文＝王勝鋒 PMP、產業分析師・財團法人生物技術開發中心
全球有超過60%的時尚服裝來自聚酯纖維，每年更有超過85%的舊衣進了垃圾掩埋場。但早期的聚酯纖維回收無論是物理機械法及化學解聚法，普遍存在著性能損耗、二次污染疑慮和高能耗成本等問題。2020年法國的Carbios登上了權威科學期刊《NATURE》的封面，將生物科技應用在聚酯纖維的回收再利用，彷彿為紡織業打開了另一扇曙光。
面對聯合國將在2024年底推出首部具法律效力的《全球塑膠公約》(Global Plastics Treaty)，全面規範塑膠產品生命週期，生物科技是否能在未來提供更好的解決方案?本文將從生物科技近來年在聚酯纖維分解回收上的發展一窺究竟，並期待她未來爆炸性的發展。
source: Carbios
Carbios：「世界首座」隨插即用PET生物回收廠
2023年10月，Carbios(巴黎泛歐交易所代碼ALCRB)在法國工業部長Roland Lescure的見證下，其與Indorama Ventures合作的首個量產工廠，已於法國Longlaville動土，預計2026年底投產，屆時每年可回收約5萬噸PET(polyethylene terephthalate，聚酯纖維的主要原料)，相當於20億個寶特瓶或25億個包裝盒。且本月初，德國的Hündgen Entsorgungs資源回收公司已經與Carbios簽署合作備忘錄，未來每年可望提供1.5萬噸的PET碎片。
事實上，Carbios位在Clermont-Ferrand生物回收示範工廠早自2021年即開始試營運，透過Carbios的酵素酶生物回收製程，可以將舊服裝或邊角廢料再轉化為聚酯原料。
且根據2023年Carbios申請的紡織品製備線專利可以了解，該生產線已經整合多項回收工序，包括：切碎和剔除鈕釦、拉鍊和其他扣件等組件，形成適合酵素酶回收的材料。若以連續性流程來估算，每小時約可加工300公斤PET和PLA紡織品。
source: Carbios
Carbios表示，截至2022年底，Carbios(及其子公司Carbiolice)於PET塑膠和纖維的酵素法回收及PLA生物分解技術方面，在全球已擁有336項專利(分為53個專利家族)，包括美國和部分亞洲國家(印尼、韓國、中國、日本和印度)等。在其專利家族中，Carbios也獲得了保護生物分解型塑膠生產製程的專利權，特別是含有該酵素的母料或其生產製程。
目前，Carbios正在持續擴大其創新的技術陣容，努力將專利擴展到其他聚合物領域，特別是尼龍和聚烯烴家族(如PE、PP)。
與市面上的其他回收技術相比，Carbios認為其以酶為基礎的生物回收技術具有6大優勢：
- 隨插即用(Plug&Play)，與現有製程相容性高：Carbios的回收方法不同於化學回收法，後者生產的DMT和MEG(或BHET)單體在全球產能中的占比不到5%。因此，Carbios的技術能夠與絕大多數現有PET製程順暢整合，從而可避免資本支出和重大的環境影響。
- 可處理所有PET廢料類型：Carbios的PET生物回收技術可以處理所有類型的PET廢料，包括現有技術難以或無法回收的廢料(彩色PET、不透明PET、多層包裝、工業紡織品和消費者服裝等)。
- 各個產業內的循環利用：Carbios的技術支援在各個產業內部實現循環利用，例如「纖維到纖維」的循環，可避免紡織業和包裝業之間的原料競爭。
- 更高的循環次數：Carbios的技術可回收兩種單體成分(PTA和MEG)，在整個循環過程中，r-PET的品質不會下降，並可避免使用新的石油和天然氣來生產PET。(小規模示範總體回收率高達90%)
- 媲美原生材料的品質：Carbios r-PET具有與原生PET相同的機械和技術特性，Carbios r-PET適用於任何PET應用。
- 減少二氧化碳排放量：Carbios宣稱與單次循環的原生PET生產相比，二氧化碳排放量可以減少51%。
創新的前瞻技術，不僅讓Carbios獲得了「法國2030」的補助，還擁有策略型股東L'Oréal、Michelin、L'OCCITANE的加持；自2019年起，Carbios已陸續擄獲來自不同產業的重要夥伴，包括化妝品、食品和飲料以及服裝行業知名品牌：Nestlé Waters、PepsiCo、和Suntory Beverage & Food Europe(由Carbios和L’Oréal成立)的包裝聯盟成員，2022年更進一步成立紡織業聯盟，吸引On、Patagonia、PUMA、PVH Corp.、和Salomon與Carbios展開合作。
Samsara Eco：各類塑膠通吃的酵素已經有譜
無獨有偶，在南半球，由澳洲最高學府澳洲國立大學(Australian National University)2021年衍生出來的新創公司Samsara Eco，也發展出另一條路，除了可以酵素分解聚酯纖維，目前也已經找到可以分解PA6與PA6.6的酵素酶，並已於今(2024)年2月與加拿大知名運動時尚品牌Lululemon發表了全球首個透過酵素法回收再生的尼龍6.6服裝。
Samsara Eco公司名發想自印度宗教的生死輪迴，所有生命、物質的無限重生與循環。它的酵素能在一小時內分解塑膠，把一罐寶特瓶化為一堆白粉，把塑料還原至最初的分子結構單體。
相較於傳統的塑膠回收方式是將塑膠切碎再高熱融化，Samsara Eco與Carbios的方法基本上相同，都是透過「會吃塑膠」的酵素，也無須事先區分有色塑料。
而其中最大的進展就是，除了聚酯纖維，Samsara Eco已開發出一種能分解在紡織品中最常見的兩種尼龍(PA6與PA6.6)的酵素酶。
也就是說，針對混紡的材質，Samsara Eco可以結合這兩種酶進行作用，先分解聚酯纖維，再分解尼龍，最後剩下的就是一些其他的塑料，如彈性纖維。而且據Samsara Eco稱，回收再生的聚酯與尼龍纖維均與原生材質擁有相同的觸感和功能。
Samsara Eco創始人Paul Riley甚至透露，該公司尚有一種專用於彈性纖維的酶正在申請專利中。
Samsara Eco在2022年已有試點工廠，預計於2024年底完工的第一座回收工廠，每年能處理超過2萬噸的廢塑膠。
Source: Samsara Eco, Lululemon
生物科技將是回收塑膠的最後一哩路?
事實上，比Carbios更早發現細菌可以分解塑膠的，是2016年發表於《Science》期刊，由日本京都工藝纖維大學小田耕平教授與慶應義塾大學宮本健二教授所帶領的研究團隊。該團隊在大阪府堺市一個塑膠瓶回收設施附近採集被PET污染的沉澱物樣本，首次發現了大阪堺菌(學名Ideonella sakaiensis)。
大阪堺菌粘附在PET表面，通過分泌PET水解酶(PETase)或PET酶，將PET降解為單體2-羥乙基對苯二甲酸(MHET)，一種由對苯二甲酸(TPA)和乙二醇<組成的異二聚體。
在大阪堺菌被發現之前，沒有任何生物體能夠將PET作為主要的碳和能源進行降解，大阪堺菌的出現讓PET生物降解成為可能。
然而，大阪堺菌團隊也提到，在自然情況下，6週內它只能分解薄薄一層0.2mm厚的低結晶度PET薄膜；雖然離商業化的路途十分遙遠，但這項發現已能確定酵素有分解塑膠的能力。讓業界沒想到的是，接下來的相關進展卻十分快速而且令人興奮！
2018年，英國樸茨茅斯大學(University of Portsmouth)研究團隊透過蛋白質工程技術，改變PETase的結構，設計出一種能夠更快速分解PET的新酵素。
2022年，發表在《NATURE》期刊，美國德克薩斯大學奧斯汀分校(University of Texas At Austin)研究團隊訓練了一個機器學習模型，從天然的PETase中開發出可以讓細菌更快速分解塑膠的新酵素，名為FAST-PETase，比天然的PETase提高了數倍的分解速度。
Source: Cockrell School of Engineering at The University of Texas at Austin
2023年，北卡羅萊納州立大學(North Carolina State University)研究團隊，找到在大阪堺菌中負責產生分解PET的酶的DNA序列，透過基因編輯將它移植到另外一個海洋細菌—納特里根弧菌(學名Vibrio natriegens)中，並成功地在室溫與鹽水環境中使納特里根弧菌細胞表面產生了所需降解PET的酶。
2023年，倫敦大學學院(University College London)等研究團隊共同發表於《NATURE》期刊，順利地將PETase表現在萊茵衣藻(學名Chlamydomonas reinhardtii)上，可望大幅降低PETase量產成本，為減少塑膠垃圾對環境的衝擊帶來好消息。
【投資前評估】以酵素酶分解塑膠看似前景可期，但要能真正解決回收塑膠的關鍵決定因子：成本。要想在商業上實現，再生塑膠的成本就不能比原生塑膠高出太多。2021年《ScienceDirect》上一篇分析酵素法 PET 回收製造成本的專題中提到，通過酶回收生產 PET 材料的價格約為每公斤 1.93 美元，並列出當時的生產結構成本。而我們相信，隨著技術快速進步，未來的成本可以越來越經濟。
source: Techno-economic, life-cycle, and socioeconomic impact analysis of enzymatic recycling of poly(ethylene terephthalate), ScienceDirect
跨界加乘 為世界尋找新解方
生物科技在人類的發展過程中，經常是扮演劃時代改變者(Game Changer)的角色，1928年，英國倫敦大學細菌學Alexander Fleming爵士發現了青黴素(Penicillin)，到1941年青黴素真正應用到人體上，也歷經了超過10年的時光；一枚真菌孢子飄蕩在聖瑪麗醫院的走廊，落在Alexander Fleming實驗室的培養基上，殊料，此一偶然，最後竟然產生了二十世紀前中期最關鍵的藥物上市！
另一個例子則是也許較鮮為人知的美國羅格斯大學(Rutgers University)化學家Selman Waksman，他創造了“抗生素”(antibiotic)這個術語，並在1946年生產出第二種商業化抗生素鏈黴素(Streptomycin)，如今，約90%的抗生素都是源自Selman Waksman。
2023年英國《衛報》(The Guardian)的一篇報導中，記者Stephen Buranyi寫道，大阪堺菌的共同發現人微生物學家小田耕平教授相信，「不管面對什麼科學上的新問題，微生物也許都可以從另一個方向找到解決之道！」尤其，在基因編輯(gene editing)、合成生物學(synthetic biology)、人工智慧(artifical intelligence, AI)蓬勃發展的現在，可預見生物科技的腳步勢必加倍向前，或許不出幾年的光景，就可以完美解決萬年塑料的問題，且讓我們拭目以待。
