粮食发酵中试实验室管理探思

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[摘要]中试实验室在高校的实践教学、科研工作中发挥着重要的作用，中试实验室的建设和管理是一个综合的系统工程，涉及到方方面面很多因素，需要配套相应的运行机制、保障机制、激励机制、评价机制等相关规章制度，才能保障实验室有效运行。针对目前缺乏建设运行高校中试实验室经验的现状，基于我校中试实验室建设运行的实际情况，提出了一些在中试实验室场地设计及建设、中试线布局及设备选型、安全卫生管理及实验室效益提升等方面的经验教训供参考。

[关键词]发酵；中试实验室；运行；管理；思考

高校实验室作为人才培养、科学研究和前沿技术创新的重要基地，其重要性是不言而喻的[1]。随着高校教育水平和科研水平的提升，教学和科研对大型仪器设备的依赖性在不断加大，中试实验室在实践教学与科研成果产业化过程中的支撑作用也日益增强。然而，长期以来，中试实验室大多存在于龙头企业和科研院所中，各高校因为资金和场地、人员等各方面的因素，中试实验室建设未受到应有的重视。这对于创新人才的培养以及科研成果的转化造成很多不便。我校粮食发酵工艺与技术国家工程实验室中试实验室(以下简称国工中试实验室)2011年获得国家发展与改革委员会批准开始建设，由国家发改委、教育部和学校共同拨付资金建设，2014年通过验收。开始服务于本科实践教学与校内外科研成果的中试试验，主要功能和定位是开展粮食发酵工程化技术试验，实施粮食发酵产品中试加工与生产，树立工程化技术示范，培训和培养粮食工程化科技人才。在多年的建设管理过程中积累了一些经验和教训，在此整理出来供相关同行探讨。

1国工中试实验室建设概况

中试实验室所在大楼建筑主体层数为3层，局部2层，主要用房设计为大开间单元，局部设夹层办公及实验室以充分利用层高空间。中试实验室位于1楼，建筑面积1500m2，层高6米，室内分为南北两大区域。南半区设有夹层，上半层设计为实验室，作为本科实践教学及中试产品指标分析用；下半层设计为GMP包装间、精密仪器室、原料间及冷库等。北半区主要设计为对层高有较高要求的大中型设备摆放区域。经过建设期不断的建设和完善，中试实验室目前已经建成粮食深加工、厌氧发酵、好氧发酵、分离提取与包装等4条中试试验线和一个用来检测分析的精密仪器室。粮食深加工中试线：由原料预处理、标准化、液化、固液分离、酶解、浓缩、干燥等七个独立系统组成，七个系统紧密结合，可以组合联动模拟工厂进行连续生产，还能单独使用进行加工过程中工艺参数的摸索。厌氧发酵中试线：包括啤酒和黄酒两套中试设备，主要用于两种酒类工业化生产前的放大化实验，以确认技术工艺的可行性。具体包括菌种的性能测试，原料的利用开发、工艺参数控制的改变和新品种的开发等。通风发酵中试线：拥有15套5-30L通风发酵罐及15-200-1000L中试研发生产线，除了常规在线检测外，还配备了目前世界上最先进的在线检测仪器，包括在线液相、在线质谱、在线粒径、尾气分析、活细胞浓度在线分析等。分离提取与包装中试线：该中试线由分离提取和GMP包装两部分组成，拥有高压均质机、真空冻干干燥机、卧式螺旋离心机、碟片离心机、高压模拟移动床和中试膜过滤系统等设备，可根据不同物料的性质加以选择组合，GMP包装区可实现万级洁净包装。精密仪器室：主要用来安装液质联用、气质联用、质谱等对环境条件要求较高的精密检测设备。

2基于中试实验室建设工作的思考

2.1中试实验室场地设计及建设

实验室大楼在土建工程设计之前应充分考虑中试实验室的用途和需求，以及中试实验室对空间布局、水、电、气、通风、排污等方面要求。现代化实验室的设计前提之一是大楼的设计要与实验室设计相适应。大楼土建只是实现实验室功能需求的载体，服务于实验室的专业个性化需求才是其目的。许多旧实验大楼的通病之一即先有大楼后有实验室，往往实验室的设计要迁就实验大楼原有格局，使得实验室在功能上存在缺陷，甚至在安全方面也存在硬伤[2]。国工中试实验室在设计建设及运行过程中发现以下设计对实验室影响较大：层高：工程实验室大楼在设计之初，充分考虑到了中试设备对层高的需求，将层高设计为6米，基本满足了大多数中试设备(升降膜蒸发器、气流干燥机、酒精蒸馏塔)等的需求。参观走廊：工程实验室大楼在一楼设计了参观走廊，设计之初是考虑到后期学生的认知学习以及同行参观交流，可以不进实验室直接通过走廊完成，然而在实际运用过程中，由于一楼安装了较多的大中型设备，阻挡了视线。走廊发挥不了应有的作用，并且由于增加了参观走廊，使得一楼实验室与外墙被隔开，严重影响了实验室照明和通风效果，引起了一系列问题。中试实验室在正常工作时间内，必须开灯才能瞒住光照效果，实验室建楼时安装室内照明灯48只，在2019年我们申请更换LED节能灯之前每年光照明用电就需要接近3万度。同时由于通风不畅，室内使用蒸汽加热及保温的设备排出的大量蒸汽无法及时排出室外，夏季室内温度基本在40℃以上，且大量的湿热气体造成了墙皮脱落、铸铁电机腐蚀、电控原件易损等问题。如果将参观走廊设计在一层半的位置，东边进西边出，从高往下看，视线较好。老师讲解也方便，学生认知学习效果也就越好。动力柜：中试实验室原有动力柜7个，为建楼时装备，原始控制柜只有总开配备漏电保护装置，各分路无漏电保护措施，随着仪器设备的不断增加，各分路陆续被投入使用，18年11月份中试实验室一路照明灯损坏后短路造成总闸跳电。影响了实验室内正在使用的好氧发酵罐等精密仪器。用电方面的安全隐患暴露出来，为保证实验室人员及仪器设备安全，平稳运行各精密仪器，2019年我们联系相关专业厂家对所有动力柜实施了改造。地面及排污：中试实验室地面铺设之前应该充分考虑后期实验室运行过程中可能遇到的静电、腐蚀、地面清洗排水等各种问题。特别是食品发酵类实验室接触有机酸碱较多，应该尽可能铺设抗酸碱腐蚀地面。中试设备清洗过程中产生污水较多，实验室排污下水道必须表面光滑，排污通畅。

2.2中试试验线布局及设备选型

试验线布局宜以安全、绿色、人性化、可持续化为前提，以满足实验室的主要功能及特殊要求为原则，构建规划合理、布局科学的实验室，从而降低运行风险、提高使用效率、减少能耗损失，满足中试工作的需求[3]。国工中试实验室主要服务于学校轻工技术与工程、食品科学与工程两个一流建设学科。针对这两个学科的特点，为实现厌氧发酵、好氧发酵、后分离提取等功能，以这些功能为模块建设了对应的三条中试试验线。为模拟生产淀粉、蛋白粉、淀粉糖等产品，以这些产品生产线为模块建设了粮食深加工中试试验线，整个粮食深加工中试线各设备单元以25mm不锈钢固定管路连接，整个中试线就是一座迷你型小工厂，可以实现将谷物(大米、小麦)等原料加工成产品(淀粉、蛋白粉、淀粉糖)的整个生产过程。在实际使用过程中，我们发现：以单机设备为单元，以实现某一项具体功能为模块组合起来的中试线，在应用中更具有优势。从近6年的设备预约使用情况看：开单机的次数最高，同时运行整个产线和中试线的次数寥寥无几。由此造成了中试线中部分设备使用率非常低，且固定管路中存在死角较多，清洗困难。因此建议：建立中试线不用追求大而全，可以使用模块化方式来建立：以功能为模块来搭建组合设备单元，如原料粉碎模块可以组合各类干湿法粉碎机、球磨机、筛分机。固液分离模块可以组合各类离心机、膜分离设备、色谱分离设备及其对应储罐。生化反应模块可以组合各类调浆罐、保温反应罐及其附属调温设备等等，各模块内可采用固定管道连接，模块与模块之间则采用活动软管连接。当需要生产某类具体产品时，可以灵活组合所需要的功能模块来临时组建成产品中试线。同时各模块要为后续新增设备及设备更新预留空间。在布局各模块时，要整体考虑模块之间的相互影响。比如：原料粉碎模块产生噪音及震动较大应远离精密仪器室。生化反应模块易产生高温应尽量远离冷库及原料储存间。关于中试实验室设备选型：在申报设备采购清单时尽量选择通用设备，避免采购专业性太强的设备(如某些设备只有某个研究方向或者某个课题组才能用到)。中试实验室服务于整个校内外，通用设备才能保证设备的使用效率。专业性太强的设备即占用有限的设备采购费又占用中试实验室空间。

3基于中试实验室运行管理工作的思考

3.1人员设备安全管理

高校实验室按照用途分类，既有教学实验室，又有科研实验室，也有实训基地[4]。实验室由于其自身的功能属性，针对不同学科需求，需要进行仪器设备操作、化学实验等，存在众多安全隐患，如水、电、气、危险化学品、高温、高压、生物危害等，稍有不慎，就可能对人员、设备造成危害，而且很多安全隐患具有隐蔽性，容易被忽略[5-7]。尤其是中试实验室，安装有较多的大中型仪器设备，功率大、转速高。部分设备还需要锅炉供气加热。安全风险更大。国工中试实验室既是教学实验室(承担生物工程学院生物技术、生物工程与酿酒工程8个班级发酵工艺综合大实验的教学任务)，也是科研实验室(为校内外提供中试服务)。每年还要接待大量的其它企事业单位领导及同行参观交流。安全风险大，安全形势异常严峻。为了做好安全工作，通过不断实践我们着重采取以下措施：首先完善管理制度、明确责任：人的不安全行为和物的不安全状态是造成事故发生的直接原因，大多数事故是由人的不安全行为引起的[8]。人是实验室安全管理中最重要的且是管理难度最大的因素，要用制度管理人，用责任约束人才能发生安全事故的概率降到最低[9]。国工中试实验室在运行过程中根据实际需要，先后制定了《中试平台安全准入管理规定》、《中式平台安全细则》、《中试平台设备预约使用管理规定》、《中式平台预约参观管理规定》、《中试平台重点设备操作要点》、《中试平台应急预案》等等一系列管理制度。明确责任这一块，首先确定了整个中试实验室的一级责任人，并确定了每一台设备的安全责任人，将责任人的联系电话附在铭牌上，学生在使用设备过程中出现紧急情况可以第一时间联系上责任人。其次开展多层次安全检查、落实整改：除了学校定期的安全检查外，积极邀请学院安全检查团队检查中试实验室，帮助发现隐藏的安全隐患。中试实验室自身也安排了安全检查值日表，定期检查各中试线安全隐患。检查只是发现问题的手段，整改才是消除安全隐患的有效方法。每次检查发现的问题都出具整改通知书、规定整改期限及复查日期，要求责任人签收。张贴在安全隐患位置。整改期间严禁使用相关设备及设施。在责任人整改完毕通过复查后，出具解除安全隐患通知书，责任人签收后方可使用相关设备设施。最后就是不断完善安全设施：中试实验室投入运行后，先后安装了门禁管理系统和实验室监控系统。中试设备预约系统与门禁系统连通，预约使用设备的同学只能在预约时间内刷卡进入实验室。还根据实验室特点，配备了相应的消防设施、有毒试剂安全柜、紧急喷淋、洗眼器等，同时还为实验人员配备了必要的个人防护护具，如防护服、防护眼镜、防烫手套、急救箱等。

3.2仪器设备运行效率及效益管理

中试实验室大型仪器设备较多，如何保证设备运行效率提高实验室效益是保障实验室可持续运行的必要前提。仪器设备运行效率和效益最大化的原则是合理配置，高效实用[10]。在多年的运行实践中，我们获得以下经验：关于仪器设备购置：平台在购置大型仪器设备前必须科学论证，除考虑学科或科研的需要外，要更多地考虑学校层面的统一规划，避免出现重复购置等问题。购置某台设备前可以借助学校的资产管理系统，查询学校是否已经有了这种设备、有多少台、分布于哪些平台、近几年使用率如何。弄清了这些问题，就不难判断是否需要购置这台设备。而对于只是某些课题或者某个研究方向偶尔需要使用的设备，可以联系相关设备生产厂家，厂家一般都有试验机，可以签订协议后，去厂家使用相关设备，只需要付一些使用费即可。18年前我们中试实验室没有中试型喷雾干燥机，处理后的反应液都是送到市内做喷雾干燥机的厂家进行喷雾干燥。同样满足了课题组的整个中试实验。关于设备共享：要充分利用多种渠道扩大设备共享规模，比如学校的大仪共享系统、江苏省大型仪器共享平台、中国科协的绿平台等，实现跨室、跨专业、跨院、跨地区、跨领域的资源共享，在充分满足实验教学和科研工作的同时，面向全校，面向社会实行有偿服务。制定各种有关收费标准、经费使用等管理制度，形成良性循环机制，“以机养机”。关于设备运行维修费用问题：各类仪器设备，特别是大型仪器设备“过保”后，如果没有专门的维修经费保障，仪器设备发生故障或损坏后迟迟得不到维修，使用寿命将大大缩短，甚至需要提前报废。国工中试实验室在刚刚运行的前几年，各设备使用收费较少，学校每年下拨的维修费只能保证空压机、蒸汽发生器等公用设备的维护保养，而一些易损件诸如各种检测电极、粉碎机刀头得不到及时维护，影响了设备正常运转。后期随着共享的扩大、设备使用率提高，收取的中试费用也进一步增加，大大缓解了维修费不足的窘境。同时我们也完善了相关设备维修保养制度：比如建立了仪器设备的运行维修档案，定期对仪器设备进行常规维护，发现问题及时登记解决，并详细记录故障现象、原因、维修情况及结果。使设备管理人更全面了解仪器设备，后期再出现类似故障，自己就可以解决。关于调动实验技术人员积极性：要建立合理的分配激励制度，从仪器设备收费中设立专项基金鼓励实验技术人员提高专业技术水平。通过有计划的岗前培训、安全培训、业务培训、进修等，从各方面调动实验技术人员的积极性，同时拿出部分资金奖励设备使用效率和效益高的实验技术人员。避免出现“用与不用一个样”、“用多用少一个样”、“用好用坏一个样”的消极、懈怠情绪。

3.3环境卫生管理

国工中试实验室面积有1500m2，每2~3天就会有一批客人参观交流，同时还要开展大量的中试试验，中试试验本身用到的原料和各类仪器设备较多，占用场地面积也较大，试验结束后仪器设备需要清洗、原辅料需要运走或者存储。中试实验室实验技术人员只有5人，每一位都负责了10几台大型仪器设备的运行维护，不可能做到每天整理清洁，如何做好环境卫生整洁，重点是保持和管理。以粮食深加工中试线为例：首先用警示胶带划定了移动设备、辅助设备、常用连接软管、实验人员自带物品等的摆放区域。每一位进入实验室的老师和学生开展实验前要签订中试线环境卫生管理规范：明确标明各物品摆放区域，实验前后环境卫生整理标准，如：实验过程中如果遗漏有淀粉浆，当天打扫干净后，在地面较湿的情况下看不出来哪里有遗漏。第二天必须要过来检查一下，发现有遗漏的地方重新打扫干净。经过设备管理员确认后才算结束整个中试试验。而对于进入实验室进行实践教学的班级，严格划分活动区域，只允许在限定范围内开展实践教学活动。既保证了安全，由减少了整理打扫的区域。

4结语

中试实验室在高校的实践教学、科研工作中发挥着重要的作用。是提高学生工程素质、能力和锻炼科研创新能力的支撑平台，将为校企之间开展技术合作与交流创造更多机会，同时大大缩短学生从学校到生产企业后的适应期，提高学生的就业竞争力。中试实验室的建设和管理是一个综合的系统工程，涉及到方方面面很多因素，需要配套相应的运行机制、保障机制、激励机制、评价机制等相关规章制度，才能保障实验室有效运行。一个运行良好的中试实验室可以保证其使用效益得到充分发挥，更好地支撑高校教学与科研工作的开展，促进实验室效益的最大化。提升学校的综合竞争能力。高校中试实验室的建设、运行和管理尚有许多值得深入思考的地方。

作者:余培斌 曹春蕾 蔡国林 单位:江南大学粮食发酵工艺与技术国家工程实验室