AI加速酵素分解回收再生紡織品技術的發展
一、前言
2024年歐洲議會通過《廢棄物框架指令》，其中包括紡織品延伸生產者責任（Extended Producer Responsibility, EPR），要求欲將紡織品銷售至歐洲市場的企業，需承擔其收集、分類和回收的費用，該法令將加速紡織品回收再生技術的發展。其中，生物酵素分解回收再生技術為近期較引人注目的技術之一。
生物酵素分解意指將合成物代謝或分解成原始單體的生物過程，具有所謂「破壞性的新陳代謝（Destructive Metabolism）」，適合做為紡織品回收再生的解決方案。目前已有研究人員對酵素進行篩選與客製化，並透過酵素分解將聚酯或尼龍材質布料重新解聚成原生單體，提高紡織品回收再生的品質。
然而，並非任一種酵素都能做為紡織品材料分解的對象，而需先將紡織材料放置於各種自然環境（包括土壤、淡水或鹽水等）一段時間後，才得以確認那一種生物酵素與該紡織材料的親和力較高。然而，透過AI科技和機器學習可加快篩選酵素的過程，如：美國德州大學奧斯汀分校團隊使用人工智慧設計一種酶，可以在一兩天內降解常用的塑膠，並使用機器學習演算法，來確定酵素的哪些突變可在低溫下更快發揮作用，以降低能源消耗及提高效率。
近年來陸續有新創公司結合AI和機器學習，並準備將酵素分解聚酯廢料的製程商業化量產，期能做為紡織品回收再生的解決方案，以減少紡織廢棄物的問題。
二、紡織品酵素分解商業化回收再生案例
（一）美國Protein Evolution
美國Protein Evolution公司由Connor Lynn和Jonathan Rothberg博士於2021年創立，並在2023年成功利用其生物酵素分解技術Biopure™，將聚酯廢料解聚轉化成對苯二甲酸（PTA）和乙二醇（MEG）單體後，可生產成新纖維並製成新服裝。Protein Evolution同時與英國設計師品牌Stella McCartney合作（參見圖1），探索如何使用透過生物酵素分解回收再生纖維開發新服裝和鞋類產品。
資料來源：Protein Evolution
圖1 Stella McCartney與Protein Evolution在COP 28聯合國氣候變化大會推出以Biopure™技術製成的外套
Biopure™技術同時利用人工智慧(AI)在龐大的生物技術資料庫中，識別出適合該化纖材料降解特性的酵素，可縮短從最初概念到潛在酵素的時間，並透過機器學習模型，預測酵素在不同條件下的活性與熱穩定性，以了解酵素結構的變化，此有助於工程師能設計出具特定特性的酶，而無需大量的試驗和錯誤（Try & Error）。
Protein Evolution除研究聚酯材料，同時也在探索能夠分解聚醯胺和聚氨酯的酵素。為此，Protein Evolution與英國專門為人工智慧生物設計繪製生物多樣性數據的公司 Basecamp Research 策略合作設計新型酶，這些酶可以將聚氨酯和尼龍的長化學鏈分解為其組成前體分子，除了完全循環利用之外，由這些回收成分製成的紡織品碳足跡可明顯降低，同時保持原始塑膠的品質和強度。Basecamp Research的生物多樣性地圖中擁有超過 60 億個基因組、環境和其他生物相關數據之間的關係，其AI平台可利用全面性的數據來預測其設計的蛋白質特性。
（二）法國企業 Carbios
法國企業Carbios公司自2011年開始進行酵素分解回收再生技術的研究，並在花了數年時間後設計出一個能夠在100°C左右溫度下操作的特定「PET 酵素」菌株。2022年Carbios與Paul Pascal研究中心（CNRS和波爾多大學的聯合研究單位，專門從事微流體技術）合作開發微流體（Microfluidics）技術以加快酵素篩選過程。這項尖端技術可以在一天之內篩選數百萬種酶，從而加快優化酶分解 PET 的過程。這種競爭優勢使Carbios能夠縮短研發和生產酵素的時間（參見圖2）。
資料來源：Carbios
圖2 Carbios以微流體技術加快酵素篩選過程
在商業化量產方面，2020年Carbios與丹麥酵素生產領導企業Novozymes宣布共同將PET分解酵素商業化；2023年Carbios和總部位於泰國的Indorama Venture公司合作，在法國大東部區（Grand-Est Region）的 Longlaville 建設全球第一間PET生物循環回收工廠，預計建成後每年可處理50,000噸PET廢料（參見圖3）。Carbios以專有解聚技術ZYME™，將PET轉化為單體，可用於製造100%無限可回收的PET，該廠房預計在 2025 年初正式啟用。
資料來源：Carbios
圖3 Carbios的合作夥伴生態系
公司創辦人 Philippe Pouletty 原本設定目標是開發十種不同的聚合物分解技術，目前十種聚合物中，已開發出能夠分解某些聚酯的專有酶，以及可做為堆肥材料的生物基聚合物聚乳酸（PLA）兩種，後者雖然無法完全回收利用，但有助於減少廢棄物（參見圖4）。
資料來源：Carbios
圖4 Carbios透過酵素分解解聚聚合物
（三）澳洲Samsara Eco公司
Samsara Eco成立於2021年，亦是以酵素分解回收再生為核心技術，透過設計酵素來優化微生物，將紡織品和包裝等塑膠分解恢復到原始單體，可用於生產新化纖材料而不會降低品質，從而實現紡織品的無限回收（Infinite Recycling）。
2024 年 2 月，加拿大瑜珈服Lululemon 推出首批由酵素法回收的尼龍 6.6 製成的Swiftly Tech 系列長袖上衣。該產品由 50% 尼龍、44% 回收聚酯、3% 彈性纖維和 3% 抗靜電尼龍混合製成，其中在尼龍成分裡的90%材料來自Samsara Eco的生物酵素回收原料。
Samsara Eco的專利回收技術 EosEco，利用生物物理學、化學、生物學和電腦科學（包括人工智慧AI）來製造酶後，將塑膠廢物分解為單體，並整合到Lululemon所開發的新品。2024年4月地球日，lululemon發佈其結合碳捕捉技術及Samsara Eco的酵素分解技術，推出回收再生聚酯纖維製成的Packable Anorak 限量夾克（參見圖5），產品已在澳洲、美國和加拿大銷售。
資料來源：luluelmon
圖5 lululemon Packable Anorak採用碳捕捉及酵素分解回收再生聚酯布料
2024年6月，該公司在最新一輪融資中籌集約 6,500 萬美元，投資方包括投資者包括新加坡國家投資公司淡馬錫、日立風險投資部門（Hitachi Ventures）和加拿大瑜珈服品牌Lululemon等。預計最新一輪融資將用於建造一座尼龍工廠和一座聚酯工廠。
三、結論
目前市場上的紡織品化學回收技術包括溶劑分解、微波解聚、酵素分解等製程，但不論是採用哪一種回收製程，透過結合AI科技，都有助加速紡織品回收再生的發展，例如舊衣分選技術結合光學科技等技術，再以AI模型進行預測及分類的發展趨勢，有助於建構穩定的Textiles-to-textiles回收料源，增強國內發展閉鎖循環回收紡織品的利基；生物酵素分解技術透過結合AI和機器學習，有助於加快酵素的篩選過程。
生物酵素分解的紡織品回收再生技術因不需使用溶劑，更具環保製程的優勢，而隨著Carbios等公司已開始建立工業化生產規模，且除針對聚酯材料外，也開始擴大研究聚醯鞍、PU等其他材質的酵素分解，未來紡織品大量走向閉鎖循環回收再生之路指日可待！
四、參考文獻
- https://www.anthropocenemagazine.org/2022/05/ai-designed-enzyme-devours-plastic-waste-in-hours/
- Lu, H., Diaz, D.J., Czarnecki, N.J. et al.(2022), Machine learning-aided engineering of hydrolases for PET depolymerization. Nature, p662-667.
- Haydn Davis(2024/6/27), New funding to drive Samsara recycling capability, Ecotextile News.
- Carbios Microfluidics微流體技術：https://www.carbios.com/en/carbios-accelerates-its-enzyme-optimization-with-screening-capabilities-for-millions-of-enzymes-in-a-day/
