以細菌為原料,生物素材帶來的環保新契機

2018/01/08

文=黃晟睿

利用天然菌種製作布料已經不是天方夜譚。早在2004年,西澳大學(University of Western Australia)發表了一款由老鼠和人類的細胞所製成的夾克。近年最爲大家所熟知的則是BioCouture以綠茶、糖、細菌和酵母混合作用生成的植物性皮革。

從環境面來說,細菌廣泛分布於土壤和水中,或者與其他生物共生。人體身上也帶有相當多的細菌,據估計,人體內及表皮上的細菌細胞總數約是人體細胞總數的十倍。

尤其細菌性纖維素(Bacterial cellulose, BC) 多具有生物可降解性、親水能力、生長週期短等優點,只是過去多應用於食品釀造、發酵或生技製藥,但較少論及織品,究其原因,一方面是由於細菌性纖維素布料仍無法「規模化」量產,另方面也是擔心消費者能否接受從廚餘垃圾堆中培養的服裝。
但隨著科技的進步,現在細菌不但能製成染色色素、發電、合成再生纖維,還能做衣服上的自動啓閉排氣孔。尤其在現今自然資源越趨珍貴的時代中,細菌性纖維素不失為一項聰明又永續的良帖,特別是典型的一次性使用的產品,它可以用對環境友善的方式製造衣物,穿用完又可以直接埋在花園裡自然分解。
以水資源為例,曾為許多運動休閒品牌以及高端時尚產品研發生物科技素材的BioCouture創辦人Suzanne Lee表示,用茶、糖、菌、酵母等生產一平方公尺的布只需要60公升的水,但傳統的生產方式,製作一件T恤就需要2700公升的水資源。

以下並介紹細菌在紡織科技上的各項應用:從水發電的智慧衣,不需要再砍樹的微生物纖維素布料,無毒染色的黴菌色素,依冷暖收縮自動開闔的排汗透氣孔,到以菌攻菌的微生物OK蹦,微生物的世界超乎想像,也為生物素材帶來無限可能。

無動力發電:用汗水發電的微生物織品

美國紐約賓漢頓大學電子與資訊工程學的研究團隊開發出一種以織品為基礎、靠細菌發電的「紡織生物電池」,預料將可應用於智慧衣,而且即使在重複拉扯和扭轉測試下仍可展現穩定的發電能力。
生物燃料電池(biological fuel cell)是一種基於生物電化學的電池系統,藉由自然界細菌及織物上的仿真細菌兩種細菌的共生交互作用,來產生電流啟動化學反應。助理教授 Seokheun Choi表示,研究團隊目前採用「綠膿桿菌」(Pseudomonas aeruginosa)作爲生物催化劑,利用細菌來觸發還原/氧化反應,從而在分子之間交換電子,引發電子移動產生電力。經實驗,目前最大功率輸出可達 6.4μW/cm2,電流密度為 52μA/cm2。

不過,由於細菌也可能會引起健康問題,所以這項創新發明未來如將應用於穿戴式產品,勢必先要消除該項疑慮。

根據報導,目前Seokheun Choi是將電池部件整合到單層織物中,陽極和陰極之間沒有隔離膜。陽極具有導電和親水性,於汗水的液體環境幫助細菌發電性能最大化;陰極則採用固態氧化銀產生氧化還原的催化反應。

與傳統電池或其他酶燃料電池相比,微生物燃料電池可以成為可穿戴科技產品的最佳電源,因為人體不斷分泌的汗水就是細菌的養分,因此可以提供長期穩定的催化反應。研究人員表示,藉由這項新科技,未來在你的衣服吸收汗水的同時,也能穿為穿戴式儀器提供電力,隨時監測人體心電圖或肌電圖,甚至作為諸如拋棄式醫療診斷貼片等產品的電源供應。

詳細論文發表在2017年11月期刊《Advanced Energy Materials》。

source:Seokheun Choi

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