發(fā)展產(chǎn)業(yè)自動化需求.doc

發(fā)酵產(chǎn)業(yè)自動化需求淺論 發(fā)酵產(chǎn)業(yè)乃是利用微生物生長,代謝的過程來製造食品或其他特用化學(xué)品,所以與一般post-harvest之食品工業(yè)有所不同,因?yàn)槠渖袪可娴缴镅u程(bio-process),而一般食品加工製程偏重食物在加工過程中之物理或化學(xué)變化。由於發(fā)酵過程有生命參與其中,所以需要加以控制,才能使生命發(fā)展符合人類的需求。而如何能控制微生物製程,當(dāng)然要先了解微生物的特性,例如耐鹽與否?耐鹽程度?合適的pH值,溫度,能利用的碳源,氮源為何?磷,硫,金屬離子又如何影響目的物產(chǎn)率?如何是能生產(chǎn)香味,甘味的條件等等,了解以後才能加以調(diào)控。 發(fā)酵產(chǎn)業(yè)的範(fàn)圍很廣,廣義而言舉凡微生物菌體的綠藻,藍(lán)藻,菇類,酵母,納豆,天貝或各種酵素的生產(chǎn)(不同種類的微生物來源),綜合發(fā)酵食品如醬油,味噌,豆腐乳,豆瓣醬及臭豆腐等,或一級代謝物的胺基酸,核苷酸,酒精,醋,有機(jī)酸,維生素,脂肪(酸)及二級代謝物之色素,抗生素,三萜,多醣,各種酵素抑制劑(如lovastatin, acarbose.),抗排斥劑如cyclosporin等,其共同之技藝皆是培養(yǎng)微生物,然後進(jìn)入下游(downstream)之回收,純化程序,由於回收目標(biāo)物之不同,其所應(yīng)用之化工單元操作亦不一樣,但基本上皆已應(yīng)用到許多自動化或半自動化設(shè)備,故自動化需求可能偏向於各單操之間的連結(jié)。狹義的發(fā)酵則限於利用微生物加工的食品,此部分常因規(guī)模小而缺少自動化,例如臭豆腐,泡菜,味噌,豆腐乳等。究其原因並非整體市場不大,而是其產(chǎn)品好壞取決於主觀適口性,各消費(fèi)者喜好不同,因此百家(甚至萬家)爭鳴,各家規(guī)模皆小,難以自動化。 一般將發(fā)酵分為液態(tài)發(fā)酵及固態(tài)發(fā)酵,液態(tài)發(fā)酵對無菌的要求嚴(yán)格,在溫控(冷,熱水供應(yīng)調(diào)節(jié)),pH控制(酸,鹼補(bǔ)充),饋料,氧氣供應(yīng)(含攪拌速度)控制,泡沫去除(消泡劑補(bǔ)充),二氧化碳排放監(jiān)測及記錄,都已發(fā)展的相當(dāng)成熟,發(fā)酵完畢後菌體或產(chǎn)物之固液分離(例如調(diào)整等電點(diǎn)以沉降)。萃取,濃縮,脫色,脫臭,結(jié)晶等工藝亦已大多完善,只要資金夠,投資效益明顯,大抵在自動化上沒有問題。以國內(nèi)益生菌產(chǎn)業(yè)為例,目前在國內(nèi)市場蓬勃發(fā)展,優(yōu)酪乳及稀釋優(yōu)酪乳(如養(yǎng)樂多),2010產(chǎn)值約76億,故其自動化程度相當(dāng)高,發(fā)酵後,調(diào)配充填,分裝甚至到成品包裝皆已完善。而粉末型乳酸菌亦有13億市場且逐年增加中,由於產(chǎn)值較低,介入生產(chǎn)的企業(yè)規(guī)模較小,在自動化方面較不足,目前規(guī)模大抵皆在每日10噸發(fā)酵液以下。發(fā)酵液採用國產(chǎn)半連續(xù)式離心機(jī)(價格在80萬左右),可以連續(xù)入料,待菌體滿艙筒時,則需停機(jī)以人工挖出菌泥,離心過程需隨時監(jiān)控上流清液, 稍不留意就會造成菌體之逸失,故產(chǎn)業(yè)面臨之問題及需求明確,解決方案亦很清楚,但問題在於產(chǎn)業(yè)規(guī)模太小,只有少數(shù)廠家能夠負(fù)擔(dān)國外連續(xù)式離心設(shè)備(價格在壹仟萬元以上,每小時處理量可達(dá)5噸以上),此外,離心後所得菌泥需再混合抗凍劑(一般為脫脂奶粉)後,再以人工裝盤,進(jìn)行冷凍乾燥,人工分裝很容易污染雜菌,冷凍盤之清潔,清洗即相對很重要(故以人工為之),分裝如果不均勻,亦會造成厚度不均,使凍乾後易有部份未乾的情形發(fā)生,但以目前每天(每批)少於100盤之充填數(shù),要設(shè)自動化定量充填設(shè)備則是顯得過於浪費(fèi)。凍乾品之收成亦需人工為之,回收凍乾菌塊後再進(jìn)行磨粉,秤重,分裝,封口等作業(yè)由於一槽五噸級發(fā)酵槽,所得凍乾品約為25公斤,即使每公斤分裝一袋,亦只25袋而已,故談不上自動化需求。反觀日本養(yǎng)樂多公司因市場需求夠大,其裾野工廠就有108座發(fā)酵槽(約十年前資訊),所以即使是倒原料(奶粉拆袋,倒料入槽,紙袋回收)的動作皆採用機(jī)械手臂來執(zhí)行,因此可知國內(nèi)業(yè)界並非對自動化需求無感,而是考量到投資效益及資金,而這與市場規(guī)模又息息相關(guān)。 至於菇類液態(tài)發(fā)酵製程,除了相同的上游發(fā)酵外,同樣會面臨下游固液分離的步驟,由於菇類菌絲顆粒遠(yuǎn)大於細(xì)菌,因此其使用之離心機(jī)之G值可以較低,但菌絲的收集,運(yùn)送皆需要人力,以50噸槽為例,收得的濕菌絲約在4噸左右,將進(jìn)行乾燥作業(yè),如果離心室slurry狀態(tài),則易於輸送,但不利於乾燥成本,若離心後呈paste狀,則後續(xù)乾燥成本低,但輸送要靠人工。隨後進(jìn)行的乾燥作業(yè)亦因各家需求不同,採用方式有異,例如可採冷凍乾燥、噴霧乾燥或滾筒乾燥等,後兩者採熱加工,若離心後為paste狀,則上機(jī)時需復(fù)水以利輸送,因經(jīng)過熱殺菌效益,故只要無後污染產(chǎn)生,可直接成為合格產(chǎn)品,所得粉末顆粒較結(jié)實(shí),密度高不易吸濕受潮。但前者冷凍乾燥則需要paste狀,菌絲以降低成本,但分裝鋪盤作業(yè),在人工操作且無後續(xù)熱加工情形下,較易有微生物污染情形,凍乾產(chǎn)品體積較大,重量較輕,在充填膠囊時可以較飽滿並可避免因熱傷害造成產(chǎn)品天然色澤或熱敏性有效成分的損失。綜合上述,採用冷凍乾燥者在定量鋪盤及回收乾物上尚未自動化,後兩者則在乾物回收部份尚有些許需求。整體而言國內(nèi)液態(tài)發(fā)酵部份因市場不大,生產(chǎn)規(guī)模受限,在評估投資效益後,部分製程仍採用人力來解決。 相對於液態(tài)發(fā)酵,固態(tài)發(fā)酵處理的固態(tài)基質(zhì)相對大量,且由於固體之輸送,混合均不如液體方便,因此在自動化程度上更為需求,茲以國內(nèi)最大宗的固體發(fā)酵-菇類栽培為例來加以探討。 菇類人工栽培可分為床栽,袋栽及瓶栽。(近幾年樟芝椴木栽培大為流行,基本上可歸為袋栽方式,另有僅在樟芝產(chǎn)業(yè)發(fā)展的皿培式培養(yǎng)法,人力耗損高,污染率亦高,或可比照參考日本川崎重機(jī)發(fā)展自動化ips細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng),在無菌環(huán)境下以機(jī)械手臂配培養(yǎng)基,滅菌,接菌(subculture)鏡檢,品管等功能,引進(jìn)自動化發(fā)展設(shè)施,稍以簡化,用在皿培式生產(chǎn)),菇類栽培基質(zhì)為木屑,米糠,稻草,棉花等農(nóng)產(chǎn)廢棄物,體積龐大,搬運(yùn)過程皆以卡車為主,卸貨後堆積如山需先經(jīng)自然高溫堆肥發(fā)酵的過程,期間需有淋水,翻堆等動作,大抵以小山貓為之,發(fā)酵後需混合米糠,粉頭,石灰等材料,並調(diào)整水分含量及pH值。由於處理量大,個別材料顆粒大小不一,比重不同,其混合均勻度可疑,目前缺乏品管檢測評估。隨後充入袋中或瓶中壓緊,加蓋或人工套上頸環(huán)在填塞棉花,塑膠瓶因較有硬度,故易於配合機(jī)械自動化操作,塑袋部分在充填,上下架(滅菌),接菌(固體接固體),搬運(yùn)上下架(培養(yǎng)),割袋,採收,去柄,熱風(fēng)乾燥,秤重包裝等,每一步驟幾乎都需要自動化的幫助以提升效率。 尤其每包重量約1 kg,人力負(fù)擔(dān)大,業(yè)界已發(fā)展出以12包為一盤,採用盤為處理單位,已可減少10倍左右的工作量,並配合可加長延伸的輸送帶,或以軌道車便於推送,基本上已大大降低人力的負(fù)擔(dān),但仍有許多仰賴人力的操作,包括接種(菌),上架,下架,出菇後採收,菇體之整形,分級,秤重,包裝,廢棄物之處理等,以目前菇類栽培走向企業(yè)化經(jīng)營而言,其實(shí)對自動化的需求十分殷切, 例如多年前即與學(xué)界結(jié)合引進(jìn)液態(tài)種菌,即希望取代目前的固態(tài)種菌,一來可節(jié)省人力,二來可改善品質(zhì),具體之優(yōu)點(diǎn)尚有接種量一致(體積控制),二種菌生理狀態(tài)均一,三生長速度快,縮短產(chǎn)程,降低成本,四污染率降低等。自動化誘因頗高,雖然生產(chǎn)的菇類屬於農(nóng)產(chǎn)品,單價較低,但每家都是個體戶,所以目前已有幾家業(yè)者與學(xué)研單位合作,選擇自動化較容易的瓶栽方式投入試做,只是迄今效果不佳,不佳的可能原因在於：一、 以每包(罐)接種20 ml計(jì)算,若每天接種一萬包,則需200L,若加計(jì)管路耗損及發(fā)酵槽操作體積( working volume )必須小於實(shí)際體積三至五成以容納起泡空間的考量,則每日需接種一槽500L發(fā)酵槽,培養(yǎng)天數(shù)若為七天,則至少需有七槽同時在進(jìn)行,若技術(shù)不夠純熟,要有備胎,則需要有14個發(fā)酵槽,一下子將建構(gòu)成本拉高許多。以一般液體發(fā)酵使用之500 L發(fā)酵槽約需400萬估計(jì),並非一般公司負(fù)擔(dān)。所以需尋求較輕便型機(jī)臺,中國大連有公司曾推出130 L及270 L型簡易型電熱滅菌發(fā)酵槽,售價僅臺幣十多萬至二十多萬,且附送教學(xué)課程。但未防止污染,需向其購買不明藥粉,且由於設(shè)計(jì)不良,加熱棒常因加熱結(jié)垢而損毀,所以有多家公司購入後閒置在旁。另即使發(fā)酵槽完善,尚必須至少每天14罐的三角玻璃瓶種菌瓶,公共設(shè)備則有殺菌釜,鍋爐,冷卻水塔,無菌空氣,CIP清洗等,並配合後段的無菌充填(定量)自動化系統(tǒng)等,對一般菇農(nóng)或農(nóng)企業(yè)而言,此成本不低。無菌充填系統(tǒng)在飲料工業(yè)已發(fā)展的十分普遍與進(jìn)步,但國內(nèi)食品大廠也都只是購買國外先進(jìn)設(shè)備來生產(chǎn),而非國內(nèi)自己可生產(chǎn)設(shè)備及包材,飲料線的需求大,故吸引國際大廠投入,但面對規(guī)模遠(yuǎn)小的菇農(nóng),自然興趣缺缺。因此必須靠國內(nèi)自行開發(fā),開發(fā)費(fèi)用若無政府支持,民間難以負(fù)荷。二、 另與飲料充填不同的是：飲料包材以化學(xué)藥劑(H2O2)滅菌後,以無菌熱風(fēng)趕走H2O2,在於無菌空間下進(jìn)行分裝,所以包材部分卻可做到滅菌無菌程度,而非僅殺菌而已。但反觀瓶栽培養(yǎng)基質(zhì)雖可以高溫高壓長時間滅菌,但受限於木屑表面及其間的孔隙空氣,在熱傳上造成限制,而瓶蓋的隔絕密封度亦不足以防止冷卻時的倒吸效應(yīng)等,故不易達(dá)到滅菌程度,過去以來之所以仍可接種栽培,有部分原因來自於水活性的限制及難利用基質(zhì)(例如木質(zhì)素(lignin)及纖維素對無法利用該類碳源的微生物之限制),來選擇性保護(hù)菇類避開競爭?，F(xiàn)在改為液體接菌,由於液態(tài)發(fā)酵可以生長迅速的原因在於提供單,雙醣等易於利用的碳源及如酵母抽出物,蛋白腖等氮源,故液體接種時將同時補(bǔ)充易消化利用碳,氮源及破壞水活性,提供未被殺死雜菌竄起的機(jī)會,造成污染。若要將此等碳氮源耗盡再接種,此時菌體又必然太老,活力不強(qiáng),但若不吃完,則有大量的營養(yǎng)份隨著接種進(jìn)入塑瓶中,並同時提高水活性,使原來因熱傳不佳而未殺死的細(xì)菌孢子或因冷卻過程倒吸入瓶的細(xì)菌得以甦活繁殖。故其自動化考量非僅在自動化本身甚至必須包括上游的培養(yǎng)瓶業(yè)者的生產(chǎn)作業(yè)改良及整個滅菌程序的重新考量。三、 除了硬體設(shè)施外,軟體應(yīng)是更重要的資產(chǎn),這裡面包括了品管,品保的觀念,不只是及早發(fā)現(xiàn)問題,並能追出原因(此部分常是困難所在,例如發(fā)酵槽污染了,如何判斷原因來自人為操作不當(dāng),機(jī)械故障,或種菌出問題等等),如何解決問題,甚至防範(fàn)不再發(fā)生,這些都是在實(shí)務(wù)上繳了許多學(xué)費(fèi)後摸索出來的,甚至再反覆多次回去修改硬體才能完成,由於設(shè)備自己開發(fā),故仍需長時間來摸索,此部分不像從國外購買設(shè)備,國外設(shè)備廠因供應(yīng)全球各國各廠多年,已累積了許多經(jīng)驗(yàn),甚至建立SOP,可立即幫助解決問題。無此管道支援,在國內(nèi)只能以籌組聯(lián)盟的方式,尋求學(xué),研界各種跨界人才的幫忙,才可能有較快的腳步。四、 辛苦建立起來的技術(shù)如何確保不外流?!國內(nèi)有許多家具有實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn)的菇類發(fā)酵工廠,經(jīng)過多年辛苦摸索,達(dá)到目前成績.至少在發(fā)酵階段應(yīng)不至於太難,然則是否願意無私來傳授他人,則是強(qiáng)人所難。因?yàn)橐坏┹o導(dǎo)固態(tài)發(fā)酵業(yè)者成功生產(chǎn)液態(tài)菌種,則無異於培養(yǎng)一個競爭對手,因?yàn)?00L槽可以量產(chǎn),要scale up到五噸或十噸級便不是問題,而依過去農(nóng)業(yè)技術(shù)容易外流的經(jīng)驗(yàn)情況,推估,實(shí)在難有信心不會外流,因此不願意技術(shù)扶持或合作,是可以預(yù)期的。因?yàn)閷脮r農(nóng)企業(yè)轉(zhuǎn)型生產(chǎn)菌絲體產(chǎn)品而且成螞蟻雄兵之勢反噬。此亦為液態(tài)發(fā)酵業(yè)者所不樂見的。 結(jié)語：過去我們的產(chǎn)業(yè)(不僅限於發(fā)酵產(chǎn)業(yè)),由於高階人才多到學(xué)界服務(wù),進(jìn)入業(yè)界的人才又受制於公司重行銷,輕研發(fā),是故即使有心者,有能力者亦難有發(fā)揮空間,導(dǎo)致整體產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新不足,永遠(yuǎn)淪為花大錢買設(shè)備,壓低工資,獲取微利的模式。 發(fā)酵產(chǎn)業(yè)很慶幸於用同樣一個發(fā)酵槽,可以因菌種不同,配合不同的化工單元操作設(shè)施連接而開發(fā)出天南地北差異很大的素材或原料,而行自給自足的模式以降低成本,此外,自己生產(chǎn)原料,故可在製程上或配方上創(chuàng)造出差異化,因此,掌握發(fā)酵核心技術(shù),配合後端之成品充填,包裝等自動化生產(chǎn)高利潤的保健食品,很難在同行間握有優(yōu)勢。優(yōu)勢可以站穩(wěn)市場,可以蓬勃發(fā)展,自然回頭來做設(shè)備與製程的自動化。唯在做自動化的過程中,業(yè)者自身必須認(rèn)清是否只是要建立自動化之資本障礙,或是更進(jìn)一步建立技術(shù)障礙。由於生產(chǎn)線天天在動,其中可能有不順或不良的所在,自己最清楚,如果自己有能力自己修改,則無形