生物工程工厂设计教学中循环经济理念的实现

设计模式在编程中的应用：工厂模式实例 #生活知识# #编程教程#

生物工程工厂设计教学中循环经济理念的实现

　 1　本科课程教学改革背景

广东工业大学环境生物系始建于 2003 年，开设的生物工程专业具有双语教学、PBL 教学、环

“ ”境生物创新实验室、本科生导师制度等教学特色。 生物工程设备及工厂设计 课程设计作为该

专业学生的专业方向选修课，具有设备形式多样、实用性强、应用面广等特点，同时需要兼顾

清洁生产、节能减排等环境领域的应用[1].

生物工程设备及工厂设计课程具有综合性、实践性强的特点，近年来该课程教学团队开展了教

学改革，已开发了原创的电子课件、设计图纸、设备图片、动画、视频资源。 通过教学改革实

现了生物工程设备与工厂设计教学内容的系统整合，已初步建立课程教学的网上图书馆，可提

供设计手册等专业电子图书下载，从课程讲授到课程设计的教学环节基本可实现全过程网络教

学[2].

在国内高校的生物工程专业教学中，普遍认为课程设计应注重综合素质、完善知识结构、强化

工程能力和工程素质的培养[3-5]. 在本次教学改革中我们结合本专业的特点，强化了循环经济

“的3R” 原则（减量化、最小化和资源化）在课程设计中的应用。 通过生态工业园区规划与生

物工程工厂设计的有机结合，并结合案例教学与建设网络共享资源，为相关专业的课程设计教

学提供了新的学习资源。

　 2　课程设计模型的构建

在课程设计开始之前，本专业学生已在肇庆星湖、珠江啤酒等工厂进行生产实习。 同时，教学

团队成员具备广东燕京啤酒有限公司、百威啤酒（佛山）有限公司等企业清洁生产审核项目经

“验。 结合学院背景和本专业特点，以及多年的教学和项目实践经验基础，教学团队在 生物工

”程设备及工厂设计 课程设计的教学中构建了如下的教学模型：F市所在地区为南方山岭重丘

区，拟在本市西北方向 20km 处建设规划面积为 10000 “ ”亩的 向日葵工业园 ,该工业园以食品生

物、机械电子、新型建材与轻纺服装为主导产业，规划企业数共计 200 家，预期总人口约 40

万（一期建设规划企业数和人口按 50% 计）。 根据F “ ”市十二五 有关规划，预期 F市在此期间

人口增长速度为 5%,GDP 年增长率为12%;约束性指标包括单位 GDP 能耗下降20%,主要污染物

排放总量减少25%.

向日葵工业园位于A水库坝下游10km, Ⅲ该水库为年调节水库，水质标准为类，主要功能为城

市供水、农业灌溉。 工业园西北方向为 B河，B河位于A Ⅳ 水库下游，河水为类水质标准。

全年风向玫瑰图主导风向为东南风，环境空气功能区为二类区，声环境功能区为 3类，经初步

调查建设范围内无特殊敏感生态保护对象。

拟建工业园规划处理量为 50 万t/d 的自来水厂（分2期建设，一期供水量为 25 万t/d），取水

来自A水库。园区拟采用2×300MW 循环流化床燃煤锅炉进行热岛集中供热，（分2期建设，

一期为 300MW ）。 拟建处理量为 40 万t/d 的园区污水集中处理厂，一期处理量为 20 万t/d,达

标后排入B河，设计处理后再生水回用率为40%,主要用于热电厂用水、园区绿化和部分企业

生产用水。 一般固废（煤渣、粉煤灰等）可用于园区内建材企业作为生产原料，园区拟建设一

座垃圾转运站，生活垃圾经收集处理后运往垃圾填埋场进行卫生填埋，园区内危险废物委托某

有资质的公司送省危险废物处理中心进行处置。

某中外合资企业拟选址于向日葵工业园，投资建设 40 万t/a 的啤酒生物工厂，项目一期建设产

能为 20 万t/a; 该园区内还拟投资建设某生物制药厂生产青霉素等产品。 要求学生在课程设计中

按照工业区循环经济布局，以及生物工厂技术经济分析与清洁生产等要求，对该啤酒厂一期工

程和生物制药厂进行工厂初步设计，包括厂内物质、能量的小循环，二次蒸汽节能设计、CO2

回收系统、热水回收设计、沼气发电系统设计、剩余污泥生物堆肥，及生态工业园区的的中循

环（给排水管道布置、中水回用系统、蒸汽供应设计）。

　 3　园区规划体现区域层面的循环经济

在本次生物工程工厂设计中，结合本专业特色和学院背景，要求学生按照产业政策结构调整目

录（2011 年本），以及循环经济和行业规划等要求，对生态工业园区进行规划布局，同时加强

“ ”了工业园区配套设施的设计，进行 三废 集中治理和污染物区域总量控制，符合当前产业升级

对工厂设计的要求。

生态工业园区是依据循环经济理论和工业生态学原理，通过废物交换、循环利用、清洁生产等

手段，寻求物质闭路循环、能量多级利用和废物产生最小化，以实现经济社会和环境可持续发

展的一种新型工业组织形态[6]. “ ”从区域层面加强规划设计以促进生态工业园区的 中循环 ,与企

“ ” “ ”业内部废物梯级利用的 小循环 相结合，是实现 零排放,解决当前经济发展与环境矛盾的关键

[7].

在课程设计阶段，我们要求学生结合地形地貌及气象条件进行工业新区的分区，进行热岛、污

水厂等基础设施的布局，包括道路绿化和生态隔离带等，绘制工业园区规划分区布局图。 设计

“ ”中需考虑循环经济在园区层面的 中循环 :热电厂产生的蒸汽可供应啤酒厂和制药厂，燃煤产生

的粉煤灰可以作为园区内新型建材企业的原料，生物工厂废水处理后的中水可用于热电厂的冷

却，这样在热电厂、啤酒厂和建材等企业之间形成了共生关系，保证了资源的合理利用。要求

在课程设计中对区域层面的公用设施进行重点设计：1）园区给排水管网及蒸汽管网设计：从

工业区上游的某水库取水进入自来水厂，进行取水泵站和管道的设计，绘制工业区给排水、蒸

汽管网管道布置图。 2）热能工程设计：2×300MW 热电厂一期工程设计，绘制热电厂平面

图。 3）热电厂废气处理设计：采用电除尘等技术进行烟气脱硫脱硝的设计，实现达标排放，

绘制烟气脱硫脱硝工艺流程图。 4）废水处理设计：设计 40 万t/d 的园区污水处理厂，结合本

工业区废水特点，设计和选择适当废水处理工艺，绘制污水处理工艺流程图。 5）工业区再生

水回用系统设计：设计深度处理工艺，将园区污水处理厂达标排放的废水 40%进行回用，其中

一半作为热电厂冷却用水，绘制再生水回用工艺流程图。

　 4　工厂设计体现企业层面的循环经济

以生态工业园区内某40 万t/a 的啤酒厂一期工程和某生物制药工厂为例，按照相关行业规划和

《中华人民共和国环境保护行业标准 清洁生产标准 啤酒制造业HJ/T183-2006》等设计标准和

规范，要求学生在设计中能够从装置大型化、加强全厂节能优化、实现蒸汽逐级合理利用等方

面，考虑到企业的循环经济。 对工厂生产工艺流程以及相关生物工程设备进行设计，在生产过

程中减少能源、水和原料的使使用，减少各种废物的排放。

4.1 40 万t/a 啤酒生物工厂一期工程设计

4.1.1 工厂总图布置、设计总量数据和工艺流程设计任务书要求对工厂总平面、道路、管线及绿

化设计，以及厂内外运输、道路规格、路面质量、布置形式、运输机械、绿化方式等内容进行

设计，并重点考虑与工业园区管线的对接。 要求绘制全厂道路及绿化设计图，风向玫瑰图、图

纸主要尺寸必须标注清楚，厂内绿化方式按园林布置规范进行设计。工艺流程设计要求进行物

料衡算，绘制全厂总工艺流程图、物料流程图、水平衡图、蒸汽平衡图、耗冷量平衡图、无菌

空气及抽真空量平衡图等。 并对全厂污染源进行计算、分析和汇总编制污染源汇总一览表。

4.1.2 物料处理及输送设备包括大米、麦芽原料仓与输送设备设计，麦芽、大米湿法粉碎、输送

设备的相关计算，各工段固体、液体物料输送设备的计算选型与汇总表，并绘制原料仓立面

图、大米、麦芽粉碎设备平面布置图。 按有关排放标准和生产能力进行排气筒设计及风机选

型，绘制麦芽、大米粉碎排气筒剖面图、泵装配图、泵安装示意图等。

4.1.3 重点车间（糖化及发酵）包括糊化、糖化、麦芽汁过滤工艺的相关计算、麦糟综合利用、

糊化工艺设计及设备的相关计算，绘制糊化锅装配图、糖化锅装配图和糊化、麦芽汁煮沸锅、

啤酒过滤设备、种子罐、啤酒发酵罐、储酒罐等设备装配图，绘制糊化、糖化车间设备布置平

面图，车间柱网示意图、立剖图，车间管道布置图等。 空气过滤除菌系统的设计需要计算无菌

压缩空气消耗量、抽真空量和进行设备选型，并绘制空气过滤除菌系统流程图。 CIP 自动清洗

工艺设计需要计算满足设备管道卫生要求的清洗剂用量，绘制CIP 自动清洗管道布置图等。 技

术中心相关设计包括总平面布置图、实验室所需检测设备说明及汇总表。

4.1.4 厂内公用工程供电工程设计包括工厂供电系统设计、全厂用电平衡图、电表分布图。 水

处理工艺设计需计算全厂生产生活用水量，并进行水处理单元的设备选型。 进行全厂蒸汽用量

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