发展产业自动化需求.docx

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发展产业自动化需求

發酵產業自動化需求淺論

發酵產業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品,所以與一般post-harvest之食品工業有所不同,因為其尚牽涉到生物製程（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變化。

由於發酵過程有生命參與其中,所以需要加以控制,才能使生命發展符合人類的需求。

而如何能控制微生物製程,當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率?

如何是能生產香味,甘味的條件等等,了解以後才能加以調控。

發酵產業的範圍很廣,廣義而言舉凡微生物菌體的綠藻,藍藻,菇類,酵母,納豆,天貝或各種酵素的生產（不同種類的微生物來源）,綜合發酵食品如醬油,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微生物,然後進入下游（downstream）之回收,純化程序,由於回收目標物之不同,其所應用之化工單元操作亦不一樣,但基本上皆已應用到許多自動化或半自動化設備,故自動化需求可能偏向於各單操之間的連結。

狹義的發酵則限於利用微生物加工的食品,此部分常因規模小而缺少自動化,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,而是其產品好壞取決於主觀適口性,各消費者喜好不同,因此百家（甚至萬家）爭鳴,各家規模皆小,難以自動化。

一般將發酵分為液態發酵及固態發酵,液態發酵對無菌的要求嚴格,在溫控（冷,熱水供應調節）,pH控制（酸,鹼補充）,饋料,氧氣供應（含攪拌速度）控制,泡沫去除（消泡劑補充）,二氧化碳排放監測及記錄,都已發展的相當成熟,發酵完畢後菌體或產物之固液分離（例如調整等電點以沉降）。

萃取,濃縮,脫色,脫臭,結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。

以國內益生菌產業為例,目前在國內市場蓬勃發展,優酪乳及稀釋優酪乳（如養樂多）,2010產值約76億,故其自動化程度相當高,發酵後,調配充填,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,由於產值較低,介入生產的企業規模較小,在自動化方面較不足,目前規模大抵皆在每日10噸發酵液以下。

發酵液採用國產半連續式離心機（價格在80萬左右）,可以連續入料,待菌體滿艙筒時,則需停機以人工挖出菌泥,離心過程需隨時監控上流清液,稍不留意就會造成菌體之逸失,故產業面臨之問題及需求明確,解決方案亦很清楚,但問題在於產業規模太小,只有少數廠家能夠負擔國外連續式離心設備（價格在壹仟萬元以上,每小時處理量可達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生,但以目前每天（每批）少於100盤之充填數,要設自動化定量充填設備則是顯得過於浪費。

凍乾品之收成亦需人工為之,回收凍乾菌塊後再進行磨粉,秤重,分裝,封口等作業由於一槽五噸級發酵槽,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。

反觀日本養樂多公司因市場需求夠大,其裾野工廠就有108座發酵槽（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）的動作皆採用機械手臂來執行,因此可知國內業界並非對自動化需求無感,而是考量到投資效益及資金,而這與市場規模又息息相關。

至於菇類液態發酵製程,除了相同的上游發酵外,同樣會面臨下游固液分離的步驟,由於菇類菌絲顆粒遠大於細菌,因此其使用之離心機之G值可以較低,但菌絲的收集,運送皆需要人力,以50噸槽為例,收得的濕菌絲約在4噸左右,將進行乾燥作業,如果離心室slurry狀態,則易於輸送,但不利於乾燥成本,若離心後呈paste狀,則後續乾燥成本低,但輸送要靠人工。

隨後進行的乾燥作業亦因各家需求不同,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,則上機時需復水以利輸送,因經過熱殺菌效益,故只要無後污染產生,可直接成為合格產品,所得粉末顆粒較結實,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,在人工操作且無後續熱加工情形下,較易有微生物污染情形,凍乾產品體積較大,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。

整體而言國內液態發酵部份因市場不大,生產規模受限,在評估投資效益後,部分製程仍採用人力來解決。

相對於液態發酵,固態發酵處理的固態基質相對大量,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,茲以國內最大宗的固體發酵-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,另有僅在樟芝產業發展的皿培式培養法,人力耗損高,污染率亦高,或可比照參考日本川崎重機發展自動化ips細胞培養系統,在無菌環境下以機械手臂配培養基,滅菌,接菌（subculture）鏡檢,品管等功能,引進自動化發展設施,稍以簡化,用在皿培式生產）,菇類栽培基質為木屑,米糠,稻草,棉花等農產廢棄物,體積龐大,搬運過程皆以卡車為主,卸貨後堆積如山需先經自然高溫堆肥發酵的過程,期間需有淋水,翻堆等動作,大抵以小山貓為之,發酵後需混合米糠,粉頭,石灰等材料,並調整水分含量及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在填塞棉花,塑膠瓶因較有硬度,故易於配合機械自動化操作,塑袋部分在充填,上下架（滅菌）,接菌（固體接固體）,搬運上下架（培養）,割袋,採收,去柄,熱風乾燥,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1kg,人力負擔大,業界已發展出以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擔,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化經營而言,其實對自動化的需求十分殷切,例如多年前即與學界結合引進液態種菌,即希望取代目前的固態種菌,一來可節省人力,二來可改善品質,具體之優點尚有接種量一致（體積控制）,二種菌生理狀態均一,三生長速度快,縮短產程,降低成本,四污染率降低等。

自動化誘因頗高,雖然生產的菇類屬於農產品,單價較低,但每家都是個體戶,所以目前已有幾家業者與學研單位合作,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：

1、以每包（罐）接種20ml計算,若每天接種一萬包,則需200L,若加計管路耗損及發酵槽操作體積（workingvolume）必須小於實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發酵槽,培養天數若為七天,則至少需有七槽同時在進行,若技術不夠純熟,要有備胎,則需要有14個發酵槽,一下子將建構成本拉高許多。

以一般液體發酵使用之500L發酵槽約需400萬估計,並非一般公司負擔。

所以需尋求較輕便型機台,中國大連有公司曾推出130L及270L型簡易型電熱滅菌發酵槽,售價僅台幣十多萬至二十多萬,且附送教學課程。

但未防止污染,需向其購買不明藥粉,且由於設計不良,加熱棒常因加熱結垢而損毀,所以有多家公司購入後閒置在旁。

另即使發酵槽完善,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）自動化系統等,對一般菇農或農企業而言,此成本不低。

無菌充填系統在飲料工業已發展的十分普遍與進步,但國內食品大廠也都只是購買國外先進設備來生產,而非國內自己可生產設備及包材,飲料線的需求大,故吸引國際大廠投入,但面對規模遠小的菇農,自然興趣缺缺。

因此必須靠國內自行開發,開發費用若無政府支持,民間難以負荷。

2、另與飲料充填不同的是：

飲料包材以化學藥劑（H2O2）滅菌後,以無菌熱風趕走H2O2,在於無菌空間下進行分裝,所以包材部分卻可做到滅菌無菌程度,而非僅殺菌而已。

但反觀瓶栽培養基質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等,故不易達到滅菌程度,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（例如木質素（lignin）及纖維素對無法利用該類碳源的微生物之限制）,來選擇性保護菇類避開競爭。

現在改為液體接菌,由於液態發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,但若不吃完,則有大量的營養份隨著接種進入塑瓶中,並同時提高水活性,使原來因熱傳不佳而未殺死的細菌孢子或因冷卻過程倒吸入瓶的細菌得以甦活繁殖。

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瓶業者的生產作業改良及整個滅菌程序的重新考量。

3、除了硬體設施外,軟體應是更重要的資產,這裡面包括了品管,品保的觀念,不只是及早發現問題,並能追出原因（此部分常是困難所在,例如發酵槽污染了,如何判斷原因來自人為操作不當,機械故障,或種菌出問題等等）,如何解決問題,甚至防範不再發生,這些都是在實務上繳了許多學費後摸索出來的,甚至再反覆多次回去修改硬體才能完成,由於設備自己開發,故仍需長時間來摸索,此部分不像從國外購買設備,國外設備廠因供應全球各國各廠多年,已累積了許多經驗,甚至建立SOP,可立即幫助解決問題。

無此管道支援,在國內只能以籌組聯盟的方式,尋求學,研界各種跨界人才的幫忙,才可能有較快的腳步。

4、辛苦建立起來的技術如何確保不外流?

!

國內有許多家具有實務經驗的菇類發酵工廠,經過多年辛苦摸索,達到目前成績.至少在發酵階段應不至於太難,然則是否願意無私來傳授他人,則是強人所難。

因為一旦輔導固態發酵業者成功生產液態菌種,則無異於培養一個競爭對手,因為500L槽可以量產,要scaleup到五噸或十噸級便不是問題,而依過去農業技術容易外流的經驗情況,推估,實在難有信心不會外流,因此不願意技術扶持或合作,是可以預期的。

因為屆時農企業轉型生產菌絲體產品而且成螞蟻雄兵之勢反噬。

此亦為液態發酵業者所不樂見的。

結語：

過去我們的產業（不僅限於發酵產業）,由於高階人才多到學界服務,進入業界的人才又受制於公司重行銷,輕研發,是故即使有心者,有能力者亦難有發揮空間,導致整體產業創新不足,永遠淪為花大錢買設備,壓低工資,獲取微利的模式。

發酵產業很慶幸於用同樣一個發酵槽,可以因菌種不同,配合不同的化工單元操作設施連接而開發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,自己生產原料,故可在製程上或配方上創造出差異化,因此,掌握發酵核心技術,配合後端之成品充填,包裝等自動化生產高利潤的保健食品,很難在同行間握有優勢。

優勢可以站穩市場,可以蓬勃發展,自然回頭來做設備與製程的自動化。

唯在做自動化的過程中,業者自身必須認清是否只是要建立自動化之資本障礙,或是更進一步建立技術障礙。

由於生產線天天在動,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,則無形中會多建立起know-how之技術障礙,所以在自動化過程若能多用點心,掌握某些關鍵動作,才更能幫公司建立可長可久的基礎。

作者:

陳勁初博士

服務單位：

葡萄王生技股份有限公司

學歷:

清華大學生命科學博士

經歷:

食品工業發展研究所菌種中心副研究員

中台醫護技術學院食衛系兼任講師

靜宜大學食營所兼任助理教授

元培科技大學食衛系兼任助理教授

弘光科技大學生科系兼任助理教授

實踐大學食營所兼任助理教授

銘傳大學生科系兼任助理教授

新竹教育大學應科系兼任助理教授

中華生化工程學會理事

現任:

葡萄王生技副總經理