生技新創公司Carbios邁向里程碑，以酵素分解多種塑膠聚合物

頗具創新精神、創立至今10年的法國生物技術新創公司Carbios，近期宣布旗下的一間示範工廠正式落成。這將有助於Carbios進一步以酵素回收各種PET、塑膠和紡織品，並為下一階段建造每年回收40,000噸材料的處理機構，打下紮實的基礎。

示範工廠在2021年9月底於Clermont-Ferrand落成，在落成典禮中，在地官員、公司經理、科學家和工程師，齊聚Clermont-Ferrand，而這個位於法國中部的城市自1889年以來，就以設有輪胎製造商Michelin的總部而聞名。各方人士參觀Carbios示範工廠，了解廠內技術如何為紡織和服裝部門帶來變革。

為了強化Carbios與Clermont-Ferrand在地工業、技術的聯繫，Carbios選在Michelin位於Cataroux城區歷史生產基地的一個大倉庫中，建立這個示範工廠。示範工廠的核心，是一個20立方公尺的反應器，可以在10小時內解聚2噸重、不限顏色的PET塑膠，且成功轉換的回收產量達到90%。

示範工廠的概念始於2011年，當時生物技術投資基金Truffle Capital的總經理Philippe Pouletty，發掘出法國國家研究所（French National Research Institute, CNRS）的一項專利技術，使Carbios走上重塑塑膠回收技法的道路。

Pouletty找來圖盧茲懷特生物技術公司（Toulouse White Biotechnology, TWB）的教授和科學家Alain Marty博士，擔任多方合作夥伴的領導人，先選定一種關鍵酵素，再對其進行工程設計和優化。最終產出的回收製程名為C-Zyme，目前已在Cataroux的工廠中運行。

現任Carbios首席科學長官（CSO）Marty表示，他最初其實對酵素能否分解塑膠，抱持懷疑態度。為此，研究小組專門觀察高污染的環境中，究竟存在哪些微生物，因為它們最有可能具備降解PET的能力。相關研究的初期執行，屬於一項由法國政府資助、名為Thanaplast的計畫，於2012年正式啟動。來到2015年，Marty領導的團隊已經找出一種可用的酵素，並將其命名為PETase。

2016年，京都大學的研究小組在《科學》期刊（Science）上，發表了一篇以酵素分解PET的論文，引起了媒體的廣泛關注，讓Carbios旗下的科學家一度以為研究被搶先了一步。不過，Marty指出，日本團隊推出名為ideonella sakaiensis的酵素，存在實作上的效能限制，運作3天只能解聚1%的PET。

與此同時，Marty的法國團隊則持續取得穩健的進展。到了2019年，研究團隊在1立方公尺的反應器中，嘗試處理200至400克的PET，透過反應器中提高的溫度，於10小時內成功轉化90%的PET。Marty表示，這可謂團隊「夢想成真」的時刻。

酶的工程化

酵素作為生物催化劑，是由一連串的氨基酸組成，存在1000種不同的變體，通常被用來將材料分解成更小的分子。在Carbios的解聚過程中，酵素會像剪刀一樣，將聚合物切割成更小單位的基本成分。

Marty提到，Carbios花了多年的時間，才找到正確的酵素氨基酸組合，並透過接下來幾年的努力，才真正設計出能在100°C左右有效進行反應的PETase。

2020年4月，Carbios的團隊在《自然》期刊（Nature）上發表了研究成果，主題名為「一種用於分解和回收塑膠瓶的工程化PET解聚酶」（An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles）。這篇文章被刊登在期刊當期的封面上，讓研究團隊和創始人Philippe Pouletty、Jean-Claude Lumaret感到非常自豪，後者近期也擔任Carbios的首席執行官。

論及研發過程，Carbios並非自主生產酵素，而是與酵素專業製造商Novozymes合作，藉此獲得生物催化劑。不過，識別、生產這種酵素，只是Carbios開發回收製程的一部分。公司研究的另一大重點，是找到使PET容易被酶消化的方法。

如何確保PET容易被酵素消化，屬於Carbios旗下的關鍵智慧財產權，因此公司對確切的做法至今守口如瓶，而Marty在示範工廠落成的演講中，也只提到了部分關鍵要素。他說：「酵素分解製程的預處理涉及擠出（extrusion）、快速冷卻，確保PET成為無定形狀態（amorphous）」。這個預處理步驟，也算是一種擴大聚合物表面積的方法，可強化材料與酶的反應。

Marty補充，Carbios開發的回收方法，可以處理各種類型的PET包裝，如食品托盤、各種顏色的容器，甚至包含氣泡水品牌Perrier的綠色瓶子，其內襯的聚醯胺薄膜（polyamide film）占瓶罐組成的7.5%。Marty強調：「我們的酵素不會受限於塑膠中常見的污染物（contaminants），而在分解效能上出現問題。」他列舉了著色劑、二氧化鈦和炭黑（carbon black）等塑膠汙染物，強調旗下酵素在任何情境皆可正常運作的巨大優勢。相比之下，機械PET回收法往往僅適用於透明塑膠瓶，因此在預處理步驟涉及耗時又昂貴的分類作業。

酵素分解PET的優勢與應用

Martin Stephan表示：「傳統的PET機械回收法，產生的聚合物品質往往差強人意，不能用於與食品接觸的包裝，且機械處理PET可生成材料的回收次數也很有限。相較之下，Carbios的酵素分解工藝，產生的PET聚合物與原生的初始級PET相同，因此應用更為廣泛。」

論及機械之外的化學回收方法，如糖解（glycolysis）和甲醇分解（methanolysis）等，Stephan指出，相關作用的聚焦效果（targeted）不如酵素分解法，因此往往衍生出難以從回收材料中提取的雜質。相反地，Carbios的C-Zyme聚焦效果卓越，只針對PET進行降解，從而簡化了分解淨化的過程，而且酵素還能在較低的溫度和大氣壓力下作業。Alain Marty表示：「與需要溶劑的化學技法相比，生物性的酵素技術只需要一般的水即可。」

Carbios的專利技術可處理的塑膠瓶顏色多樣，因此促成了一個包裝製造商聯盟的成立。這些聯盟廠商希望獲得高品質的回收再生PET（rPET）、增加旗下塑膠製品的回收再生含量，以呼應日益嚴格的監管標準，相關企業包括萊雅（L’Oréal）、雀巢水公司（Nestlé Waters）、百事可樂（PepsiCo）和三得利（Suntory），而歐舒丹（L’Occitane）和米其林（Michelin）也在最近加入該聯盟。對於米其林而言，Carbios示範工廠產出的回收再生PET，將投入輪胎的製造。

Stephan透露：「市場上對回收再生PET的需求，遠遠大於供應。隨著回收PET的技術正逐步成為業界現實，塑膠製造商也正逐步淘汰難以回收的塑膠，如聚丙烯和聚氯乙烯，並轉而使用PET。」

以回收再生PET作為原料，也幫助廠商能在瓶子和容器貼上回收和可回收的標籤，強化旗下製品的永續價值、進一步帶動rPET的需求增長。

Carbios酵素分解的回收再生PET，目前的價格比化石燃料來源的PET貴上兩倍，但Stephan堅信，隨著時間的推移，Carbios將有效壓低成本，過程猶如當初石化產業成本由高轉低的產品生命週期。

Carbios的下一步是什麼？

示範工廠的落成，使研究團隊能夠對生產過程進行微調，可謂投入大規模設施建置的最後一步。Carbios目前正積極尋求歐洲的PET製造商，希望盡速建立40,000噸產能的生物回收廠區。

Stephan提到，Carbios正與三家有意願的PET廠商討論，預計在2021年底前作出決定。Carbios將投資1億歐元，建置第一個具有工業規模的生產機構，並預計在2024年底開始運營。待商業化生產技術成熟後，Carbios也準備採用授權機制，進一度擴大產能。

對Carbios旗下的科學家和工程師團隊而言，他們最初收到的任務，是由創始人Pouletty制定，專為十種不同的聚合物，開發酶促回收技法。Marty表示：「如果我們算上Carbios子公司Carbiolice開發的酶基添加劑，確保了生物源的聚乳酸聚合物（PLA polymers）可製成堆肥，目前也僅實現最初規劃的20%。截至目前，公司其他的技術發展，來自於聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）。然而，PE、PP中存在碳對碳鍵結，因此特別難分離。相較之下，聚醯胺（polyamide）中的醯胺（amides）可能是個選擇，而聚酯中的酯鍵（ester bonds）也較容易分解。」

Stephan透露，公司未來發展的另一個關鍵方向，是回收由聚酯製成的紡織品，畢竟全球產出的PET，僅三分之一用於製作塑膠，其他三分之二的PET最終都用在紡織品。Stephan聲稱，Carbios示範工廠將有效督促紡織和服裝產業，預計明年就能夠宣佈與服裝回收有關的好消息。

據了解，Carbios的新技術可回收混紡布料中的聚酯，製程不會影響服飾中的棉花、彈性纖維、鈕扣或拉鍊，且聚酯解聚後也容易提取，與當前常見的紡織機械回收法相比將是一項重大突破。

Carbios開發的生物回收技術，能在完整且不受限的閉環體系中處理各種塑膠，因此有助於減少塑膠垃圾，並於未來投入紡織品回收。若研究團隊接著發掘新的聚合物分解酵素，也將成為公司的重點里程碑。

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