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、科研工作中發(fā)揮著重要的作用，中試實驗室的建設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，需要配套相應的運行機制、保障機制、激勵機制、評價機制等相關規(guī)章制度，才能保障實驗室有效運行。針對目前缺乏建設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運行的實際情況，提出了一些在中試實驗室場地設計及建設、中試線布局及設備選型、安全衛(wèi)生管理及實驗室效益提升等方面的經(jīng)驗教訓供參考。

[關鍵詞]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)、科學研究和前沿技術創(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，教學和科研對大型儀器設備的依賴性在不斷加大，中試實驗室在實踐教學與科研成果產(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，中試實驗室建設未受到應有的重視。這對于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)以及科研成果的轉化造成很多不便。我校糧食發(fā)酵工藝與技術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開始建設，由國家發(fā)改委、教育部和學校共同撥付資金建設，2014年通過驗收。開始服務于本科實踐教學與校內(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)，樹立工程化技術示范，培訓和培養(yǎng)糧食工程化科技人才。在多年的建設管理過程中積累了一些經(jīng)驗和教訓，在此整理出來供相關同行探討。

1國工中試實驗室建設概況

中試實驗室所在大樓建筑主體層數(shù)為3層，局部2層，主要用房設計為大開間單元，局部設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)設有夾層，上半層設計為實驗室，作為本科實踐教學及中試產(chǎn)品指標分析用；下半層設計為GMP包裝間、精密儀器室、原料間及冷庫等。北半?yún)^(qū)主要設計為對層高有較高要求的大中型設備擺放區(qū)域。經(jīng)過建設期不斷的建設和完善，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：由原料預處理、標準化、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，以確認技術工藝的可行性。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。通風發(fā)酵中試線：擁有15套5-30L通風發(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、在線質譜、在線粒徑、尾氣分析、活細胞濃度在線分析等。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)等設備，可根據(jù)不同物料的性質加以選擇組合，GMP包裝區(qū)可實現(xiàn)萬級潔凈包裝。精密儀器室：主要用來安裝液質聯(lián)用、氣質聯(lián)用、質譜等對環(huán)境條件要求較高的精密檢測設備。

2基于中試實驗室建設工作的思考

2.1中試實驗室場地設計及建設

實驗室大樓在土建工程設計之前應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、排污等方面要求?，F(xiàn)代化實驗室的設計前提之一是大樓的設計要與實驗室設計相適應。大樓土建只是實現(xiàn)實驗室功能需求的載體，服務于實驗室的專業(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計建設及運行過程中發(fā)現(xiàn)以下設計對實驗室影響較大：層高：工程實驗室大樓在設計之初，充分考慮到了中試設備對層高的需求，將層高設計為6米，基本滿足了大多數(shù)中試設備(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計了參觀走廊，設計之初是考慮到后期學生的認知學習以及同行參觀交流，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備，阻擋了視線。走廊發(fā)揮不了應有的作用，并且由于增加了參觀走廊，使得一樓實驗室與外墻被隔開，嚴重影響了實驗室照明和通風效果，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。同時由于通風不暢，室內(nèi)使用蒸汽加熱及保溫的設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，學生認知學習效果也就越好。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備安全，平穩(wěn)運行各精密儀器，2019年我們聯(lián)系相關專業(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之前應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，應該盡可能鋪設抗酸堿腐蝕地面。中試設備清洗過程中產(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，構建規(guī)劃合理、布局科學的實驗室，從而降低運行風險、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于學校輕工技術與工程、食品科學與工程兩個一流建設學科。針對這兩個學科的特點，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了對應的三條中試試驗線。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)線為模塊建設了糧食深加工中試試驗線，整個糧食深加工中試線各設備單元以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，在應用中更具有優(yōu)勢。從近6年的設備預約使用情況看：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、膜分離設備、色譜分離設備及其對應儲罐。生化反應模塊可以組合各類調(diào)漿罐、保溫反應罐及其附屬調(diào)溫設備等等，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)新增設備及設備更新預留空間。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遠離精密儀器室。生化反應模塊易產(chǎn)生高溫應盡量遠離冷庫及原料儲存間。關于中試實驗室設備選型：在申報設備采購清單時盡量選擇通用設備，避免采購專業(yè)性太強的設備(如某些設備只有某個研究方向或者某個課題組才能用到)。中試實驗室服務于整個校內(nèi)外，通用設備才能保證設備的使用效率。專業(yè)性太強的設備即占用有限的設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人員設備安全管理

高校實驗室按照用途分類，既有教學實驗室，又有科研實驗室，也有實訓基地[4]。實驗室由于其自身的功能屬性，針對不同學科需求，需要進行儀器設備操作、化學實驗等，存在眾多安全隱患，如水、電、氣、危險化學品、高溫、高壓、生物危害等，稍有不慎，就可能對人員、設備造成危害，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備，功率大、轉速高。部分設備還需要鍋爐供氣加熱。安全風險更大。國工中試實驗室既是教學實驗室(承擔生物工程學院生物技術、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任務)，也是科研實驗室(為校內(nèi)外提供中試服務)。每年還要接待大量的其它企事業(yè)單位領導及同行參觀交流。安全風險大，安全形勢異常嚴峻。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《中試平臺安全準入管理規(guī)定》、《中式平臺安全細則》、《中試平臺設備預約使用管理規(guī)定》、《中式平臺預約參觀管理規(guī)定》、《中試平臺重點設備操作要點》、《中試平臺應急預案》等等一系列管理制度。明確責任這一塊，首先確定了整個中試實驗室的一級責任人，并確定了每一臺設備的安全責任人，將責任人的聯(lián)系電話附在銘牌上，學生在使用設備過程中出現(xiàn)緊急情況可以第一時間聯(lián)系上責任人。其次開展多層次安全檢查、落實整改：除了學校定期的安全檢查外，積極邀請學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)定整改期限及復查日期，要求責任人簽收。張貼在安全隱患位置。整改期間嚴禁使用相關設備及設施。在責任人整改完畢通過復查后，出具解除安全隱患通知書，責任人簽收后方可使用相關設備設施。最后就是不斷完善安全設施：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)。中試設備預約系統(tǒng)與門禁系統(tǒng)連通，預約使用設備的同學只能在預約時間內(nèi)刷卡進入實驗室。還根據(jù)實驗室特點，配備了相應的消防設施、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儀器設備運行效率及效益管理

中試實驗室大型儀器設備較多，如何保證設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：關于儀器設備購置：平臺在購置大型儀器設備前必須科學論證，除考慮學科或科研的需要外，要更多地考慮學校層面的統(tǒng)一規(guī)劃，避免出現(xiàn)重復購置等問題。購置某臺設備前可以借助學校的資產(chǎn)管理系統(tǒng)，查詢學校是否已經(jīng)有了這種設備、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備，可以聯(lián)系相關設備生產(chǎn)廠家，廠家一般都有試驗機，可以簽訂協(xié)議后，去廠家使用相關設備，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。關于設備共享：要充分利用多種渠道擴大設備共享規(guī)模，比如學校的大儀共享系統(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)、跨領域的資源共享，在充分滿足實驗教學和科研工作的同時，面向全校，面向社會實行有償服務。制定各種有關收費標準、經(jīng)費使用等管理制度，形成良性循環(huán)機制，“以機養(yǎng)機”。關于設備運行維修費用問題：各類儀器設備，特別是大型儀器設備“過保”后，如果沒有專門的維修經(jīng)費保障，儀器設備發(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，各設備使用收費較少，學校每年下?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，影響了設備正常運轉。后期隨著共享的擴大、設備使用率提高，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設備維修保養(yǎng)制度：比如建立了儀器設備的運行維修檔案，定期對儀器設備進行常規(guī)維護，發(fā)現(xiàn)問題及時登記解決，并詳細記錄故障現(xiàn)象、原因、維修情況及結果。使設備管理人更全面了解儀器設備，后期再出現(xiàn)類似故障，自己就可以解決。關于調(diào)動實驗技術人員積極性：要建立合理的分配激勵制度，從儀器設備收費中設立專項基金鼓勵實驗技術人員提高專業(yè)技術水平。通過有計劃的崗前培訓、安全培訓、業(yè)務培訓、進修等，從各方面調(diào)動實驗技術人員的積極性，同時拿出部分資金獎勵設備使用效率和效益高的實驗技術人員。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備較多，占用場地面積也較大，試驗結束后儀器設備需要清洗、原輔料需要運走或者存儲。中試實驗室實驗技術人員只有5人，每一位都負責了10幾臺大型儀器設備的運行維護，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備、輔助設備、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：明確標明各物品擺放區(qū)域，實驗前后環(huán)境衛(wèi)生整理標準，如：實驗過程中如果遺漏有淀粉漿，當天打掃干凈后，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)過設備管理員確認后才算結束整個中試試驗。而對于進入實驗室進行實踐教學的班級，嚴格劃分活動區(qū)域，只允許在限定范圍內(nèi)開展實踐教學活動。既保證了安全，由減少了整理打掃的區(qū)域。

4結語

中試實驗室在高校的實踐教學、科研工作中發(fā)揮著重要的作用。是提高學生工程素質、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合作與交流創(chuàng)造更多機會，同時大大縮短學生從學校到生產(chǎn)企業(yè)后的適應期，提高學生的就業(yè)競爭力。中試實驗室的建設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，需要配套相應的運行機制、保障機制、激勵機制、評價機制等相關規(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與科研工作的開展，促進實驗室效益的最大化。提升學校的綜合競爭能力。高校中試實驗室的建設、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:江南大學糧食發(fā)酵工藝與技術國家工程實驗室