〈工業技術與資訊〉微生物染料開發與纖維應用
撰文／梁雯晶
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。
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。
轉載自《工業技術與資訊》月刊第 351 期 2021 年 5 月號，未經授權不得轉載。
