（1）实验背景和依据

生物技术产业是21世纪各国优先发展的战略性产业，是高新技术集聚的领域，也是我国近年来重点发展的新兴产业之一，在国民经济和社会发展中具有举足轻重的地位。但我国生物工程类、化工与制药类专业本科教育存在实践平台不完善、实践机会少、学生工程设计能力不足等一系列问题。其主要原因是由于生物技术及生物制药行业生产具有特殊性，学生进入企业实习的机会少，即使进入生产实习环节，真正能进入符合GMP (Good Manufacturing Practice, 良好生产规范)生产车间核心部门学习的人数也是非常有限，使得实习环节流于形式，严重影响了相关专业学生工程实践能力的培养。

因此，为加强学生的工程实践能力，满足“工程教育认证”及“新工科”对人才培养的需求。本项目团队秉持以“学生为中心”的发展导向，结合与江苏亚邦医药股份有限公司合作的γ-氨基丁酸生物发酵生产为蓝本，开发了《重组菌发酵生产γ-氨基丁酸虚拟仿真实验》软件。该虚拟仿真实习系统通过人机互动的方式模拟实际工业化发酵生产和分离纯化工艺，再现γ-氨基丁酸的发酵过程，生产制备贯穿发酵罐、种子罐、配料罐、超滤系统、离子交换层析系统等。项目内置生产设备与工厂设计的安全技术标准以及GMP法规操作要求，通过仿真技术模拟相关设备控制、工艺流程操作、生产过程优化等环节，加深学生对发酵设备的理论认知，锻炼动手操作能力，并培养实践创新能力。

（2）实验必要性

在生物工程类专业和化工与制药工程类专业中，发酵工程设计训练与生产操作是工程教育体系中的重要组成部分。

① 解决现有大型生产装置少、实验风险高等问题

目前学校实验平台主要以小型发酵设备为主，缺少大型工程化生产装置，学生工程实训难。另外，现代发酵生产工艺包括菌株活化、扩培、发酵、分离纯化等，发酵过程复杂，生产周期长，实验教学学时难以安排，且生产过程含高温、高压等危险性过程，进一步限制了实验室的操作。

本实验项目能够满足学生在较短时间内了解并掌握γ-氨基丁酸发酵生产工艺流程；熟悉设备内外部结构、设备间的管路连接走向、设备布置等，尤其本实验涉及的全部生产设备均可进行拆装及三维查看；掌握菌种活化—扩培—发酵—过程控制等主要生产节点，实现了发酵生产全流程工艺教学的目的。

② 解决生物工程类专业学生缺乏工程设计案例难题

通过仿真实验，教师授课时可根据γ-氨基丁酸生产设计方案中的厂区布局原则、工艺流程设计图、车间平面布置图、设备布置图、管道规范选择与走向、公用工程图纸等，结合《发酵工程课程设计》、《发酵工程》等课程以实际案例方式进行生物工程知识的讲解。

③ 突破发酵工厂实习只能参观无法操作的困境

近年来，由于国家安全标准和工艺标准的严格要求，在生物制药领域内，能够接受学生实习实践的企业越来越少，而且学生只能在停工检修期间进入企业或在外围非核心区域，对生产厂区、设备和环境只能走马观花的参观，而无法动手操作，学习内容流于表面，不能达到工程专业学生的培养要求。

1. γ-氨基丁酸发酵生产工艺简介

γ-氨基丁酸是一种广泛分布于动植物及微生物的非蛋白质氨基酸，具有降血压、调节激素分泌等生理功能，广泛应用于医药、食品及农业等领域。本项目仿真模拟γ-氨基丁酸发酵生产工艺中的菌种培养、发酵生产、酶法转化、分离纯化车间与生产的全流程。

2. 实验原理

① γ-氨基丁酸工艺生产原理

实验采用基因工程手段，将关键酶谷氨酸脱羧酶基因在宿主菌中表达。将基因工程菌进行好氧液体深层发酵，同时添加谷氨酸作为底物，转化谷氨酸产γ-氨基丁酸，得到的发酵液经固液分离后，获得发酵液上清液，经两步柱层析纯化，超滤脱盐、浓缩，得到γ-氨基丁酸。

② γ-氨基丁酸工业化生产厂区布局原则

对γ-氨基丁酸工业化生产的厂区布置、车间设备和生产线等进行漫游学习，实现厂区漫游、工艺操作、设备与工艺仿真等三维场景，与GMP知识点、实际工厂场景视频、源头法规文件的动态关联，满足生物工程专业教学的要求。

厂区规划漫游主要包括：辅助生产车间（锅炉房）、仓库、化验检测、工厂管理、道路运输、废水处理、卫生绿化等设施。车间漫游主要包括：生产线上的代表性设备、设备布局、过程管道、物料流程、仪表控制等，让学生学习发酵工厂关于人流、物流的GMP设计要求。

③ γ-氨基丁酸仿真实验发酵生产操作标准

本实验为学生提供了完整的发酵车间、分离纯化车间SOP（Standard Operating Procedure，标准操作程序）操作和生产过程控制管理等仿真操作。按照图1所示工序完成所有车间操作。学生可以学习相应的工艺控制参数、设备结构与功能、安全生产操作流程等，强化实践应用能力。

④ 生物发酵过程相关GMP知识

按照γ-氨基丁酸工业化生产流程，实现整体流程过程控制和工厂GMP管理知识嵌入。以不同洁净区生产车间操作为具体内容，展示生产过程标准SOP操作与质量控制，同时以知识点方式嵌入各车间遵循的GMP生产管理规范。

知识点：共 10 个

1. 掌握生物发酵车间的布局原则；

2. 掌握实罐灭菌和连续灭菌的原理和操作流程；

3. 掌握菌种接种、扩大培养的操作流程及规范；

4. 掌握通用式发酵罐的结构、特点和工作原理，熟悉关键组成部件功能、设备拆装；

5. 学习发酵车间管线布局、管材选择、管径计算、阀门和管件安装要求；

6. 掌握菌种培养、发酵、分离纯化、浓缩精制工段的安全生产标准操作规程（含DCS控制流程）；

7. 掌握发酵过程设备参数控制要求，及参数控制对发酵过程的影响；

8. 学习微生物生长繁殖及完成各种生理功能所需要的营养物质及其配比；

9. 学习发酵工厂关于人流、物流的GMP生产管理规范；

10. 了解生物发酵操作人员的防护及安全要求及生物发酵车间环境保护要求。

（2）核心要素仿真设计

总体思路：学生首先通过情景式三维场景漫游配合弹题交互的形式学习发酵企业厂房布置原则与生产车间设备布局方式，了解GMP设计规范；然后通过角色扮演方式学习发酵生产过程的安全操作要求，通过过程考核和闯关模式完成标准工艺操作流程；利用DCS中控参数控制模拟，自主探索不同工艺参数设置情况下的发酵生产结果；最后通过考核评价环节完成相关知识点和操作的在线考核，并由任课教师结合系统评价结果综合给出最终考评成绩。

本实验的核心要素包括：

（1）发酵企业厂区布局及洁净车间GMP生产管理规范；

（2）γ-氨基丁酸发酵生产流程及安全操作；

（3）发酵过程工艺条件控制及其影响。

要素仿真度：

1）发酵企业厂区布局及洁净车间GMP生产管理规范

通过仿真实验，教师可根据γ-氨基丁酸发酵生产设计方案中的厂区布局原则、工艺流程设计图、车间平面布置图、设备布置图、管道规范选择与走向、公用工程图纸等，结合《发酵工程课程设计》等课程以实际案例方式进行相关知识的讲解。

2）γ-氨基丁酸发酵生产流程

模拟现代工业发酵生产过程，完成种子培养、发酵、生产不同阶段操作，解决了生产实践流于形式，无实际操作的难题，符合虚拟仿真展现“宏观不可得”的实验要求。仿真操作可辅助现实生产实践学习，实现“虚实结合”，锻炼学生实际动手能力的同时真正提高实习效果，拓展了实验教学的深度和广度。

3）生物发酵过程工艺条件控制及其影响

学生通过虚拟仿真软件自主探索发酵过程中各种条件，如培养基设计、发酵工艺条件设置、发酵异常情况处理等对于发酵结果的影响，系统通过内置的真实企业生产数据给出发酵结果，学生基于实验结果分析评判操作流程及参数设置问题，形成闭环式的自主学习模式。

《重组菌发酵生产γ-氨基丁酸虚拟仿真实验》通过虚拟仿真软件为载体，分为碎片化时间拓展训练和线上集中实训学习两部分。具体实验方式如下：

（1）碎片化时间知识拓展训练

（2）线上集中GMP实训学习

学生交互性操作步骤，共 10 步

（2）交互性步骤详细说明

1）线上集中实训学习交互操作流程

首先学生通过教师分派账号登录系统，访问虚拟仿真系统界面，通过不同功能键可选择不同的学习内容。

第一步：在主菜单页面选择“厂区漫游”模块，学习生物发酵企业的厂区整体布局。软件分别从生物发酵企业的安全生产规范概述和GMP车间的厂房布局进行阐述，触发相应的知识点，通过语音和文字配合解析，在三维场景中进行自主学习。学生不仅能够实现整个厂区的漫游解决实训难问题，同时能够实际进入不同的生产车间，解决实际生产实习时洁净车间无法参观的难题。

第二步：点击“设备仿真”模块，进入学习γ-氨基丁酸的工业化发酵生产设备，学生通过工作原理、主要部件、设备拆装、拓展知识不同功能模块的点击，交互性学习设备的工作原理，主要零部件构成，通过扩展知识可以将老师课件与视频等不同内容链接，实现课堂和实验的双重交互。

第三步：点击设备拆装操作，在操作对话框及语音提示下学习完成主要设备零部件的拆分和组装过程，学习并掌握其功能和设计原理。

第四步：点击“工艺流程”，查看不同GMP生产车间的布局位置和方式。学生通过选择沙盘展示，直观了解车间的布局情况，同时将不同GMP要求的洁净区以不同颜色展示，让学生了解厂区的人流、物流走向、工艺流程及相应车间布置并通过不同知识点的讲解及弹题了解相关的GMP知识。

第五步:菌种培养车间操作。点击进入菌种培养车间，学生以菌种培养实验员的身份在系统提示操作流程下进行自主学习，系统根据内置的标准操作流程，及时纠正学生错误流程并对操作要求进行分析、提示。

第六步：发酵生产车间操作（工艺流程学习）。点击进入发酵生产操作，选择“学习模式”，学生在系统操作对话框提示下按一级种子罐、二级种子罐、发酵罐的流程进行生产操作，完成实际发酵生产的全流程交互模拟，按照标准的SOP操作流程，实际完成发酵工段操作内容。

第七步：发酵生产车间操作（工艺操作考核）。进入发酵生产操作界面，选择“考核模式”，选择考核的操作工段，系统会出现全流程车间三维布局，学生相应的交互操作车间进入。选择操作角色，按系统任务进行相应流程操作，系统根据学生操作情况进行评估打分。

第八步：发酵生产工艺探索。在主界面点击进入“工艺探索”模块，进入页面后，选择“发酵培养基设计”，按系统提示逐一完成交互性的实验设计，系统根据内置真实企业生产数据模拟学生设置参数进行发酵生产，并得出发酵结果。学生可根据报告结果分析设计参数及操作流程，自主进行实验探索。

第九步：发酵生产工艺探索。在主界面点击进入“工艺探索”模块，进入页面后，选择“发酵工艺参数设置”，按照生产工艺，学生可自主设置发酵工艺条件，如发酵温度、发酵pH、搅拌速度、发酵时间等，学生可按照系统提供完成相关交互操作。

第十步：发酵生产异常事故处理。在主界面点击进入“工艺探索”模块，进入页面后，选择“发酵异常处理”，按照对话框提示的异常发酵生产现象，学生对发酵过程中可能出现的问题进行判断，如发酵染菌、发酵条件控制异常等。通过系统交互式操作，学习发酵过程中可能发生的异常情况及处置方式。