生物基内衣让谁更高贵了？
服装品牌们爱上了一个新概念——生物基。
自2021年起，lululemon先后推出使用玉米尼龙、蘑菇皮革的产品；今年8月，内衣品牌蕉内推出了一款采用兰精集团生物基面料的“碳中和内裤”，让人没有负担地遮羞。
碳中和和可持续，给生物基纤维叠了两个buff，成了以杜邦、旭化成、凯赛生物、万华化学等国内外公司的新业务。
但是生物基材料好不好用、怎么生产？服装公司用不用得起？还有哪些技术问题没有解决？本文将为你一一作答。
杨景诒丨作者
李拓丨编辑
果壳硬科技丨策划
把食物纺成线
目前大规模使用的纺织品是棉麻丝毛，或新型的菠萝叶、棕叶纤维，均属天然纤维或者直接生物纤维，生产过程不发生分子层面的结构变化。
而生物基纤维，是以可再生生物质为原料经生物合成、生物加工获得的高分子材料，它们以生物来源的乳酸、1,3-丙二醇等酸类、醇类、酯类、多糖类物质聚合而成。依据原料来源和加工工艺不同，可分为三类：海洋生物基纤维、生物蛋白纤维和生物基合成纤维。
海洋生物基纤维
海洋生物基纤维主要有壳聚糖纤维和海藻酸盐纤维两大类。
壳聚糖纤维以虾蟹和昆虫的外壳为原料，用浓碱脱去甲壳素中的乙酰基，获得液态的壳聚糖，提纯后再经湿法纺丝制成壳聚糖纤维。近些年，也有项目利用合成生物学技术，使用毛霉、曲霉等微生物发酵法直接合成壳聚糖。海藻酸盐纤维的制备方法，与食品工业制备凝胶珠的原理相同——从海藻中获得海藻酸钠，在与氯化钙交联，经湿法纺丝获得海藻酸盐纤维。
海洋生物基纤维的优势是环保、阻燃，降解性好，但制造成本高、功能性和环境特性差，而其良好的吸湿、保湿性很难用于制衣。因此，海洋生物基纤维主要在医疗领域用于制造创伤敷料，要么与棉、合成纤维混纺改善其性能[1]。
生物蛋白纤维
生物蛋白纤维是指用生物来源的蛋白质，制成类似羊毛、蚕丝的纤维。
常见的包括蛛丝蛋白纤维、大豆蛋白纤维、牛奶蛋白纤维等。将它们与丙烯腈、聚乙烯醇、纤维素等高聚物共混，可制成具有不同性质的蛋白纤维。
但天然的生物蛋白价格昂贵，用于纺线制衣过于奢侈。果壳硬科技历史文章《谁来替代蛋白》提到，大豆蛋白的价格为14元/公斤，经后续加工、纺线等环节，大豆蛋白纤维的成本会更高，而2020年新疆二级棉平均价格为7.14元/公斤。
至于生物蛋白纤维的商业化，业界一般有两种思路。
要么利用合成生物学技术，用微生物大规模生产目标蛋白质。早在2015年，加州一家名为Bolt Threads的公司便尝试用经基因改造的酵母菌生产蛛丝蛋白，用于制造新型纤维材料。
要么定位高端，将生物蛋白纤维用于高净值消费品。惠美纤维新材料开发了奶酪蛋白、蚕蛹蛋白、羽毛蛋白等一系列生物蛋白纤维，公司官网显示，这些新型材料多用于高档服装、婴儿用品等领域[2]。
不过在实际应用中，两种思路并不互斥。
Bolt Threads的首个商业化产品于2017年上市，是一条由蛛丝蛋白纤维制成的领带，售价314美元/条。今年5月，LVMH旗下奢侈品牌Fendi则与伦敦帝国理工学院达成合作，使用发酵技术生产角蛋白纤维，并用于模拟动物皮草，制造奢侈品。
生物基合成纤维
生物蛋白纤维代替的都是羊绒、真丝、皮草等奢侈面料，而海洋生物基纤维的医疗用途远大于纺织用途。而有望代替“六大纶”的，是生物基合成纤维。
生物基合成纤维，是利用可再生的生物资源制成的纤维。一般来说，这类纤维的原料是葡萄糖、油脂、纤维素等天然碳源，以微生物发酵或化学方法制成生物基单体，经聚合反应获得高分子的聚合物，再选取适合的纺丝公司加工成纤维。
部分生物基纤维制备流程（不限于生物基纤维） | 来源：国信证券
依据材料的可降解性，我们又能将生物基合成纤维分为两类：如PLA、PHA、PCL、PBS、PGLA等可生物降解的生物基合成纤维，以及PE、PDT、PTT、PEF和各类生物基聚酰胺等不可降解的生物基合成纤维。
它们中，PDT和PTT能够用来代替涤纶、生物基聚酰胺则能替代石油基的尼龙，PLA和PHA则与某些聚酯和棉线相似。
其中生物基PTT的商业化进展最快。早在20世纪90年代，杜邦公司便以玉米为原料，用生物法制成了生物基PTT聚酯纤维，并为其注册了商标，也就是现在的索罗纳Sorona®面料。
近几年，PLA、PHA和生物基聚酰胺成为研究热点。
PLA和PHA因具具有良好的生物可降解性，受益于限塑禁塑趋势。两者又因其物理力学性能、热稳定性和热塑性好，又有不错的生物相容性，其纤维在纺织也用途颇广。
PLA的用途 | 图片来源：元琛科技[3]
生物基聚酰胺则用于替代传统的石油基尼龙。另外，生物基聚酰胺为奇数碳分子结构，较偶数碳的石油基尼龙具有更好的阻燃、吸湿和染色性。如汉普、杜邦和赢创的生物基尼龙610和1010；凯赛生物的生物基尼龙56等。
生、化两开花
不同生物基材料的合成工艺千差万别，但从原理上讲，都是先用生物质制成单体，再缩合成高分子。而获得单体的方法也无外乎两种：化学法和生物法。
化学法就是用化学合成的方法，通过化学反应来生成所需化合物。
在用简单化合物制备复杂化合物的过程中，需要多步操作才能合成目标产物，而且多条合成路线都能合成目标产物，所以化学法合成往往需要不断优化路线、工艺，以提高产率、降低能耗。
另外，因原料的碳-氢键、碳-氧键相对稳定，化学合成一般都离不开高温、高压和催化等反应条件，生产的能耗较高。
如化学法制PTT前体PDO，便以甘油为原料，经三步反应合成PDO。PDO再经直接酯化法或酯交换法得到生物基PTT。
图片来源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所[4]
生物法则基于糖酵解等反应，用酶或微生物把简单的初级代谢产物逐步变成结构复杂的次级代谢产物。生物法对反应条件的要求较低，一般是常温常压，但对环境洁净度要求高，以免感染杂菌。
生物合成效率低、副产物复杂，生产中一般会辅以基因工程，提高反应效率，并用膜过滤、柱分离、干燥等手段进行提纯。
同样是合成PTT，以杜邦公司的生物法为例，他们先把酿酒酵母和克雷伯氏菌的基因重组到大肠杆菌里，用葡萄糖一步发酵得到PDO，再与PTA聚合获得PTT。
在实际应用中，往往会同时用到化学法和生物法。比如工业生产PLA时，一般先用生物法把淀粉发酵成乳酸，再经化学法将乳酸缩聚制成低聚物，然后在催化剂的作用下制成丙交酯，在真空中蒸馏提纯后进行催化开环缩聚制得聚乳酸[13]。
图片来源：先进纤维材料研究所[5]
在此前的果壳硬科技闭门会中，中科院宁波材料技术与工程研究所朱锦指出，生物基材料单体的来源主要以生物合成为主，但化学法效率更高，也有机会。比如用纤维素制葡萄糖，在适当条件下，化学法在一个半小时以内就能把纤维素转化成葡萄糖，而生物法需要发酵三天左右，时间周期更长。
省一点，好亿点
我国是世界最大的纺织品服装生产和出口国。
2022年，国内服装行业市场规模达2.3万亿元人民币，当年的纺织纤维加工量为5800万吨，占世界纤维加工总量的50%以上[6]。即便在疫情期间，我国纺织行业内需和出口仍持续增长[14]。
但国信证券研报提到，我国传统纺织工业有两个关键劣势[7]——
一是上游原料供给卡脖子。尼龙66的上游原料己二腈、涤纶的上游原料精对苯二甲酸曾长期被国际大厂垄断。
二是纺织附加值与发达国家仍有差距。特种纺织面料以高技术和高附加值著称，是纺织业竞争力标志。2019年，中国特种纺织面料占纺织品总出口比例的17.5%，而同期的日本、韩国和中国台湾，占比分别为35%、18%和22%。另外，我们也缺乏GORE-TEX、CORDURA、Polartec、Primaloft等知名的高端纺织材料。
生物基纤维能让中国突破国外垄断、提高纺织产品附加值吗？
“生物基化学纤维的诞生和发展，是化纤和纺织这一传统产业转型升级的出路。”中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员陈鹏接受《中国科学报》记者采访时表示，它能有效地将来源可持续性和产量规模化两个优势结合起来，而我国也在个别生物基化学纤维技术上有所领先[8]。
但整体上看，国内生物基纤维行业仍存在不少瓶颈。
瓶颈
在一些性能优异的生物基合成纤维上，我国仍存在技术空白。
尼龙11是一种性能优异的生物基合成纤维。早在1955年，法国阿科玛便以蓖麻油为原料，成功开发出该材料并将其投产。但国内的尼龙11工艺至今未实现工业化，粒状或粉末状的PA11基本依靠进口[9]。
凯赛生物虽成功研发出生物基尼龙56，但也未大规模商业化，只是在2021年与宣布波司登合作，用尼龙56开发设计校服。
另一个问题是如何控制生物基纤维的生产成本。
虽然生物基纤维的原料可再生、生产能耗低，但对于投资人和客户并不关心它们的环保价值，“如果它能节省成本，那就有价值；如果不省成本，那就没价值。”有投资人告诉果壳硬科技，“想减排可以去搞碳捕捉技术嘛。”
我国拥有壳聚糖纤维、蛋白纤维、PDT纤维等产品的自主知识产权，产品和市场相对成熟，但因生产成本过高，迟迟无法大规模产业化[8]。
同样受成本问题困扰的还有PLA和PHA。据盖德化工网的报价，聚丙烯塑料的生产成本为8000元/吨，而作为替代材料的PLA和PHA价格分别为1.6万元/吨和2.7万元/吨[10][11]。
反而是凯赛生物的尼龙56生产成本为3.5万元/吨，低于其替代的石油基尼龙66（4.8万元/吨）。
除了降本增效，生物基纤维的竞争力还在于合适的选品和原料创新。
前景
选品方面，需求量大的产品更有优势，如生物基尼龙和其它“五大纶”的替代品。
其中，涤纶是世界产量最大，应用最广泛的合成纤维品种，目前涤纶占世界合成纤维产量的60%以上。恒力化学、隆盛等国内涤纶供应商销售额均达千亿级别。因此，涤纶的生物基替代产品相对更具前景，如PDT和PEF。
尼龙的需求量仅次于涤纶，并且尼龙的种类多、垄断效应更低，仍有新公司的机会。
原料方面，创新的碳源能为公司提供更长期的竞争力。
绝大多数生物基纤维的起始原料为糖类，而全球的粮食产量远不足以支撑合成产业的巨额消耗——每吨PLA会消耗2吨粮食、每吨糖方案的PHA消耗5吨粮食、每吨戊二胺消耗6吨粮食。
以凯赛生物的山西二元酸项目为例，新建单厂的玉米消耗量已达240万吨/年[12]。若未来以糖类为原料的生物基材料大规模商业化，可能对粮食供应能力构成挑战，而以纤维素、二氧化碳等为碳源的技术路线更具有长期竞争力。
References：
[1] 刘越,朱平,马佳娜.纯海藻酸盐纤维的性能[J].纺织学报,2009,30(08):13-16.DOI:10.13475/j.fzxb.2009.08.002.
[2] 惠美生物基蛋白系列 http://www.hmxcl.cn/product.aspx?t=10
[3] 元琛科技官网 https://www.yckjgf.com/development/12/1744
[4] 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 https://yinhf.nimte.ac.cn/chengguo5.html
[5] 先进纤维材料研究所 https://mp.weixin.qq.com/s/RglMcqhWEN_IWXVKPIbPbw
[6] 纺织工业走在世界前列 2022.6.21 http://ipaper.ce.cn/pc/content/202206/21/content_255971.html
[7] 纺织行业产业链深度研究：寻找中国纺织材料隐形冠军 2022.1.5 https://mp.weixin.qq.com/s/ebvYS_GaQ-f3O9Ve8lQN2g
[8] 生物基化学纤维是化纤和纺织领域的良方 2013.8.15 http://www.cnita.org.cn/ch/newsdetail.aspx?ids=78_301
[9] 尼龙新材料系列三:尼龙11性能优异，国产化进程待加速 2021.7.11 https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202107111503128443_1.pdf?1626086583000.pdf
[10] 陈学思：PLA达到几十万吨规模，成本1.5万元以下 2022.5.15 https://mp.weixin.qq.com/s/R3UP1bM_GaZs10pPHoPCyA
[11] 腰斩PHA成本！蓝晶微生物工程化改造菌株 2019.6.15 https://mp.weixin.qq.com/s/t5bV2s3VqznAvdKeOK554w
[12] 合成生物界最大项目落户山西，凯赛生物砸40.1亿领投 2020.10.11 https://www.yicai.com/news/100795041.html
[13] 王华平,乌婧.纤维科普：生物基化学纤维[J].纺织科学研究,2021(02):58-61.
[14] 2021 年中国纺织行业经济运行报告 http://lwzb.stats.gov.cn/pub/lwzb/tzgg/202205/W020220511400435091252.pdf