มาลินี
อัศวดิษฐเลิศ
หน่วยบริหารจัดการความรู้
ศูนย์พันธุวิศวกรรมและเทคโนโลยีชีวภาพแห่งชาติ
สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ
กระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี
หากกล่าวอย่างกว้างๆ
เทคโนโลยีชีวภาพ หรือ ไบโอเทคโนโลยี (Biotechno-logy) หรือ
ไบโอเทค (Biotech) คือ การใช้ความรู้ในสาขาต่างๆ เช่น
ชีววิทยา จุลชีววิทยา พันธุศาสตร์ ชีวเคมี รวมถึงศาสตร์อื่น เช่น
วิศวกรรมศาสตร์ เกษตรศาสตร์ แพทยศาสตร์ คอมพิวเตอร์
เป็นต้น เพื่อนำสิ่งมีชีวิตมาประยุกต์ให้เกิดประโยชน์ต่อมนุษย์
โดยครอบคลุมตั้งแต่เทคโนโลยีที่ใช้ในการเกษตรกรรม
จนถึงการผลิตยารักษาโรค...เริ่มตั้งแต่เทคโนโลยีค่อนข้างง่าย เช่น
การทำน้ำปลา ซีอิ๊ว แหนม จนถึงเทคโนโลยีที่อาศัยกระบวนการหลายขั้นตอน
เช่น การออกแบบ และใช้ความรู้ทางวิศวกรรม
เพื่อสร้างผลิตภัณฑ์ใหม่ๆ
ที่มีคุณสมบัติพิเศษตามที่ต้องการที่ไม่อาจผลิตได้ตามธรรมชาติ
Biotechnology-Definition (Oxford English Dictionary)
The Branch of technology concerned with modern forms of industrial
production utilization living organisms, especially
micro-organisms, and their biological processes.
นิยามของเทคโนโลยีชีวภาพ
เทคโนโลยีสาขาหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับอุตสาหกรรมการผลิตรูปแบบใหม่ที่ได้จากการใช้ประโยชน์สิ่งมีชีวิต
(โดยเฉพาะอย่างยิ่งการใช้ประโยชน์จากจุลินทรีย์) และกระบวนการต่างๆ
ของสิ่งมีชีวิต
เทคโนโลยีการหมัก
(Fermentation Technology)
เป็นขอบเขตหนึ่งของเทคโนโลยีชีวภาพ
เป็นวิทยาศาสตร์ประยุกต์ที่นำเอาจุลินทรีย์มาใช้ประโยชน์ทางอุตสาหกรรม
โดยอาศัยการจัดการสภาพแวดล้อมให้เหมาะสมเพื่อกระตุ้นให้จุลินทรีย์เจริญเติบโต
และเอื้อให้จุลินทรีย์สร้างน้ำย่อยหรือเอ็นไซม์เพื่อเปลี่ยนแปลงวัตถุดิบให้เป็นผลิตภัณฑ์ในรูปแบบต่างๆ
ทั้งนี้ สิ่งที่ต้องการจากกระบวนการ
อาจเป็นเซลล์ของจุลินทรีย์เอง (เช่น
โปรตีนเซลล์เดียวที่ใช้เป็นแหล่งโปรตีน)
หรือเอนไซม์ที่จุลินทรีย์สร้างขึ้น (เช่น
เอ็นไซม์ที่ใช้ผสมกับผงซักฟอกเพื่อกำจัดคราบไขมัน คราบโปรตีน)
หรือผลิตภัณฑ์ที่จุลินทรีย์สังเคราะห์ขึ้นในสภาพแวดล้อมนั้นๆ (เช่น
กรดซิตริก หรือกรดมะนาว)
ตัวอย่างผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการหมักในชีวิตประจำวันของเราเช่น
เต้าเจี้ยวและซีอิ้ว
ที่ได้จากการหมักถั่วเหลืองและแป้งสาลีหรือแป้งข้าวจ้าว
หรือแป้งสาลีผสมแป้งข้าวเจ้า โดยใช้เชื้อรา Aspergillus
oryzae ไวน์ เบียร์ และเครื่องดื่มอัลกอฮอล์อื่นๆ
ซึ่งได้จากการหมักผลไม้ ข้าว ด้วยเชื้อยีสต์ Saccaromyces
cerevisae
คำว่า “การหมัก” มาจากภาษาละติน คือ “Fervere”
หมายถึงการเดือด (Boil)
ซึ่งสื่อถึงลักษณะของฟองก๊าซที่เกิดขึ้นในการหมักผลไม้และข้าวมอลต์โดยยีสต์
การที่น้ำหมักที่ได้มีลักษณะเป็นฟองเนื่องจากยีสต์ใช้น้ำตาลในผลไม้เป็นแหล่งอาหาร
(แหล่งอาหารของยีสต์ นักวิชาการเรียกว่าแหล่งพลังงานและแหล่งคาร์บอน)
ทำให้ได้คาร์บอนไดออกไซด์และแอลกอฮอล์
ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์นี่เองที่ทำให้น้ำหมักที่ได้มีลักษณะเป็นฟอง
ปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์ได้ให้คำจำกัดความของการหมักกว้างขึ้น
โดยเน้นว่าการหมักเป็นกระบวนการแปรสภาพทางชีวเคมีเพื่อให้มีการเปลี่ยนแปลงวัตถุดิบเป็นผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ
โดยกระบวนการดังกล่าวต้องอาศัยการผลิตเอนไซม์ของจุลินทรีย์
ปัจจุบัน
เทคโนโลยีการหมักนำมาใช้เพื่อผลิตผลิตภัณฑ์หลากหลายชนิดในระดับอุตสาหกรรม
ซึ่งเป็นประโยชน์และเป็นที่ต้องการของมนุษย์ เช่น เอนไซม์
วิตามิน ไวน์ เบียร์ กรดอะมิโน กรดอินทรีย์ ยาปฏิชีวนะ
และวัคซีน
โดยภาพรวม
กระบวนการหมักในระดับอุตสาหกรรมประกอบด้วยขั้นตอนหลายขั้นตอน
ขั้นตอนแรก
เกี่ยวข้องกับการแยกและคัดเลือกจุลินทรีย์จากแหล่งต่างๆ
ให้บริสุทธิ์ การทดสอบคุณสมบัติและความสามารถด้านต่างๆ
ของจุลินทรีย์
รวมถึงการดัดแปลงพันธุกรรมจุลินทรีย์เพื่อให้ได้ลักษณะที่ต้องการ
ซึ่งในขั้นตอนนี้ต้องอาศัยวิธีการที่เหมาะสมและจำเพาะแตกต่างกันไปตามชนิดของวัตถุดิบ
จุลินทรีย์ และผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ
เมื่อได้จุลินทรีย์ที่ต้องการแล้ว
ขั้นตอนที่สองเป็นการเตรียมหัวเชื้อจุลินทรีย์
(Inoculum)
ซึ่งคือการเตรียมเชื้อจุลินทรีย์ให้แข็งแรงและมีปริมาณมากเพียงพอต่อการหมัก
และการเตรียมวัตถุดิบ (Raw Material หรือ Substrate)
สำหรับนำมาถ่ายลงในถังหมักเพื่อให้เป็นแหล่งอาหารและพลังงานของจุลินทรีย์
สำหรับภาชนะสำหรับเลี้ยงจุลินทรีย์เพื่อให้เกิดการหมัก เรียกว่า
ถังหมัก (Fermenter) หรือ ถังปฏิกรณ์ทางชีวภาพ
(Bioreactor)
สิ่งสำคัญในขั้นตอนนี้
คือการปรับสภาพแวดล้อมในการเลี้ยงจุลินทรีย์เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการในปริมาณสูงในห้องปฏิบัติการ
(Laboratory scale) โดยทั่วไปนิยมใช้ถังหมักขนาดเล็ก
หรือในบางกรณีอาจใช้ขวดรูปชมพู่ (Flask)
หากขั้นตอนนี้ประสบความสำเร็จได้ผลิตภัณฑ์ที่มีคุณภาพและปริมาณสูง
(Quality & Quantity of end product)
ก็ดำเนินการในขั้นตอนต่อไป
ขั้นตอนที่สาม
เป็นการขยายถังหมัก
และปรับปรุงกระบวนการผลิตในขนาดที่ใหญ่ขึ้นในระดับต้นแบบ (Pilot
scale) และขยายไปสู่กระบวนการผลิตในระดับอุตสาหกรรม (Large scale หรือ
Industrial scale) ซึ่งถังหมักที่ใช้มีขนาด รูปร่าง
วัสดุที่ใช้แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับความเหมาะสมของการใช้งาน
และผลิตภัณฑ์ที่ได้
ปฏิกริยาระหว่างกระบวนการหมักค่อนข้างซับซ้อนและมีปัจจัยหลายอย่างที่เกี่ยวข้องได้แก่
ส่วนผสมต่างๆ สำหรับเลี้ยงจุลินทรีย์ และสภาวะในการหมัก (Parameter)
เช่น อุณหภูมิ ความชื้นสัมพัทธ์ ค่าความเป็นกรด-ด่าง
การให้อากาศ อัตราการไหลของสารเข้าสู่ถังหมัก
เป็นต้น
ขั้นตอนที่สี่
เป็นขั้นตอนการแยกผลิตภัณฑ์ที่จุลินทรัย์สังเคราะห์ขึ้นและการทำให้บริสุทธิ์
วิธีการยุ่งยากซับซ้อนเพียงใดนั้นขึ้นอยู่กับชนิดผลิตภัณฑ์ เช่น
ผลิตภัณฑ์ที่ใช้เป็นยารักษาโรคต้องอาศัยวิธีการทำให้บริสุทธิ์มากกว่าผลิตภัณฑ์อื่นๆ
กระบวนการหมักในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ต้องใช้เทคโนโลยีสูงในการควบคุมปัจจัยต่างๆ
ในกระบวนการผลิต ตลอดจนการจัดการคุณภาพของผลิตภัณฑ์
ซึ่งเทคโนโลยีการหมักต้องอาศัยความรู้จากหลายสาขาวิชา
ได้แก่ จุลชีววิทยา ชีวเคมี พันธุศาสตร์ วิศวกรรมศาสตร์
เคมีฟิสิกส์ คอมพิวเตอร์ และเศรษฐศาสตร์
เพื่อนำมาดำเนินการในการเลี้ยงจุลินทรีย์ในสภาวะที่เหมาะสม
พัฒนาการทางด้านอุตสาหกรรมการหมักยังมีขอบเขตกว้างมากในอนาคต ถือเป็นเทคโนโลยีหนึ่งที่มีศัยภาพเปลี่ยนวัตถุดิบที่เป็นผลิตผลทางการเกษตรให้เป็นผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าสูงขึ้นได้ ซึ่งเป็นเป้าหมายหนึ่งในการพัฒนาประเทศ
ที่มา: http://www.vcharkarn.com
-ขอบคุณครับ