天津大学--重组人红细胞生成素制造工艺虚拟仿真实验
 

重组人红细胞生成素制造工艺虚拟仿真实验，依托于天津大学化工学院生物与制药工程市级实验教学示范中心，以生物化工国家重点学科和制药工程、合成生物学等二级学科为依托，由北京欧倍尔软件技术开发有限公司开发制作，面向生物工程、生物制药、合成生物学和制药工程等相关专业学生，对生产实习环节做有益补充，2023年成功评定为第二批国家级一流本科课程。
 

 

课程简介：

生物医药是国家新兴战略产业，其中蛋白质产物占生物技术产值的80%以上，了解其生产过程对新工科人才培养至关重要，但由于蛋白质产品的研发与生产洁净等级要求高、生产过程管理严格、实验材料成本高、实验周期长，学生不能受到有效的实践训练。

为满足我国未来生物经济发展对生物工程人才的需求，并且突破传统实验教学的局限性，《重组人红细胞生成素制造工艺虚拟仿真实验》采用现代生物制造技术与互联网信息技术高度融合，以工程化的中国仓鼠卵巢（CHO）细胞为起始原料，将难以在实体实验室进行的教学内容，如生产环境、生产流程、生产设备构造及操作整合在一起。通过人机交互式操作，使学生身临其境，模拟工程技术人员在车间内的生产操作，学习细胞培养、分离纯化、冻干制剂、生物反应器放大设计等技能，完成体验式学习和训练。

 

 

教学目标：

第一层次，通过全景虚拟仿真实操的3 个基础操作模块(生产环境认知模块、细胞培养及分离纯化模块、冻干制剂模块) ，掌握创新蛋白质药物及其生产制造全链条的一体化工艺原理和操控过程，培养学生的生产工艺、实操技能、职业道德和工程伦理。

• 1、生产环境认知模块：了解厂区、车间各工序的洁净度等级、人流和物流走向、人净物净处理以及环境质量控制，掌握车间净化操作的生产质量管理规范 (GMP) 的要求。
• 2、细胞培养及分离纯化模块：了解并掌握工程 CHO 细胞培养原理、工艺参数对培养过程的影响及生物反应器培养工艺操作规程。了解并掌握膜分离和层析分离的基本原理和操作及蛋白质药物分离纯化的一般工艺流程。
• 3、冻干制剂模块：了解并掌握配液生产、冷冻干燥基本原理和操作及冻干制剂生产工艺流程。

第二层次，通过全景虚拟仿真训练工艺拓展型模块(生物反应器放大设计模块)，了解并掌握生物反应器设计要点，培养学生应用知识和技术进行设计创新的能力。
 

 

教学内容：

1、生产环境认知模块

本模块以冻干制剂车间内的不同洁净区规范要求为例，包括 A/B 级洁净区（灌装间）和 C/D 级洁净区 (配液间) ，查看厂区鸟瞰图及整个生产区域的人流、物流走向，进行认知操作学习。要求学生进入一般生产区 (如办公室、仓库、成品包装区及辅助设施区) 需换工衣，而进入洁净区域 (如称量、配液、灌装、冻干、轧盖等生产区) 需换洁净服。在行走和实操过程中，应清楚区分一般生产区和不同级别的洁净区。本模块中包含 3个知识点的交互性操作和模块小测验 (10题)，学生需在线回答，答错扣分。
 

  

 

2、细胞培养及分离纯化操作模块

本模块包括细胞培养和分离纯化两个操作单元，共包含 3 个交互性操作步骤，细胞培养操作包括生物反应器培养和模块小测验 (15 题)，反应器培养是细胞培养操作模块的核心，以生物反应器的开车、正常运行、停车为例，学生需要在软件指导模式下，完成对应的交互性操作。

  

 

3、冻干制剂操作模块

冻干制剂操作模块主要包括配液、冷冻干燥 (视频学习) 两个工序和模块小测验 (10 题) ，配液工序包括 3 个交互性操作步骤，每个步骤都包含多个操作。进入配液工序车间后，需要完成配液工序实操及冷冻干燥工艺视频学习，如果学生没有按照正确顺序进行操作或者操作错误，导致配液质量不合格，系统会自动判定并扣除当前步骤分。学生根据操作界面左边的提示进行软件操作，同时在得分界面查看对应的得分情况。
 

 

 

4、 生物反应器放大设计模块

 学生根据给定的任务或者产品要求在线上进行计算，完成生物反应器的放大设计，并进行验证。

1. 1、首先完成5L生物反应器的直径、反应器的高度及搅拌直径，如果计算错误则扣分。
2. 2、对生物反应器进行放大计算，软件将随机产生要放大到的体积，学生计算出放大后的反应器的直径、反应器的高及搅拌器直径，通过选择正确的放大计算原则计算出放大后反应器的搅拌转速，若选择原则错误或者计算错误则扣分。 
3. 3、学生需要按照指示选择正确的搅拌桨类型并完成搅拌组装，若选择错误则系统自动扣分。
4. 4、控制系统组建安装及系统验证持续建设。
5.  

  
 

实验教学特色：

1、实验方案设计创新

结合“生物分离工程”和“制药工艺学”两门精品课程及企业生产工艺，将万物联网与现有的课堂教学、实体实验教学有机结合，全景化、信息化呈现教学内容，让学生成为一线工程技术人员，实现“学中做、做中学”的实践教学模式。将生物学理论、生物技术和生物工程一体化集成，起到“以虚补实、虚实结合”的作用，精准培养学生的实践和创新能力。

2、教学方法创新

在教学内容安排上，采用了从单一工序到复杂工艺流程，从单元设备到系统集成工程装置，从基础操作到工艺拓展，从实物认知到全生产实际仿真训练的阶梯式、渐进式的安排。利用“自主学习，开车操作”和“任务驱动，工艺拓展”两种教学方法，让学生从认识实验开始，再根据自己的学习能力和知识水平开始后续虚拟实验模块的学习。使不同层次、不同类型的学生都能在本课程中找到适合自己的教学内容，满足更大范围不同层次学生的学习需求。

3、评价体系创新

建立自我完善、自我约束的实验教学质量监控和保障体系，目的在于完善新形势下实验教学体系，完善现有实验教学制度，增强学生动手能力和创新意识，培养创新型人才。融入更多调控元素和管理环节，自始至终进行教学效果跟踪，建立完整的评价体系。

4、对传统教学的延伸与拓展

本实验采用模块化设计理念，在模块内容和模块结构的设计上既注重夯实学生的知识基础，更注重拓展学生的知识领域和思维方式。针对实践教学过程中不具备实际运行条件的教学内容，在虚拟仿真实验中进行了重点展开。实验中采用任务驱动的教学方法，开放的操作模式，很大程度上调动学生学习的自主性、创造性。