晴時多雲

《科技與創新》微生物染料開發與纖維應用

2021/05/24 08:00

工研院「微生物染料開發與纖維應用」,勇奪愛迪生獎銀獎榮譽,將為紡織產業鏈帶來跨時代的突破,打造新藍海商機。圖為工研院材化所組長唐靜雯(坐者中)與研發團隊配戴由微生物染料染製的紡織品。(圖片由工研院提供)

追求時尚也要永續環保!工研院創新研發「微生物染料開發與纖維應用」,勇奪2021年愛迪生獎銀獎榮譽。這項具備環保、無毒、環境相容性高等特色的微生物染料生產技術,將為紡織產業鏈帶來跨時代的突破,打造新藍海商機。

細菌可以生產染料?絲巾、運動服裝、胸花、手提布包……這些看似與一般紡織品色彩無異的產品,正是透過工研院「微生物染料-MatabColor」,以改質大腸桿菌,將其代謝物製成染料後,應用於染色織品。

從食用色素走向紡織品染料

萃取天然動植物、礦石等有機及無機物,是人類自古以來習以為常的染料產生產技術;「大菁靛染、胭脂蟲紅染都是常見的動植物染料,俗稱細菌的『微生物』其實也是可生產染料的重要角色,而且人類很早就將其運用於日常生活中,」工研院材料與化工研究所經理張珮菁舉例,客家人擅長以紅麴醃漬肉類使其醱酵,除藉此延長食物保存期限、增加風味之外,紅麴也為食物添加艷麗赭色、增加美觀,其實紅麴是由紅麴黴菌發酵而成,是相當古老的天然食用色素。

「雖然微生物具有生產染料潛力,但所生產之染料染色效率差,過去多應用於食品產業,直到20世紀末,因為化學染料所產生的環保問題,才開始有人研究如何將其運用於紡織品上。」在生產化學染料的過程中,需要使用各種成分複雜、濃度高的芳烴化合物作為「中間體」,並產生大量工業廢水,對環境造成汙染。隨著環保意識抬頭,歐美國家紛紛以法規限制,具高汙染性的化學染料合成產業在已開發國家中,包括臺灣,近乎絕跡。

為了永續環境,傳統取自天然的生質染料重新為人所重視,而常見的動植物染料雖對於環境破壞程度小,卻有著生產耗時、品質不穩定及難以工業化的缺點。隨著現代生物科技日漸成熟,利用基因工程改質微生物代謝路徑,並以醱酵工程技術大量生產符合商業需求的染料,成為解決產業問題的契機。

察覺市場對於生質染料的需求,工研院整合生物化工、紡織工程技術的團隊投入研發能量,並選定具有大量研究基礎、生長速度快的大腸桿菌作為主要菌株,研發出具產業革命性的「微生物染料-MatabColor」生產技術。

經過5年的努力,團隊成功賦予大腸桿菌菌株顯色能力,產出多種原色染料。(圖片由工研院提供)

瞄準產業需求 開啟跨域研發

但研發過程並非一帆風順,對率領研發團隊的工研院材化所組長唐靜雯來說,會投入這項跨域研發還是誤打誤撞的巧合。5年前所內組織重整,將專攻生物化工、紡織工程技術的兩個團隊整併成一組。「紡織工程的同仁本在研發植物染料助劑,生物化工的同仁則以開發生物合成化學品為主,兩組擅長的領域、方向截然不同,」為了替不同技術背景的團隊找到共同研發方向,讓身為組長的唐靜雯傷透腦筋。

在工研院任職30多年的唐靜雯,擅長紡織工程技術,加上勤跑紡織產業基層,相當熟稔產業狀態及市場需求。她敏銳地察覺,隨著快時尚潮流及環保意識興起,產業對於生質染料的需求逐年增加,而微生物染料將是既能符合環保規範,又能供應市場需求的關鍵創新技術。

工研院材化所副組長張昌榮指出,微生物染料為橫跨生物化工、紡織工程兩門完全不同專業的技術,不僅跨領域串接技術的難度大,且微生物染料屬於創新領域,研究成果並不多,有許多空白地帶有待填補。「但『跨領域創新研發』正是工研院的強項所在!」唐靜雯豪爽地說,確認研發方向後,她便不再猶疑,整合研究人員組成微生物染料團隊著手研發。

高品質多色染料 翻轉紡織產業

經過5年的努力,團隊成功賦予大腸桿菌菌株顯色能力,產出多種原色染料,並可藉由混搭三原色的方式,進一步變化出數十種顏色。目前藍色染料、棕色染料已具有穩定產能,並進入試量產階段,前景可期。

「除了使菌株具顯色能力,還需要提升染料的生產效率及穩定性,」張昌榮說明,從菌株培養、改質菌株、醱酵製程、到最後的純化萃取染料,每項流程環環相扣,團隊歷經無數次失敗重來,方才研發出可生產品質穩定的微生物染料生產製程技術。

為使微生物染料在應用上能符合產業需求,團隊更開發出染色助劑及纖維表面改質技術,「目前微生物染料在棉、尼龍紡織品的色牢度、飽合度及色深度呈現上,已可媲美化學染料的成果,突破過往生質染料的瓶頸,」張昌榮說。

現行紡織產業對黑色的需求相當高,團隊也正著手開發單一黑色微生物染料,「目前化學染料禁止生產黑色染料,業界需要用高濃度三原色混合調配方能產出,消耗的資源不僅較其他顏色大,染整製程中也會產生更多廢水,」張佩菁表示,若能成功開發單一黑色微生物染料,不僅具備相當高的商業價值,更能為環保盡一份心力。

「我們一開始便以市場導向的研發為目標,研發成果自然要符合市場需求,才能打造微生物染料解決方案,」唐靜雯期待,微生物染料在製程上具備的低碳、安全無毒等特性,可協助國內紡織產業超前部署,建立MIT(Made In Taiwan)綠色供應鏈。

展望未來,對於染料有需求的相關產業皆可應用這項技術,這將會是跨域整合紡織工程、生物化工、化學品產業,具革命性突破的新興商業模式,藍海前景無限。

微生物染料開發流程,從菌株改質,賦予菌株產出各式顏色的能力,再從數億的菌株中挑選高效率的菌株生產染料,僅需2、3天的時間便可醱酵完成,產出多種原色微生物染料。(圖片由工研院提供)

(本文轉載自工業技術與資訊月刊)

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