质的操作……"[2]于是单元操作可以看成是传热、传质及流体动量传递的特殊情况或特定的组合。这种认识的深化过程并没有停止,人们进一步又发现了动量传递、热量传递和质量传递之间的类似性。于是从二十世纪50年代开始,人们综合了以往的成果,开始用统一的观点来研究三种传递过程。1960年,美威斯康辛大学(Univ.Wiscosin)的R.B.Bird教授出版了《TransportPhenomena》一书,系统地采用统一的方法来处理三种传递现象,从此化学工程学科的核心过渡到了"三传一反"的系统性概念。"三传"的研究是系统科学和谐进化律的又一体现,使化学工程学达到了一个新的整体性高度,这种高度的和谐统一是对客观世界本质性的认识,并在学科上反映出了系统科学的基本原理和性质,其影响力是普遍性的,是跨学科的,不仅使"传递原理"成为化学工程学的重要基础,同时在生物工程、机械、航天和土木建筑等工程学科上也具有重要意义,并日益成为工程专业共有的一门技术基础课,只是侧重点有所差异而已。
至此化学工程学科自身经历了一系列的演化和发展,并在短短的一个世纪中达到了一个前所未有的高度,涵括了众多的生产和应用领域,如医药、化肥、能源、材料、航天、冶金、日用化学品等,每年为社会提供数以亿吨计的千百万种产品,是人们衣、食、住、行须臾不可离开的物质基础,为社会繁荣作出了巨大贡献。然而事物总是一分为二的,从人类发展最为激动人心的口号"征服自然"到今天庞大的工业化进程,地球自然生态系统遭遇了前所未有的严峻局面,这之中,化学工业是造成大规模环境污染及恶性重复污染的主要过程之一,化学工程学科需要肩负起新的使命。1990年,"生态化工"(Eco-ChemicalEngineering)的概念提出来了,相应在化工生产和过程工艺中提出了"清洁化工"和"绿色化工"的概念,因时应势,化学工程学开始了系统科学的自组织过程,这也是和谐系统对立统一发展的需要。在系统科学看来,自组织是和谐系统的基本性质之一,只有自组织系统能通过外部和自身内部的不断协调、整合,在适应环境的同时保持自己的特性并产生新的功能。从自发到自觉地,化学工程学吸收了自组织的理论,不断在广度和深度上充实、完善和发展。随着新世纪的到来,世界正发生着全球性的变化,经济、社会、环境和技术等领域都面临着新范畴新理念的变更和冲击[3]。化学工程学科需要因应时展而改变传统的限制,不断有新的概念提出来,如化学工程应是伺机而待的专业(aprofessioninwaiting);化学工程师必须"besteepedintechnology",能够创新、开发、变换、调控和适应取代;化学工程学科要从"ProcessEngineering"达到"ProductEngineering"再到"FormulationEngineering"。进一步的综合认为,化学工程学关注着同时发生在非常广泛的时空跨度内的现象,必须具备多尺度、多目标的方法来达到过程的总体优化。涵括了五个方面[4,5]:
①Nanoscale(纳观尺度):研究量子化学、分子过程与分子模拟等。
②Microscale(微观尺度):研究微粒、气泡、液滴、控制界面胶束和微流力学规律等。
③Mesoscale(介观尺度):研究换热设备、反应设备、塔器以及传统的"单元操作"和"三传一反"等。
④Macroscale(宏观尺度):研究生产装置和生产过程等。
⑤Megascale(兆观尺度):研究环境过程和大气生态过程等。
于是化学工程学的核心转变到了"多尺度、多目标择优"的概念,化学工程学科又到达一个新的和谐统一的高度,进入了更高层次的系统工程领域。
新的发展的深度促使化学工程学科作出了一定尺度的"分化",然而这还远未结束,人们对世界的认识还在不断探索不断深入,一个更深刻更普遍也更一般的问题已经触到了化学工程学科的神经,触到了化学工程学的认识本质,并促使化学工程学需要有新的"融合"。这一问题就是"非线性及其包涵的混沌原理",相对于"线性"是人类认识客观世界的基本工具,"非线性"则是客观世界的本质特征,是"线性"反映的目的,是从科学角度看待世界的一种和谐统一;而在对"混沌发展"的研究表明,"混沌运动的普遍存在,揭示了自然界中实际系统发展演化的新行为,混沌态的自相似性使这种时间演化表现为一种空间结构,而且以其不同空间尺度上的相似性,揭示了系统复杂运动的统一性。这种统一性是一个观察"整体"的问题,只有在长时间范围(因为混沌运动是一种长时间行为)和更高层次复杂性中才能显现出来。"[6,7]这一问题涵盖了自然科学和人文社会科学的众多领域,具有重大的科学价值和深刻的哲学方法论意义。马克思曾经预言:"自然科学往后将会把关于人类的科学总括在自己下面,正如关于人类的科学把自然科学总括在自己下面一样:它们将成为一个科学。"从这一角度上,"非线性"问题是这种过程一体化的契合点以及整体认识论上的共性[8]。当站在这种整体性的高度上,化学工程学科获得了全新的视野和更强大的分析解决问题的能力,并最终具有了学科融合的基础。
在整个化学工程学科的孕育、诞生和发展过程中,始终交织着学科的"分化"与"融合",除了上述尺度(scale)上的分化以外还有着所谓的石油化工、精细化工、高分子化工等专业上的分化;另一方面,作为近代工程技术,它又是自然科学(化学、物理等)和技术科学(机械、材料等)的融合。正如物理学家普朗克(Planck)所指出的:"科学是内在的整体,它被分解为单独的部分不是取决于事物的本身,而是取决于人类认识能力的局限性,实际上存在着从物理到化学,通过生物学和人类学到社会学的连续的链条,这是任何一处都不能被打断的链条。"事实上,当化学工程学科的核心发展到"非线性混沌系统"时,实现科学的融合已是其客观系统性的需要,它需要强有力的非线性解算能力和综合分析能力。基于人工智能和神经生物学的人工神经网络(ArtificialNeuralNetworks)技术为这种系统性的融合提供了新的思路和途径。人工神经网络特有的信息处理能力在愈来愈多的领域中展现出广阔的应用前景,它具有如下特点[9,10]:
①学习:神经网络可以根据外界环境修改自身行为,这使它比其他任何方法接受自身感兴趣的外界信息更敏感。
②概括:经过学习训练后,神经网络的响应在某种程度上能够对外界信息的少量丢失或自身组织的局部缺损不再很敏感,反映了神经网络的健壮性(鲁棒性),即工程上说的"容错"能力。
③抽取:神经网络具有抽取外界输入信息特征的特殊功能,在某种意义上可以说它能"创造"出未见的事物。
④模拟:神经网络由众多的神经元组成,以并行的方式处理信息,大大加快了运行速度,可以逼近任意复杂的非线性系统。
当然,神经网络并非十全十美,其自身的发展就曾经历过相当曲折的过程,但是,人工神经网络(ANNs)特性的融合将是化学工程学科发展到非线性核心系统的自组织适应和需要。例如采用神经网络设计的控制系统,适应性、稳定性和智能性均较好,能处理复杂工艺过程的控制问题,也使得化学工程师不但也是机械工程师,还首先是系统工程师,并能从最一般的非线性原理出发,解决实际过程的创新、应用、开发、生产等问题。
生产力的不断发展,科学技术的持续进步,人类认识自然和改造自然的不断深化,化学工程学科必将不断"分化"和"融合",体现出和谐系统的无限发展性质。
参考文献
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