資源循環(huán)科學與工程專業(yè)“生物質轉化與利用”課程建設探討

趙 巖，楊麗群，劉 銀

（1.安徽理工大學材料科學與工程學院，安徽淮南232001；2.安徽理工大學附屬小學，安徽淮南232001）

隨著人類社會的發(fā)展，化石能源消耗量逐年增加，大量使用化石能源后所帶來的環(huán)境污染加劇，地球生態(tài)惡化，迫使人類不得不發(fā)展綠色可再生能源和資源的循環(huán)利用。針對這一迫切需求，我國于2011年在高校開設了資源循環(huán)科學與工程專業(yè)，該專業(yè)是為了滿足國家節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟及循環(huán)經(jīng)濟等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)對高素質人才的迫切需求而設立的，屬于新興交叉學科專業(yè)?！吧镔|轉化與利用”是作為資源循環(huán)科學與工程專業(yè)的專業(yè)課程而開設。

1 “生物質轉化與利用”課程開設的必要性

目前，生物質資源的開發(fā)和利用受到世界各國的高度重視，特別是化石能源日益減少以及使用后帶來的環(huán)境問題，使得發(fā)展生物質資源部分替代目前化石資源勢在必行。生物質是一種綠色環(huán)保的可再生資源，它包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物為食物的動物及其生產(chǎn)的廢棄物，如農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)過程中的糧食、果實，以及剩余的秸稈、樹木等木質纖維素、農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)下腳料、農(nóng)林廢棄物及畜牧業(yè)生產(chǎn)過程中的禽畜糞便和廢棄物等物質。生物質來源于植物吸收二氧化碳進行光合作用，因此生物質資源的使用實現(xiàn)了二氧化碳的零排放，能夠有效緩解地球上由于化石能源使用所帶來的日益嚴重的環(huán)境問題[1]。地球每年產(chǎn)生的生物質總量約1 700億噸，其能量相當于全球每年消耗能量的10倍，但是目前利用率還不足每年消耗能量的7%，因此生物質資源將是未來的主要資源之一。生物質是一種有機碳構成的植物能源，生物質也是目前唯一能夠轉化制備液體燃料和化學品的可再生資源。生物質資源的高效開發(fā)利用，對解決能源、化工原料來源及生態(tài)環(huán)境問題將起到十分積極的作用。所以，在目前的形勢下資源循環(huán)科學與工程專業(yè)發(fā)展方向中的特色課程建設中開設“生物質的資源化利用”課程很有必要，可以加強發(fā)揮資源循環(huán)科學與工程專業(yè)的交叉學科的優(yōu)勢，加強融合高分子材料專業(yè)、化學工程專業(yè)、環(huán)境科學等專業(yè)課程體系建設，加強學生對生物質資源化利用的認識，培養(yǎng)專業(yè)性生物質資源化利用人才，這也符合資源循環(huán)科學與工程專業(yè)的建設目標。

2 “生物質轉化與利用”課程建設內(nèi)容

2.1 結合地區(qū)發(fā)展，精選課程講義

地理位置和教學傳統(tǒng)的不同導致了每個學校在開設生物質課程中的建設內(nèi)容上有一定的差異[2]。安徽理工大學作為一所理工院校，在傳統(tǒng)的能源研究上有一定的積累，所以在教材選擇上偏向能源的轉化和利用；同時我校是在本科教育的第七個學期開始本課程的講授，作為一門面向即將畢業(yè)學生的專業(yè)課程。因此，“生物質轉化與利用”課程都是結合最新的科研資料（文獻報道）和能源類出版的書籍（包括《生物質能源利用技術》《生物質熱化學轉換技術》《生物質能源工程與技術》《生物質能源與廢棄物資源利用》《生物質能技術與應用》等）進行綜合，重點對生物質到能源和化學品方面轉化的課程內(nèi)容進行講解。課堂上穿插講述目前已商業(yè)化應用的生物質企業(yè)，包括它們運營的大致情況，所用的轉化技術、工藝路線等，以擴大學生的知識面。

2.2 “生物質轉化與利用”課程教學內(nèi)容及體系建設

“生物質轉化與利用”是一門以生物質高效轉化利用為研究對象的應用性基礎學科。生物質轉化與利用的方法有很多，這是一門典型的交叉學科課程，涉及化學、化工、生物、能源等多個學科的相關知識[3]。生物質轉化主要包括熱化學轉化（直接燃燒、熱解液化、氣化、炭化等）和生化轉化（沼氣、生物乙醇、制氫等）。除此之外，生物質轉化技術還包含了生物質壓縮成型技術、生物柴油技術、生物質水熱轉化技術和生物質合成氣制備燃料技術。本校的“生物質轉化與利用”課程教學內(nèi)容主要基于上述能源技術進行設置，包括六個部分。

第1章生物質簡介。本章涉及到生物質和生物質能的定義，介紹生物質的種類、成分、組成和生物質資源量估算方法、生物質能源和主要的能源植物。

第2章生物質制備成型燃料。本章主要介紹生物質壓縮成型和直接燃燒技術，涉及生物質壓縮成型的概念、原理、成型流程、壓縮成型的性能指標，了解生物質成型燃料的特性；同時講述生物質直接燃燒技術和設備，以及生物質熱解炭化的原理、技術和主要設備等。

第3章生物質熱解制備液體燃料。本章涉及生物質熱裂解的概念和原理、反應過程和產(chǎn)物分布、熱解反應的影響因素。生物質熱裂解的工藝類型包括快速熱解、快速液化技術和工藝、快速熱解和液化相關的反應器設備，以及生物質直接液化技術和產(chǎn)物生物油的燃料特性。了解熱解液化的實施途徑、熱解液化反應流程、反應設備、液化油的性質和應用。

第4章生物質水熱和生物轉化液化技術。本章涉及生物質水熱轉化制備化學品和能源燃料的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，包含生物質水熱制備能源化學品5-羥甲基糠醛，烷烴燃料和生物發(fā)酵制備乙醇等工藝技術，生物質發(fā)酵法制乙醇中的纖維素水解（酸水解、酶水解）制乙醇工藝發(fā)展等。

第5章生物質制備氣體燃料。本章涉及生物質熱解氣化和生物發(fā)酵氣化制備可燃氣兩個部分。生物質熱解氣化技術中包括原料、氣化反應原理、反應動力學、生物質氣化評價參數(shù)、典型工藝介紹，生物質氣化的應用以及燃氣的凈化等。生物發(fā)酵制備沼氣的發(fā)酵條件，了解發(fā)酵微生物學原理、發(fā)酵條件，以及沼氣發(fā)酵工藝、沼氣池設計、大中型沼氣工程技術等。

第6章生物柴油的制備技術。本章主要包括制備生物柴油所需要的原料來源、能源作物的種類與分布，以及目前生物柴油制備工藝路線和技術，了解生物柴油未來發(fā)展的新方向和新技術。

2.3 課程的教學方法

“生物質轉化與利用”是一門學科交叉的專業(yè)性課程，涉及到材料、化學和熱能工程等學科，教學上需要擴大知識面和提高實踐性教學。教學方式需要采用課堂教學和實踐教學相輔的形式進行。課堂上主要對專業(yè)性的定義、理論進行理解，同時就目前已經(jīng)成熟的工藝技術和最新出現(xiàn)的新技術、新方法的文獻報道進行學習和點評。課堂上展開討論，培養(yǎng)學生獨立思考的習慣，加強學生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。實踐教學環(huán)節(jié)注重培養(yǎng)學生學習探索興趣，實踐中理解秸稈、生活垃圾等生物質資源的直接燃燒、熱化學轉化、沼氣制備等技術。課堂上通過大量圖片、視頻資料提高學生對生物質能源在實際生活中利用方式的認識。開設秸稈熱解轉化制備生物油，以及生物柴油的制備實驗，提高學生對知識的理解和動手能力。

3 教學展望

資源循環(huán)科學與工程專業(yè)開設“生物質轉化與利用”課程符合專業(yè)的培養(yǎng)目標和國家節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟及循環(huán)經(jīng)濟等戰(zhàn)略需求。為了提高教學質量，需要創(chuàng)新改進教學方法，激發(fā)學生的求知欲，調動他們學習專業(yè)知識的主觀能動性[4]，同時要不斷完善教學手段，在課堂教學中加大視頻和動畫這種更加形象的教學形式，向學生展示一些理論性很強的知識。加強實踐教學，培養(yǎng)學生的實踐能力。最后也要努力提高教師的專業(yè)素質，鼓勵教師多參加全國、省市等相關的可再生能源和生物質能的會議，以及在各種學術期刊發(fā)表相關的科研成果和教學論文，提高教師的專業(yè)教學水平。

“生物質轉化與利用”作為資源循環(huán)科學與工程類專業(yè)的一門專業(yè)課程，是一門理論和實踐相結合的專業(yè)課，旨在培養(yǎng)一批在生物質方面具有理論知識和實踐技能于一身的專業(yè)人才，促進生物質利用的發(fā)展，提高學生的環(huán)保意識。筆者一直從事生物質轉化的研究，但是在課堂教學、專業(yè)課程建設方面的認識比較淺顯，希望在以后的課堂教學和實踐中不斷總結經(jīng)驗。同時希望能和同行們一起繼續(xù)深入交流、分享教學經(jīng)驗和心得體會，從而進一步地服務于教學，提高教學效果。