服裝品牌們愛(ài)上了一個(gè)新概念——生物基。

自2021年起，lululemon先后推出使用玉米尼龍、蘑菇皮革的產(chǎn)品；今年8月，內(nèi)衣品牌蕉內(nèi)推出了一款采用蘭精集團(tuán)生物基面料的“碳中和內(nèi)褲”，讓人沒(méi)有負(fù)擔(dān)地遮羞。

碳中和和可持續(xù)，給生物基纖維疊了兩個(gè)buff，成了以杜邦、旭化成、凱賽生物、萬(wàn)華化學(xué)等國(guó)內(nèi)外公司的新業(yè)務(wù)。

但是生物基材料好不好用、怎么生產(chǎn)？服裝公司用不用得起？還有哪些技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有解決？本文將為你一一作答。

楊景詒丨作者

李拓丨編輯

果殼硬科技丨策劃

把食物紡成線

目前大規(guī)模使用的紡織品是棉麻絲毛，或新型的菠蘿葉、棕葉纖維，均屬天然纖維或者直接生物纖維，生產(chǎn)過(guò)程不發(fā)生分子層面的結(jié)構(gòu)變化。

而生物基纖維，是以可再生生物質(zhì)為原料經(jīng)生物合成、生物加工獲得的高分子材料，它們以生物來(lái)源的乳酸、1,3-丙二醇等酸類、醇類、酯類、多糖類物質(zhì)聚合而成。依據(jù)原料來(lái)源和加工工藝不同，可分為三類：海洋生物基纖維、生物蛋白纖維和生物基合成纖維。

海洋生物基纖維

海洋生物基纖維主要有殼聚糖纖維和海藻酸鹽纖維兩大類。

殼聚糖纖維以蝦蟹和昆蟲(chóng)的外殼為原料，用濃堿脫去甲殼素中的乙酰基，獲得液態(tài)的殼聚糖，提純后再經(jīng)濕法紡絲制成殼聚糖纖維。近些年，也有項(xiàng)目利用合成生物學(xué)技術(shù)，使用毛霉、曲霉等微生物發(fā)酵法直接合成殼聚糖。海藻酸鹽纖維的制備方法，與食品工業(yè)制備凝膠珠的原理相同——從海藻中獲得海藻酸鈉，在與氯化鈣交聯(lián)，經(jīng)濕法紡絲獲得海藻酸鹽纖維。

海洋生物基纖維的優(yōu)勢(shì)是環(huán)保、阻燃，降解性好，但制造成本高、功能性和環(huán)境特性差，而其良好的吸濕、保濕性很難用于制衣。因此，海洋生物基纖維主要在醫(yī)療領(lǐng)域用于制造創(chuàng)傷敷料，要么與棉、合成纖維混紡改善其性能[1]。

生物蛋白纖維

生物蛋白纖維是指用生物來(lái)源的蛋白質(zhì)，制成類似羊毛、蠶絲的纖維。

常見(jiàn)的包括蛛絲蛋白纖維、大豆蛋白纖維、牛奶蛋白纖維等。將它們與丙烯腈、聚乙烯醇、纖維素等高聚物共混，可制成具有不同性質(zhì)的蛋白纖維。

但天然的生物蛋白價(jià)格昂貴，用于紡線制衣過(guò)于奢侈。果殼硬科技?xì)v史文章《誰(shuí)來(lái)替代蛋白》提到，大豆蛋白的價(jià)格為14元/公斤，經(jīng)后續(xù)加工、紡線等環(huán)節(jié)，大豆蛋白纖維的成本會(huì)更高，而2020年新疆二級(jí)棉平均價(jià)格為7.14元/公斤。

至于生物蛋白纖維的商業(yè)化，業(yè)界一般有兩種思路。

要么利用合成生物學(xué)技術(shù)，用微生物大規(guī)模生產(chǎn)目標(biāo)蛋白質(zhì)。早在2015年，加州一家名為Bolt Threads的公司便嘗試用經(jīng)基因改造的酵母菌生產(chǎn)蛛絲蛋白，用于制造新型纖維材料。

要么定位高端，將生物蛋白纖維用于高凈值消費(fèi)品。惠美纖維新材料開(kāi)發(fā)了奶酪蛋白、蠶蛹蛋白、羽毛蛋白等一系列生物蛋白纖維，公司官網(wǎng)顯示，這些新型材料多用于高檔服裝、嬰兒用品等領(lǐng)域[2]。

不過(guò)在實(shí)際應(yīng)用中，兩種思路并不互斥。

Bolt Threads的首個(gè)商業(yè)化產(chǎn)品于2017年上市，是一條由蛛絲蛋白纖維制成的領(lǐng)帶，售價(jià)314美元/條。今年5月，LVMH旗下奢侈品牌Fendi則與倫敦帝國(guó)理工學(xué)院達(dá)成合作，使用發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)角蛋白纖維，并用于模擬動(dòng)物皮草，制造奢侈品。

生物基合成纖維

生物蛋白纖維代替的都是羊絨、真絲、皮草等奢侈面料，而海洋生物基纖維的醫(yī)療用途遠(yuǎn)大于紡織用途。而有望代替“六大綸”的，是生物基合成纖維。

生物基合成纖維，是利用可再生的生物資源制成的纖維。一般來(lái)說(shuō)，這類纖維的原料是葡萄糖、油脂、纖維素等天然碳源，以微生物發(fā)酵或化學(xué)方法制成生物基單體，經(jīng)聚合反應(yīng)獲得高分子的聚合物，再選取適合的紡絲公司加工成纖維。

部分生物基纖維制備流程（不限于生物基纖維） | 來(lái)源：國(guó)信證券

依據(jù)材料的可降解性，我們又能將生物基合成纖維分為兩類：如PLA、PHA、PCL、PBS、PGLA等可生物降解的生物基合成纖維，以及PE、PDT、PTT、PEF和各類生物基聚酰胺等不可降解的生物基合成纖維。

它們中，PDT和PTT能夠用來(lái)代替滌綸、生物基聚酰胺則能替代石油基的尼龍，PLA和PHA則與某些聚酯和棉線相似。

其中生物基PTT的商業(yè)化進(jìn)展最快。早在20世紀(jì)90年代，杜邦公司便以玉米為原料，用生物法制成了生物基PTT聚酯纖維，并為其注冊(cè)了商標(biāo)，也就是現(xiàn)在的索羅納Sorona?面料。

近幾年，PLA、PHA和生物基聚酰胺成為研究熱點(diǎn)。

PLA和PHA因具具有良好的生物可降解性，受益于限塑禁塑趨勢(shì)。兩者又因其物理力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和熱塑性好，又有不錯(cuò)的生物相容性，其纖維在紡織也用途頗廣。

PLA的用途 | 圖片來(lái)源：元琛科技[3]

生物基聚酰胺則用于替代傳統(tǒng)的石油基尼龍。另外，生物基聚酰胺為奇數(shù)碳分子結(jié)構(gòu)，較偶數(shù)碳的石油基尼龍具有更好的阻燃、吸濕和染色性。如漢普、杜邦和贏創(chuàng)的生物基尼龍610和1010；凱賽生物的生物基尼龍56等。

生、化兩開(kāi)花

不同生物基材料的合成工藝千差萬(wàn)別，但從原理上講，都是先用生物質(zhì)制成單體，再縮合成高分子。而獲得單體的方法也無(wú)外乎兩種：化學(xué)法和生物法。

化學(xué)法就是用化學(xué)合成的方法，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)來(lái)生成所需化合物。

在用簡(jiǎn)單化合物制備復(fù)雜化合物的過(guò)程中，需要多步操作才能合成目標(biāo)產(chǎn)物，而且多條合成路線都能合成目標(biāo)產(chǎn)物，所以化學(xué)法合成往往需要不斷優(yōu)化路線、工藝，以提高產(chǎn)率、降低能耗。

另外，因原料的碳-氫鍵、碳-氧鍵相對(duì)穩(wěn)定，化學(xué)合成一般都離不開(kāi)高溫、高壓和催化等反應(yīng)條件，生產(chǎn)的能耗較高。

如化學(xué)法制PTT前體PDO，便以甘油為原料，經(jīng)三步反應(yīng)合成PDO。PDO再經(jīng)直接酯化法或酯交換法得到生物基PTT。

圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所[4]

生物法則基于糖酵解等反應(yīng)，用酶或微生物把簡(jiǎn)單的初級(jí)代謝產(chǎn)物逐步變成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的次級(jí)代謝產(chǎn)物。生物法對(duì)反應(yīng)條件的要求較低，一般是常溫常壓，但對(duì)環(huán)境潔凈度要求高，以免感染雜菌。

生物合成效率低、副產(chǎn)物復(fù)雜，生產(chǎn)中一般會(huì)輔以基因工程，提高反應(yīng)效率，并用膜過(guò)濾、柱分離、干燥等手段進(jìn)行提純。

同樣是合成PTT，以杜邦公司的生物法為例，他們先把釀酒酵母和克雷伯氏菌的基因重組到大腸桿菌里，用葡萄糖一步發(fā)酵得到PDO，再與PTA聚合獲得PTT。

在實(shí)際應(yīng)用中，往往會(huì)同時(shí)用到化學(xué)法和生物法。比如工業(yè)生產(chǎn)PLA時(shí)，一般先用生物法把淀粉發(fā)酵成乳酸，再經(jīng)化學(xué)法將乳酸縮聚制成低聚物，然后在催化劑的作用下制成丙交酯，在真空中蒸餾提純后進(jìn)行催化開(kāi)環(huán)縮聚制得聚乳酸[13]。

圖片來(lái)源：先進(jìn)纖維材料研究所[5]

在此前的果殼硬科技閉門會(huì)中，中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所朱錦指出，生物基材料單體的來(lái)源主要以生物合成為主，但化學(xué)法效率更高，也有機(jī)會(huì)。比如用纖維素制葡萄糖，在適當(dāng)條件下，化學(xué)法在一個(gè)半小時(shí)以內(nèi)就能把纖維素轉(zhuǎn)化成葡萄糖，而生物法需要發(fā)酵三天左右，時(shí)間周期更長(zhǎng)。

省一點(diǎn)，好億點(diǎn)

我國(guó)是世界最大的紡織品服裝生產(chǎn)和出口國(guó)。

2022年，國(guó)內(nèi)服裝行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)2.3萬(wàn)億元人民幣，當(dāng)年的紡織纖維加工量為5800萬(wàn)噸，占世界纖維加工總量的50%以上[6]。即便在疫情期間，我國(guó)紡織行業(yè)內(nèi)需和出口仍持續(xù)增長(zhǎng)[14]。

但國(guó)信證券研報(bào)提到，我國(guó)傳統(tǒng)紡織工業(yè)有兩個(gè)關(guān)鍵劣勢(shì)[7]——

一是上游原料供給卡脖子。尼龍66的上游原料己二腈、滌綸的上游原料精對(duì)苯二甲酸曾長(zhǎng)期被國(guó)際大廠壟斷。

二是紡織附加值與發(fā)達(dá)國(guó)家仍有差距。特種紡織面料以高技術(shù)和高附加值著稱，是紡織業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力標(biāo)志。2019年，中國(guó)特種紡織面料占紡織品總出口比例的17.5%，而同期的日本、韓國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣，占比分別為35%、18%和22%。另外，我們也缺乏GORE-TEX、CORDURA、Polartec、Primaloft等知名的高端紡織材料。

生物基纖維能讓中國(guó)突破國(guó)外壟斷、提高紡織產(chǎn)品附加值嗎？

“生物基化學(xué)纖維的誕生和發(fā)展，是化纖和紡織這一傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的出路。”中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員陳鵬接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)表示，它能有效地將來(lái)源可持續(xù)性和產(chǎn)量規(guī)?；瘍蓚€(gè)優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，而我國(guó)也在個(gè)別生物基化學(xué)纖維技術(shù)上有所領(lǐng)先[8]。

但整體上看，國(guó)內(nèi)生物基纖維行業(yè)仍存在不少瓶頸。

瓶頸

在一些性能優(yōu)異的生物基合成纖維上，我國(guó)仍存在技術(shù)空白。

尼龍11是一種性能優(yōu)異的生物基合成纖維。早在1955年，法國(guó)阿科瑪便以蓖麻油為原料，成功開(kāi)發(fā)出該材料并將其投產(chǎn)。但國(guó)內(nèi)的尼龍11工藝至今未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，粒狀或粉末狀的PA11基本依靠進(jìn)口[9]。

凱賽生物雖成功研發(fā)出生物基尼龍56，但也未大規(guī)模商業(yè)化，只是在2021年與宣布波司登合作，用尼龍56開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)校服。

另一個(gè)問(wèn)題是如何控制生物基纖維的生產(chǎn)成本。

雖然生物基纖維的原料可再生、生產(chǎn)能耗低，但對(duì)于投資人和客戶并不關(guān)心它們的環(huán)保價(jià)值，“如果它能節(jié)省成本，那就有價(jià)值；如果不省成本，那就沒(méi)價(jià)值。”有投資人告訴果殼硬科技，“想減排可以去搞碳捕捉技術(shù)嘛。”

我國(guó)擁有殼聚糖纖維、蛋白纖維、PDT纖維等產(chǎn)品的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，產(chǎn)品和市場(chǎng)相對(duì)成熟，但因生產(chǎn)成本過(guò)高，遲遲無(wú)法大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化[8]。

同樣受成本問(wèn)題困擾的還有PLA和PHA。據(jù)蓋德化工網(wǎng)的報(bào)價(jià)，聚丙烯塑料的生產(chǎn)成本為8000元/噸，而作為替代材料的PLA和PHA價(jià)格分別為1.6萬(wàn)元/噸和2.7萬(wàn)元/噸[10][11]。

反而是凱賽生物的尼龍56生產(chǎn)成本為3.5萬(wàn)元/噸，低于其替代的石油基尼龍66（4.8萬(wàn)元/噸）。

除了降本增效，生物基纖維的競(jìng)爭(zhēng)力還在于合適的選品和原料創(chuàng)新。

前景

選品方面，需求量大的產(chǎn)品更有優(yōu)勢(shì)，如生物基尼龍和其它“五大綸”的替代品。

其中，滌綸是世界產(chǎn)量最大，應(yīng)用最廣泛的合成纖維品種，目前滌綸占世界合成纖維產(chǎn)量的60%以上。恒力化學(xué)、隆盛等國(guó)內(nèi)滌綸供應(yīng)商銷售額均達(dá)千億級(jí)別。因此，滌綸的生物基替代產(chǎn)品相對(duì)更具前景，如PDT和PEF。

尼龍的需求量?jī)H次于滌綸，并且尼龍的種類多、壟斷效應(yīng)更低，仍有新公司的機(jī)會(huì)。

原料方面，創(chuàng)新的碳源能為公司提供更長(zhǎng)期的競(jìng)爭(zhēng)力。

絕大多數(shù)生物基纖維的起始原料為糖類，而全球的糧食產(chǎn)量遠(yuǎn)不足以支撐合成產(chǎn)業(yè)的巨額消耗——每噸PLA會(huì)消耗2噸糧食、每噸糖方案的PHA消耗5噸糧食、每噸戊二胺消耗6噸糧食。

以凱賽生物的山西二元酸項(xiàng)目為例，新建單廠的玉米消耗量已達(dá)240萬(wàn)噸/年[12]。若未來(lái)以糖類為原料的生物基材料大規(guī)模商業(yè)化，可能對(duì)糧食供應(yīng)能力構(gòu)成挑戰(zhàn)，而以纖維素、二氧化碳等為碳源的技術(shù)路線更具有長(zhǎng)期競(jìng)爭(zhēng)力。