張珮菁、廖弘玉、林忠德、黃偕倫、蔡宜霖／工研院材化所
國際趨勢走向淨零碳排、無毒與綠色生產，企業自我要求及各個國家與區域經濟體約束建立法規，皆是為了減少對原油的依賴以及增加環境友善產品生產，落實綠色製造。生物合成化學品技術是利用微生物透過修飾或改質基因，醱酵生產化學品，為無毒、減碳的綠色科技。生物合成亦符合循環經濟之概念，並且正進入快速發展階段，生物合成化學品符合永續循環，已在民生化工、紡織、農業、環境與醫藥等各項領域具應用前景，並逐步擴大影響範疇。
【內文精選】
前 言
現今化學製程常使用高溫、高壓、強酸鹼、各種金屬觸媒等極端條件進行反應，生產各種石化來源的化學品。生物合成法不需前述極端條件來造成化學鏈結的斷裂與重組，它所仰賴的是利用微生物(Microorganisms)體內各種酵素作為催化劑，將反應物轉化為各項化學品產物的生物化學反應，條件溫和且使用有機、可循環原料，無使用有毒原料，是100%綠色製程，且目標產物外所產生的其他副產物尚多可循環利用，為符合無毒、低碳生產與生態雙贏的綠色產業技術。
政策及法規推動下發展生物合成技術
全球暖化及環境衝擊日益嚴重，各國政府紛紛對化學品制定許多嚴苛的規範，以解決環境汙染的問題。其中最重要的就是歐盟自2003年起，相繼宣告危害性物質限制指令(RoHS)、能源使用產品生態化設計指令(EuP)與化學品註冊、評估、許可和限制法案(REACH)等。隨後2009年聯合國環境規劃署正式發表「全球綠色新政」，呼籲各國擴大綠色投資與發展綠色產業。歐盟在2013年發展綠色經濟；美國在振興經濟計畫中發展清潔能源和節能交通等；日本則將綠色經濟產值擴大至九千多億美元；南韓投資綠色經濟產值達432億美元。因此我國也開始鼓勵產業推動節能減碳之綠色製程，以符合國際環保趨勢。
生物合成研究之進展
在美國能源局(DOE) 2004年選出12種具高潛力取代石油原料合成之生質化學品後，許多國際組織包括：世界經濟合作暨發展組織(OECD)、麥肯錫公司、美國國防部、英國UKRI、美國EBRC、亞洲ASBA等，皆表示生物合成技術為未來極具潛力之重大開發項目。美國Amyris公司生產長碳鏈(C15)的反式金合歡烯(Trans-β-farnesene, C15H24)，再轉化為鯊烷(Squalene, C30H50)應用於個人照護產品；亦有香精、甜味劑等產品。此外，研究顯示鯊烷也可作為Covid-19疫苗佐劑配方之一。
隨著全球各國政策走向循環經濟的規劃模式，歐盟透過RoadToBio計畫，進行化學工業整體的Roadmap規劃，目標在2030年可以利用生物合成化學品(Bio-basedChemicals)來取代25%現有化學品，由大宗化學品開始，並擴展至生物合成塑膠、界面活性劑、溶劑，並投入人造纖維、化粧品原料、染顏料、黏著劑、農業化學品及鍍膜等應用領域。整體生物合成化學品市場於2020年產值即達到574.6億美元規模。據麥肯錫公司研究指出，至2025年生物合成對於經濟的影響達到千億美元，未來將影響70%石化合成產品。現有商業化及具商業化潛力之生物合成化學品與其投入開發之廠商如圖一所示。Frost & Sullivan的2018年報告則指出，生物合成技術之應用領域中，最具有成長潛力的五個領域分別為再生性能源、農業領域、生物安全、智慧醫療以及環境工程領域，其2023年的經濟規模以CAGR 11.6~23.1%成長，幅度驚人。
圖一、生物合成大宗化學品產業開發實例
企業開發生物合成化學品與相關民生產品
低碳、循環與可再生能源在全球化工與能源結構中的重要性正在增長，許多新創以及既有化學品公司投入生物合成化學品的開發。因此，生物合成化學品衍生產品正逐步成為人們生活用品，品牌商The North Face及adidas分別與Spiber、AMSilk，開發一系列布料及鞋材，已有概念產品推出(圖三)。除此之外，運動服飾領導品牌商lululemon與生技公司LanzaTech合作，宣布使用…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖三、各大品牌商正逐步推出生物合成產品，擴大影響我們生活 (a) Impossible Foods與麥當勞合
作推出人造肉漢堡；(b) Merck以生物合成生產糖尿病新藥－Januvia；(c)愛迪達與AMSilk推出人造蜘蛛絲鞋款；(d) Zymergen所生產之Hyaline生物合成聚醯胺薄膜；(e) The North Face與Spiber推出人造蜘蛛絲服飾；(f) Toyota推出生物合成原料製成之油管
★本文節錄自《工業材料雜誌》418期，更多資料請見下方附檔。