糧食發(fā)酵中試實驗室管理探思
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[摘要]中試實驗室在高校的實踐教學(xué)、科研工作中發(fā)揮著重要的作用，中試實驗室的建設(shè)和管理是一個綜合的系統(tǒng)工程，涉及到方方面面很多因素，需要配套相應(yīng)的運行機制、保障機制、激勵機制、評價機制等相關(guān)規(guī)章制度，才能保障實驗室有效運行。針對目前缺乏建設(shè)運行高校中試實驗室經(jīng)驗的現(xiàn)狀，基于我校中試實驗室建設(shè)運行的實際情況，提出了一些在中試實驗室場地設(shè)計及建設(shè)、中試線布局及設(shè)備選型、安全衛(wèi)生管理及實驗室效益提升等方面的經(jīng)驗教訓(xùn)供參考。
[關(guān)鍵詞]發(fā)酵；中試實驗室；運行；管理；思考
高校實驗室作為人才培養(yǎng)、科學(xué)研究和前沿技術(shù)創(chuàng)新的重要基地，其重要性是不言而喻的[1]。隨著高校教育水平和科研水平的提升，教學(xué)和科研對大型儀器設(shè)備的依賴性在不斷加大，中試實驗室在實踐教學(xué)與科研成果產(chǎn)業(yè)化過程中的支撐作用也日益增強。然而，長期以來，中試實驗室大多存在于龍頭企業(yè)和科研院所中，各高校因為資金和場地、人員等各方面的因素，中試實驗室建設(shè)未受到應(yīng)有的重視。這對于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)以及科研成果的轉(zhuǎn)化造成很多不便。我校糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實驗室中試實驗室(以下簡稱國工中試實驗室)2011年獲得國家發(fā)展與改革委員會批準(zhǔn)開始建設(shè)，由國家發(fā)改委、教育部和學(xué)校共同撥付資金建設(shè)，2014年通過驗收。開始服務(wù)于本科實踐教學(xué)與校內(nèi)外科研成果的中試試驗，主要功能和定位是開展糧食發(fā)酵工程化技術(shù)試驗，實施糧食發(fā)酵產(chǎn)品中試加工與生產(chǎn)，樹立工程化技術(shù)示范，培訓(xùn)和培養(yǎng)糧食工程化科技人才。在多年的建設(shè)管理過程中積累了一些經(jīng)驗和教訓(xùn)，在此整理出來供相關(guān)同行探討。
1國工中試實驗室建設(shè)概況
中試實驗室所在大樓建筑主體層數(shù)為3層，局部2層，主要用房設(shè)計為大開間單元，局部設(shè)夾層辦公及實驗室以充分利用層高空間。中試實驗室位于1樓，建筑面積1500m2，層高6米，室內(nèi)分為南北兩大區(qū)域。南半?yún)^(qū)設(shè)有夾層，上半層設(shè)計為實驗室，作為本科實踐教學(xué)及中試產(chǎn)品指標(biāo)分析用；下半層設(shè)計為GMP包裝間、精密儀器室、原料間及冷庫等。北半?yún)^(qū)主要設(shè)計為對層高有較高要求的大中型設(shè)備擺放區(qū)域。經(jīng)過建設(shè)期不斷的建設(shè)和完善，中試實驗室目前已經(jīng)建成糧食深加工、厭氧發(fā)酵、好氧發(fā)酵、分離提取與包裝等4條中試試驗線和一個用來檢測分析的精密儀器室。糧食深加工中試線：由原料預(yù)處理、標(biāo)準(zhǔn)化、液化、固液分離、酶解、濃縮、干燥等七個獨立系統(tǒng)組成，七個系統(tǒng)緊密結(jié)合，可以組合聯(lián)動模擬工廠進行連續(xù)生產(chǎn)，還能單獨使用進行加工過程中工藝參數(shù)的摸索。厭氧發(fā)酵中試線：包括啤酒和黃酒兩套中試設(shè)備，主要用于兩種酒類工業(yè)化生產(chǎn)前的放大化實驗，以確認(rèn)技術(shù)工藝的可行性。具體包括菌種的性能測試，原料的利用開發(fā)、工藝參數(shù)控制的改變和新品種的開發(fā)等。通風(fēng)發(fā)酵中試線：擁有15套5-30L通風(fēng)發(fā)酵罐及15-200-1000L中試研發(fā)生產(chǎn)線，除了常規(guī)在線檢測外，還配備了目前世界上最先進的在線檢測儀器，包括在線液相、在線質(zhì)譜、在線粒徑、尾氣分析、活細(xì)胞濃度在線分析等。分離提取與包裝中試線：該中試線由分離提取和GMP包裝兩部分組成，擁有高壓均質(zhì)機、真空凍干干燥機、臥式螺旋離心機、碟片離心機、高壓模擬移動床和中試膜過濾系統(tǒng)等設(shè)備，可根據(jù)不同物料的性質(zhì)加以選擇組合，GMP包裝區(qū)可實現(xiàn)萬級潔凈包裝。精密儀器室：主要用來安裝液質(zhì)聯(lián)用、氣質(zhì)聯(lián)用、質(zhì)譜等對環(huán)境條件要求較高的精密檢測設(shè)備。
2基于中試實驗室建設(shè)工作的思考
2.1中試實驗室場地設(shè)計及建設(shè)
實驗室大樓在土建工程設(shè)計之前應(yīng)充分考慮中試實驗室的用途和需求，以及中試實驗室對空間布局、水、電、氣、通風(fēng)、排污等方面要求?，F(xiàn)代化實驗室的設(shè)計前提之一是大樓的設(shè)計要與實驗室設(shè)計相適應(yīng)。大樓土建只是實現(xiàn)實驗室功能需求的載體，服務(wù)于實驗室的專業(yè)個性化需求才是其目的。許多舊實驗大樓的通病之一即先有大樓后有實驗室，往往實驗室的設(shè)計要遷就實驗大樓原有格局，使得實驗室在功能上存在缺陷，甚至在安全方面也存在硬傷[2]。國工中試實驗室在設(shè)計建設(shè)及運行過程中發(fā)現(xiàn)以下設(shè)計對實驗室影響較大：層高：工程實驗室大樓在設(shè)計之初，充分考慮到了中試設(shè)備對層高的需求，將層高設(shè)計為6米，基本滿足了大多數(shù)中試設(shè)備(升降膜蒸發(fā)器、氣流干燥機、酒精蒸餾塔)等的需求。參觀走廊：工程實驗室大樓在一樓設(shè)計了參觀走廊，設(shè)計之初是考慮到后期學(xué)生的認(rèn)知學(xué)習(xí)以及同行參觀交流，可以不進實驗室直接通過走廊完成，然而在實際運用過程中，由于一樓安裝了較多的大中型設(shè)備，阻擋了視線。走廊發(fā)揮不了應(yīng)有的作用，并且由于增加了參觀走廊，使得一樓實驗室與外墻被隔開，嚴(yán)重影響了實驗室照明和通風(fēng)效果，引起了一系列問題。中試實驗室在正常工作時間內(nèi)，必須開燈才能瞞住光照效果，實驗室建樓時安裝室內(nèi)照明燈48只，在2019年我們申請更換LED節(jié)能燈之前每年光照明用電就需要接近3萬度。同時由于通風(fēng)不暢，室內(nèi)使用蒸汽加熱及保溫的設(shè)備排出的大量蒸汽無法及時排出室外，夏季室內(nèi)溫度基本在40℃以上，且大量的濕熱氣體造成了墻皮脫落、鑄鐵電機腐蝕、電控原件易損等問題。如果將參觀走廊設(shè)計在一層半的位置，東邊進西邊出，從高往下看，視線較好。老師講解也方便，學(xué)生認(rèn)知學(xué)習(xí)效果也就越好。動力柜：中試實驗室原有動力柜7個，為建樓時裝備，原始控制柜只有總開配備漏電保護裝置，各分路無漏電保護措施，隨著儀器設(shè)備的不斷增加，各分路陸續(xù)被投入使用，18年11月份中試實驗室一路照明燈損壞后短路造成總閘跳電。影響了實驗室內(nèi)正在使用的好氧發(fā)酵罐等精密儀器。用電方面的安全隱患暴露出來，為保證實驗室人員及儀器設(shè)備安全，平穩(wěn)運行各精密儀器，2019年我們聯(lián)系相關(guān)專業(yè)廠家對所有動力柜實施了改造。地面及排污：中試實驗室地面鋪設(shè)之前應(yīng)該充分考慮后期實驗室運行過程中可能遇到的靜電、腐蝕、地面清洗排水等各種問題。特別是食品發(fā)酵類實驗室接觸有機酸堿較多，應(yīng)該盡可能鋪設(shè)抗酸堿腐蝕地面。中試設(shè)備清洗過程中產(chǎn)生污水較多，實驗室排污下水道必須表面光滑，排污通暢。
2.2中試試驗線布局及設(shè)備選型
試驗線布局宜以安全、綠色、人性化、可持續(xù)化為前提，以滿足實驗室的主要功能及特殊要求為原則，構(gòu)建規(guī)劃合理、布局科學(xué)的實驗室，從而降低運行風(fēng)險、提高使用效率、減少能耗損失，滿足中試工作的需求[3]。國工中試實驗室主要服務(wù)于學(xué)校輕工技術(shù)與工程、食品科學(xué)與工程兩個一流建設(shè)學(xué)科。針對這兩個學(xué)科的特點，為實現(xiàn)厭氧發(fā)酵、好氧發(fā)酵、后分離提取等功能，以這些功能為模塊建設(shè)了對應(yīng)的三條中試試驗線。為模擬生產(chǎn)淀粉、蛋白粉、淀粉糖等產(chǎn)品，以這些產(chǎn)品生產(chǎn)線為模塊建設(shè)了糧食深加工中試試驗線，整個糧食深加工中試線各設(shè)備單元以25mm不銹鋼固定管路連接，整個中試線就是一座迷你型小工廠，可以實現(xiàn)將谷物(大米、小麥)等原料加工成產(chǎn)品(淀粉、蛋白粉、淀粉糖)的整個生產(chǎn)過程。在實際使用過程中，我們發(fā)現(xiàn)：以單機設(shè)備為單元，以實現(xiàn)某一項具體功能為模塊組合起來的中試線，在應(yīng)用中更具有優(yōu)勢。從近6年的設(shè)備預(yù)約使用情況看：開單機的次數(shù)最高，同時運行整個產(chǎn)線和中試線的次數(shù)寥寥無幾。由此造成了中試線中部分設(shè)備使用率非常低，且固定管路中存在死角較多，清洗困難。因此建議：建立中試線不用追求大而全，可以使用模塊化方式來建立：以功能為模塊來搭建組合設(shè)備單元，如原料粉碎模塊可以組合各類干濕法粉碎機、球磨機、篩分機。固液分離模塊可以組合各類離心機、膜分離設(shè)備、色譜分離設(shè)備及其對應(yīng)儲罐。生化反應(yīng)模塊可以組合各類調(diào)漿罐、保溫反應(yīng)罐及其附屬調(diào)溫設(shè)備等等，各模塊內(nèi)可采用固定管道連接，模塊與模塊之間則采用活動軟管連接。當(dāng)需要生產(chǎn)某類具體產(chǎn)品時，可以靈活組合所需要的功能模塊來臨時組建成產(chǎn)品中試線。同時各模塊要為后續(xù)新增設(shè)備及設(shè)備更新預(yù)留空間。在布局各模塊時，要整體考慮模塊之間的相互影響。比如：原料粉碎模塊產(chǎn)生噪音及震動較大應(yīng)遠離精密儀器室。生化反應(yīng)模塊易產(chǎn)生高溫應(yīng)盡量遠離冷庫及原料儲存間。關(guān)于中試實驗室設(shè)備選型：在申報設(shè)備采購清單時盡量選擇通用設(shè)備，避免采購專業(yè)性太強的設(shè)備(如某些設(shè)備只有某個研究方向或者某個課題組才能用到)。中試實驗室服務(wù)于整個校內(nèi)外，通用設(shè)備才能保證設(shè)備的使用效率。專業(yè)性太強的設(shè)備即占用有限的設(shè)備采購費又占用中試實驗室空間。
3基于中試實驗室運行管理工作的思考
3.1人員設(shè)備安全管理
高校實驗室按照用途分類，既有教學(xué)實驗室，又有科研實驗室，也有實訓(xùn)基地[4]。實驗室由于其自身的功能屬性，針對不同學(xué)科需求，需要進行儀器設(shè)備操作、化學(xué)實驗等，存在眾多安全隱患，如水、電、氣、危險化學(xué)品、高溫、高壓、生物危害等，稍有不慎，就可能對人員、設(shè)備造成危害，而且很多安全隱患具有隱蔽性，容易被忽略[5-7]。尤其是中試實驗室，安裝有較多的大中型儀器設(shè)備，功率大、轉(zhuǎn)速高。部分設(shè)備還需要鍋爐供氣加熱。安全風(fēng)險更大。國工中試實驗室既是教學(xué)實驗室(承擔(dān)生物工程學(xué)院生物技術(shù)、生物工程與釀酒工程8個班級發(fā)酵工藝綜合大實驗的教學(xué)任務(wù))，也是科研實驗室(為校內(nèi)外提供中試服務(wù))。每年還要接待大量的其它企事業(yè)單位領(lǐng)導(dǎo)及同行參觀交流。安全風(fēng)險大，安全形勢異常嚴(yán)峻。為了做好安全工作，通過不斷實踐我們著重采取以下措施：首先完善管理制度、明確責(zé)任：人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)是造成事故發(fā)生的直接原因，大多數(shù)事故是由人的不安全行為引起的[8]。人是實驗室安全管理中最重要的且是管理難度最大的因素，要用制度管理人，用責(zé)任約束人才能發(fā)生安全事故的概率降到最低[9]。國工中試實驗室在運行過程中根據(jù)實際需要，先后制定了《中試平臺安全準(zhǔn)入管理規(guī)定》、《中式平臺安全細(xì)則》、《中試平臺設(shè)備預(yù)約使用管理規(guī)定》、《中式平臺預(yù)約參觀管理規(guī)定》、《中試平臺重點設(shè)備操作要點》、《中試平臺應(yīng)急預(yù)案》等等一系列管理制度。明確責(zé)任這一塊，首先確定了整個中試實驗室的一級責(zé)任人，并確定了每一臺設(shè)備的安全責(zé)任人，將責(zé)任人的聯(lián)系電話附在銘牌上，學(xué)生在使用設(shè)備過程中出現(xiàn)緊急情況可以第一時間聯(lián)系上責(zé)任人。其次開展多層次安全檢查、落實整改：除了學(xué)校定期的安全檢查外，積極邀請學(xué)院安全檢查團隊檢查中試實驗室，幫助發(fā)現(xiàn)隱藏的安全隱患。中試實驗室自身也安排了安全檢查值日表，定期檢查各中試線安全隱患。檢查只是發(fā)現(xiàn)問題的手段，整改才是消除安全隱患的有效方法。每次檢查發(fā)現(xiàn)的問題都出具整改通知書、規(guī)定整改期限及復(fù)查日期，要求責(zé)任人簽收。張貼在安全隱患位置。整改期間嚴(yán)禁使用相關(guān)設(shè)備及設(shè)施。在責(zé)任人整改完畢通過復(fù)查后，出具解除安全隱患通知書，責(zé)任人簽收后方可使用相關(guān)設(shè)備設(shè)施。最后就是不斷完善安全設(shè)施：中試實驗室投入運行后，先后安裝了門禁管理系統(tǒng)和實驗室監(jiān)控系統(tǒng)。中試設(shè)備預(yù)約系統(tǒng)與門禁系統(tǒng)連通，預(yù)約使用設(shè)備的同學(xué)只能在預(yù)約時間內(nèi)刷卡進入實驗室。還根據(jù)實驗室特點，配備了相應(yīng)的消防設(shè)施、有毒試劑安全柜、緊急噴淋、洗眼器等，同時還為實驗人員配備了必要的個人防護護具，如防護服、防護眼鏡、防燙手套、急救箱等。
3.2儀器設(shè)備運行效率及效益管理
中試實驗室大型儀器設(shè)備較多，如何保證設(shè)備運行效率提高實驗室效益是保障實驗室可持續(xù)運行的必要前提。儀器設(shè)備運行效率和效益最大化的原則是合理配置，高效實用[10]。在多年的運行實踐中，我們獲得以下經(jīng)驗：關(guān)于儀器設(shè)備購置：平臺在購置大型儀器設(shè)備前必須科學(xué)論證，除考慮學(xué)科或科研的需要外，要更多地考慮學(xué)校層面的統(tǒng)一規(guī)劃，避免出現(xiàn)重復(fù)購置等問題。購置某臺設(shè)備前可以借助學(xué)校的資產(chǎn)管理系統(tǒng)，查詢學(xué)校是否已經(jīng)有了這種設(shè)備、有多少臺、分布于哪些平臺、近幾年使用率如何。弄清了這些問題，就不難判斷是否需要購置這臺設(shè)備。而對于只是某些課題或者某個研究方向偶爾需要使用的設(shè)備，可以聯(lián)系相關(guān)設(shè)備生產(chǎn)廠家，廠家一般都有試驗機，可以簽訂協(xié)議后，去廠家使用相關(guān)設(shè)備，只需要付一些使用費即可。18年前我們中試實驗室沒有中試型噴霧干燥機，處理后的反應(yīng)液都是送到市內(nèi)做噴霧干燥機的廠家進行噴霧干燥。同樣滿足了課題組的整個中試實驗。關(guān)于設(shè)備共享：要充分利用多種渠道擴大設(shè)備共享規(guī)模，比如學(xué)校的大儀共享系統(tǒng)、江蘇省大型儀器共享平臺、中國科協(xié)的綠平臺等，實現(xiàn)跨室、跨專業(yè)、跨院、跨地區(qū)、跨領(lǐng)域的資源共享，在充分滿足實驗教學(xué)和科研工作的同時，面向全校，面向社會實行有償服務(wù)。制定各種有關(guān)收費標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)費使用等管理制度，形成良性循環(huán)機制，“以機養(yǎng)機”。關(guān)于設(shè)備運行維修費用問題：各類儀器設(shè)備，特別是大型儀器設(shè)備“過?！焙?，如果沒有專門的維修經(jīng)費保障，儀器設(shè)備發(fā)生故障或損壞后遲遲得不到維修，使用壽命將大大縮短，甚至需要提前報廢。國工中試實驗室在剛剛運行的前幾年，各設(shè)備使用收費較少，學(xué)校每年下?lián)艿木S修費只能保證空壓機、蒸汽發(fā)生器等公用設(shè)備的維護保養(yǎng)，而一些易損件諸如各種檢測電極、粉碎機刀頭得不到及時維護，影響了設(shè)備正常運轉(zhuǎn)。后期隨著共享的擴大、設(shè)備使用率提高，收取的中試費用也進一步增加，大大緩解了維修費不足的窘境。同時我們也完善了相關(guān)設(shè)備維修保養(yǎng)制度：比如建立了儀器設(shè)備的運行維修檔案，定期對儀器設(shè)備進行常規(guī)維護，發(fā)現(xiàn)問題及時登記解決，并詳細(xì)記錄故障現(xiàn)象、原因、維修情況及結(jié)果。使設(shè)備管理人更全面了解儀器設(shè)備，后期再出現(xiàn)類似故障，自己就可以解決。關(guān)于調(diào)動實驗技術(shù)人員積極性：要建立合理的分配激勵制度，從儀器設(shè)備收費中設(shè)立專項基金鼓勵實驗技術(shù)人員提高專業(yè)技術(shù)水平。通過有計劃的崗前培訓(xùn)、安全培訓(xùn)、業(yè)務(wù)培訓(xùn)、進修等，從各方面調(diào)動實驗技術(shù)人員的積極性，同時拿出部分資金獎勵設(shè)備使用效率和效益高的實驗技術(shù)人員。避免出現(xiàn)“用與不用一個樣”、“用多用少一個樣”、“用好用壞一個樣”的消極、懈怠情緒。
3.3環(huán)境衛(wèi)生管理
國工中試實驗室面積有1500m2，每2~3天就會有一批客人參觀交流，同時還要開展大量的中試試驗，中試試驗本身用到的原料和各類儀器設(shè)備較多，占用場地面積也較大，試驗結(jié)束后儀器設(shè)備需要清洗、原輔料需要運走或者存儲。中試實驗室實驗技術(shù)人員只有5人，每一位都負(fù)責(zé)了10幾臺大型儀器設(shè)備的運行維護，不可能做到每天整理清潔，如何做好環(huán)境衛(wèi)生整潔，重點是保持和管理。以糧食深加工中試線為例：首先用警示膠帶劃定了移動設(shè)備、輔助設(shè)備、常用連接軟管、實驗人員自帶物品等的擺放區(qū)域。每一位進入實驗室的老師和學(xué)生開展實驗前要簽訂中試線環(huán)境衛(wèi)生管理規(guī)范：明確標(biāo)明各物品擺放區(qū)域，實驗前后環(huán)境衛(wèi)生整理標(biāo)準(zhǔn)，如：實驗過程中如果遺漏有淀粉漿，當(dāng)天打掃干凈后，在地面較濕的情況下看不出來哪里有遺漏。第二天必須要過來檢查一下，發(fā)現(xiàn)有遺漏的地方重新打掃干凈。經(jīng)過設(shè)備管理員確認(rèn)后才算結(jié)束整個中試試驗。而對于進入實驗室進行實踐教學(xué)的班級，嚴(yán)格劃分活動區(qū)域，只允許在限定范圍內(nèi)開展實踐教學(xué)活動。既保證了安全，由減少了整理打掃的區(qū)域。
4結(jié)語
中試實驗室在高校的實踐教學(xué)、科研工作中發(fā)揮著重要的作用。是提高學(xué)生工程素質(zhì)、能力和鍛煉科研創(chuàng)新能力的支撐平臺，將為校企之間開展技術(shù)合作與交流創(chuàng)造更多機會，同時大大縮短學(xué)生從學(xué)校到生產(chǎn)企業(yè)后的適應(yīng)期，提高學(xué)生的就業(yè)競爭力。中試實驗室的建設(shè)和管理是一個綜合的系統(tǒng)工程，涉及到方方面面很多因素，需要配套相應(yīng)的運行機制、保障機制、激勵機制、評價機制等相關(guān)規(guī)章制度，才能保障實驗室有效運行。一個運行良好的中試實驗室可以保證其使用效益得到充分發(fā)揮，更好地支撐高校教學(xué)與科研工作的開展，促進實驗室效益的最大化。提升學(xué)校的綜合競爭能力。高校中試實驗室的建設(shè)、運行和管理尚有許多值得深入思考的地方。
作者:余培斌 曹春蕾 蔡國林 單位:江南大學(xué)糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實驗室
