- 2021년 파리협정 이행 앞두고 ‘2050 장기저탄소발전전략’과 ‘2030 국가온실가스감축목표’를 2020년까지 UN에 제시 - 2050 장기저탄소발전전략: I. 에너지 공급
1) 재생에너지, 그린수소로의 전환 및 이산화탄소 포집 기술 등 적극 활용 2) 철강, 석유화학 기업: 수소환원제철, 바이오플라스틱 등 코크스와 납사 대체 미래 신기술 개발 및 상용화
3) 기타: 순환경제 구조를 위한 철스크랩, 폐플라스틱, 폐콘크리트 등 재생원료 재사용률 높이기 등 II. 수송 부문
1) 청정 에너지원을 이용한 수송수단 확대,
2) 바이오연료 사용 확대 III. 전력 부문
1) 건물 내 재생에너지 보급 촉진,
2) 장기적으로는 도시가스 의존도 감소 위한 전기, 수소 에너지원 기술 보급 가능성 검토
2021년 파리협정 2015년 제21차 당사국총회(COP21, 파리)에서는 2020년부터 모든 국가가 참여하는 신기후체제의 근간이 될 파리협정(Paris Agreement)이 채택되었다. 이로써 선진국에만 온실가스 감축 의무를 부과하던 기존의 교토의정서 체제를 넘어 모든 국가가 자국의 상황을 반영하여 참여하는 보편적인 체제가 마련되었다.
파리협정은 지구 평균기온 상승을 산업화 이전 대비 2℃ 보다 상당히 낮은 수준으로 유지하고, 1.5℃로 제한하기 위해 노력한다는 전 지구적 장기 목표 하에 모든 국가가 2020년부터 기후행동에 참여하며, 5년 주기 이행점검을 통해 점차 노력을 강화하도록 규정하고 있다. 파리 협정은 또한, 모든 국가가 스스로 결정한 온실가스 감축목표를 5년 단위로 제출하고 국내적으로 이행토록 하고 있으며, 재원 조성 관련, 선진국이 선도적 역할을 수행하고 여타국 가는 자발적으로 참여하도록 하고 있다. 협정은 기후행동 및 지원에 대한 투명성 체제를 강화하면서도 각국의 능력을 감안하여 유연성을 인정하고 있으며, 2023년부터 5년 단위로 파리 협정의 이행 및 장기 목표 달성 가능성을 평가하는 전 지구적 이행점검(global stocktaking)을 실시한다는 규정을 포함하고 있다.
2015년 12월 파리에서 채택되고, 2016년 4월 22일 미국 뉴욕에서 서명된 파리협정은 10월 5일 발효요건이 충족되어 30일 후인 11월 4일 공식 발효되었다.
수소환원제철 철광석을 녹여 쇳물을 뽑을 때 사용되는 환원제를 기존 석탄, 천연가스 등 대신 수소로 대체하는 기술이다. 전기로 제강은 전기로 열을 발생시켜 폐철을 녹여 제품을 생산하는 방식이다. 화석 연료를 쓰지 않기 때문에 당연히 이산화탄소 배출량이 적다.
코크스(Koks, coke) 탄소 함량이 높고 불순물은 미량인 연료의 일종이다. 대개 석탄을 원료로 만든다. 석탄에서 만들어진 코크스는 회색을 띠며 단단하고 다공성이다. 코크스는 자연적으로 만들어질 수도 있지만, 대개 사용되는 것들은 사람이 만든 것이다. 코크스는 산화되면 일산화탄소가 된다.
납사 (나프타, naphtha) 보통 특정 탄화수소를 포함하고 특정 범위에서 끓는 석유나 콜타르(coal tar)에서 얻는 증류 물과 같은 다양한 가연성 액체 탄화수소 혼합물을 가리킨다. 이는 석유의 액체 탄화수소 중에 가장 가볍고 가장 휘발성 강한 성분들을 가리키는 광범위한 용어이다. 나프타는 무색에서 적갈색을 띠는 휘발성, 방향성 액체로서 가솔린과 매우 비슷하다.
철스크랩 철강업 자체에서의 강재 생산과정 또는 철강수요산업이 철강재 가공과정, 철강제품의 사용불능, 상태 등에서 발생한 것을 수집 과정을 통하여 회수한 후에 철강재 생산에 재투입하는 철강의 설을 말한다.
- 2030 국가온실가스감축목표: I. 2030년 목표 배출량 536백만 톤. 2030년 예상 배출량 851백만 톤 감안하면 315백만 톤 감축 II. 산업부문 감축률은 2030년 BAU 대비 20.5% 목표. 절대량 기준으로 98.5백만 톤 감축
BAU (Business as usual) 감축을 위한 특별한 조치를 취하지 않을 경우 예상되는 온실가스 배출전망치.
석유화학산업의 탄소배출 원인
- 국내 산업부문별 온실가스 배출 비중 2위는 석유화학산업 - 석유화학산업의 CO₂ 발생 원인: 원료에 있는 탄소 성분이 전부 제품화되지 않고 부생유, 부생가스, 폐가스 등으로 변환 또한 생산된 제품 중에서 비료, 윤활유, 세제, 휘발성 유기용제 등은 단시간 내 산화되어 CO₂ 배출 - 플라스틱 제품의 경우, 생산 단계 61%, 가공단계 30%, 소각 등 영구 폐기 9% CO₂ 배출
석유화학산업에서 탄소배출 감축 방안
- 1) 재활용 강화,
2) 친환경 플라스틱 비중 증가,
3) 생산과정, 가공, 운송에서 요구되는 에너지는 재생에너지로 전환 - 이 중, 친환경 플라스틱 즉, 바이오 플라스틱으로의 전환이 가장 의미 있음 - 바이오 플라스틱의 재료로 사용되는 작물은 성장과정에서 이산화탄소를 흡수하며 사용 후 분해됨 - 다만, 잘 분해된다는 성질 때문에 기본적으로 물성이 약할 수밖에 없음. 또한 분해 기간 조절에 어려움이 있음 - 이에 물성 개선, 유통 중 분해 방지, 생산성 등을 고려하여 연구개발이 이루어지고 있음
물성 (物性) 물질이 가지고 있는 성질.
주요국 플라스틱 규제 현황
국가
정책
한국
- 생분해성 제품은 일회용품 사용 규제 대상에서 제외, 폐기물 부담금 제외 - 2022년 6월부터 일회용컵 보증금제 도입을 비롯해 플라스틱 빨대 등 사용 감축
유럽
- 2021년부터 일회용 플라스틱 제품 사용 규제를 위한 지침 제정안 발효 - 일회용 플라스틱 제품 사용 금지 * 플라스틱 식기류, 접시, 빨대, 발포폴리스티렌 음식물 용기, 음료용기, 음료용컵, 플라스틱으로 만든 면봉용 막대, 산화생분해성플라스틱으로 만든 제품 - 2025년부터 PET 음료 병의 25%, 2030년부터는 모든 플라스틱 병 30%를 재활용 플라스틱으로 제조 - 2029년까지 플라스틱 병의 90% 의무적으로 수거 - 플라스틱이 함유된 담배 필터 제조업자는 생산자 책임 재활용 제도(EPR) 대상
이탈리아
- 비분해성 봉투 사용 규제 시행(2014.10): 90% 이상 쇼핑백에 사용 중(세계 최대 시장)
프랑스
- 비분행성 일회용 쇼핑 봉투 사용 규제(2016.07), 바이오매스 함량 30% 봉투만 사용(2017.01) - 2020년부터 플라스틱 컵과 접시 사용 금지
독일
- 생분해성 봉투인 경우 Bio contents 비율 50% 고시 예정
미국
- 캘리포니아주, 식품판매점에서 비닐봉지 제공 금지('16), 식당에서 플라스틱 빨대 사용금지(2018) - 하와이주, 플라스틱 봉투 사용 금지(2015.07) - 시애틀, 식당에서 빨대, 포트. 접시 등의 플라스틱 사용 금지(2018) 위반 시 벌금부과(250$) - 텍사스, 플라스틱 봉투 사용 시 벌금부과(5c/장)
캐나다
- 몬트리올 지역 플라스틱 봉투 규제 예정(2018) - 주 전역의 플라스틱 봉투 규제 검토 중
호주
- 남호주(애들레이드, 시드니, 멜버른 등) 지역 플라스틱 봉투 규제 실시 (2009.4) - 북호주 지역 플라스틱 봉투 사용 금지 (2011.9) (다중용도 플라스틱 봉투, 롤백, 종이봉투, 생분해성 봉투 허용)
뉴질랜드
- 일회성 비닐봉지 사용 전면금지 (2019)
중국
- 길림성, 비분해성 봉투 사용 금지 (2015.1):PLA 35%(15년) 30%(16년)이상 사용
산화생분해성 플라스틱 기존 난분해성 플라스틱에 바이오매스 및 생분해 촉진제를 첨가하여 만든 플라스틱. 광이나 열, 미생물, 효소, 화학반응 등의 복합적 작용에 의해 화학 분해가 촉진되어 분자량이 감소하고 생분해가 진행될 수 있다.
바이오플라스틱이란
- 바이오매스 기반의 고분자 플라스틱 전체를 의미.
바이오매스: 살아있는 식물체 및 생물 유기체 총칭,
고분자: 자연에 존재하는 고분자는 녹말, 셀룰로오스, 단백질로 되어 있음.
다세포 동물은 외피가 단백질, 대부분 다세포 식물은 외피가 셀룰로오스 - 바이오플라스틱은 원료, 분해 메커니즘, 생산방법에 따라 생분해,
산화생분해, 바이오베이스, 천연 고분자 플라스틱으로 구분
셀룰로스 (cellulose) 수백에서 수천 개의 D-포도당 단위체들이 β(1→4) 글리코사이드 결합으로 연결된 선형 사슬이 중첩된 격자형의 다당류로, 화학식이 (C₆H₁₀O₅)n 인 유기 화합물이다. 셀룰로스는 녹색식물, 다양한 형태의 조류 및 난균류의 1차 세포벽의 중요한 구조적인 구성 요소이다. 어떤 종류의 세균은 셀룰로스를 분비하여 미생물막을 형성한다. 셀룰로스는 지구 상에서 가장 풍부한 유기 화합물이다. 식물은 해마다 1014 kg의 셀룰로스를 만들어내는데, 이는 지구 상의 유기화합물들 중 가장 많은 양이다. 면섬유의 셀룰로스 함량은 90%이고, 목재의 셀룰로스 함량은40~50%이며, 건조된 삼(hemp)의 셀룰로스 함량은 약 57%이다.
생분해 플라스틱 - 가장 각광받고 있는 방법 - 1세대인 비분해성 플라스틱에 전분과 같은 생분해성 플라스틱 블렌딩 방법에서
2세대인 바이오매스를 원료로 이용하는 방법으로 넘어옴 - 생분해 플라스틱의 기본적인 분해 단계: 수분, 효소에 의한 가수분해
→ 미생물, 균 등 탄소화합물을 영양소로 흡수
→ 미생물이 흡수한 저분자 물질이 대사 과정을 거쳐 물과 이산화탄소로 방출 - 생분해 플라스틱은 다시
1) 생합성 고분자(biosynthetic polymer),
2) 화학적 합성 고분자(chemosyntheic polymer),
3) 천연 고분자로 구분 - 이 중 2) 화학적 합성 고분자(chemosyntheic polymer)는
다시 천연물 합성계와 화학 합성계로 구분
가수분해 (加水分解) 화학반응 시, 물과 반응하여 원래 하나였던 큰 분자가 몇 개의 이온이나 분자로 분해되는 반응을 말한다. 산과 염기의 중화 반응으로 생기는 염 중에는 가수 분해하여 산성이나 염기성을 띠는 것이 많다.
생분해 플라스틱 - 1) PLA(Poly lactic acid) - PLA는 옥수수, 사탕수수, 감자 등에서 얻어지는 전분이나 당분으로 만든 생분해 플라스틱의 한 종류 - 바이오플라스틱 중 가장 먼저 상업화 성공. 1세대는 Dupont, Chrinipol, Cargill이 1990년대 초 상용화 성공 - 현재 Cargill은 반응 증류에 의한 고순도 Lactide 생산을 위한 연속 용융중합공정 개발을 주도 - Cargill은 글로벌 PLA 시장을 주도하고 있는 NatureWorks를 자회사로 두고 있음
- PLA 물성은 이성체 종류, 성형온도, 분자량, 담금 온도에 따라 달라짐 - 다른 생분해 플라스틱 대비 투명하고 강도가 높음. PET 물성과 가장 유사 - 다만, 낮은 열 변형 온도, 저온에서의 부서짐 등의 한계로 다른 생분해 물질과의 공중합 등을 통해 물성 개선하여
다양한 제품에 적용 중
Dupont (DuPont de Nemours, Inc.) 미국의 화학 관련 기업이다. 다우 케미칼과 듀폰 (1802–2017)의 합병으로 창립되었다. 그런 다음에 범용성의 다우와 농업 전문 코르테바와 특별 부문 듀폰으로 세 개 회사로 분리되었다.
Cargill 개인 소유의 다국적 기업으로 미국 미니애폴리스에서 윌리엄 카길이 1865년에 설립했으며, 당시에는 농민에게서 곡물을 사서 대도시 시장에 직접 팔거나 위탁판매를 하던 조그만 회사였다. 카길은 1954년부터 1970년대까지 이루어졌던 미국의 원조프로그램을 위탁받아 수행하면서 급성장하였다.
Lactide 락트산으로부터 유도된 락톤시 클릭 디 에스테르이다. (OCHCO₂)₂ 사용하면 세 가지 다른 입체 이성질체 형태로 존재합니다. 모두 무색 또는 흰색 고체입니다. 락티드는 풍부한 재생 가능 자원에서 파생되고 폴리스티렌과 유사하지만 생분해성폴리머의 전구체이기 때문에 큰 관심을 끌고 있습니다.
용융중합공정 중합 완료된 고분자를 용융상태로 중합탑에서 토출 급냉하고 절단기로 칩 상태로 만드는 공정을 말한다. 중합된 고분자 속에는 미 반응 물질이 10%정도 존재하므로 이를 추출하는 공정을 말한다.
NatureWorks(NatureWorks LLC) 석유로 만들어진 기존의 플라스틱에 대한 대안으로 바이오 플라스틱 (식물 자원에서 파생된 폴리머)을 제조하는 국제적인 회사입니다.
PET (polyethylene terephthalate) 폴리에틸렌 테레프탈레이트는 투명도가 높고 단열성이 좋다. 열가소성. 가벼우며 맛과 냄새가 없다. 페트(PET)라고 가리킨다. 전선 피복 '생활 용품·장난감·전기절연체·라디오와 텔레비전 케이스, 포장재에 사용한다. 시중에 유통되는 플라스틱 음료수병의 대부분을 차지하고 있어, 흔히 말하는 페트병은 이 원료로 만든 병을 말한다.
- PLA 제조공정: 미생물 발효에 의해 lactate salt 생성
→ lactate salt를 화학공정에 사용하기 위해
Polymer-grade lactic acid 형태로 분리 정제
→lactic acid의 pre-polymerization을 통해 분자량이
1,000~5,000 정도인 저분자 PLA를 합성
→ 저분자 PLA를 가열해 분해시켜 단위체를 만들고 그를 통해 L-lactide, D-lactide, meso-lactide로
구성된 lactide mixture 생산
→ lactide의 ROP를 통해 분자량이 100,000 이상인 high-molecular-weight PLA를 합성 - lactic acid 제조는 크게 미생물 발효 또는 화학적 합성으로 제조. 다만, 미생물 발효 공정을 사용하는 이유는 D-LA가
유발할 수 있는 문제로 인하여 높은 순도의 LA(lactic acid) (ex. ~99% L-LA 및 ~1% D-LA)를 PLA 산업에 적용하기 때문.
lactate salt 옥수수 또는 사탕무와 같은 당 공급원을 발효시킨 다음 생성된 젖산을 중화하여 생성된 화합물.
lactic acid 젖산은 귀중한 화학 물질이며, 그 광범위한 응용 분야 중 하나는 재생 자원에서 생성될 수 있고 생분해성이기 때문이다.
pre-polymerization 프리폴리머. 중합을 완결시키면 성형하기 귀찮을 경우, 중합 반응을 도중을 적당한 단계를 성형에 편리한 단계에서 끝마치는 것이다. 이런 경우 비교적 중합도가 낮은 단계의 중합체를 프리폴리머라고 한다. 예컨대 폴리메타릴산메틸을 모노머에서 주형 하는 경우, 고화 이전의 단계에서 심하게 중합열이 발생하여 제품이 거품 투성으로 되는 경우가 있다. 디아릴프타레이트(diallyl pthalate)수지 폴리우레탄 등은 프리폴리머법을 사용하는 경우가 있다.
ROP (Ring-opening polymerization) 중합체 화학에서 개환 중합은 사슬 성장 중합의 한 형태로, 중합체 사슬의 말단이 고리 형 단량체를 공격하여 더 긴 중합체를 형성합니다. 반응성 중심은 라디칼, 음이온 또는 양이온 일 수 있습니다.
high-molecular-weight PLA 고분자량 PLA.
생분해 플라스틱 - 2) PHA(Poly hydroxy alkanoate) - PHA는 모노머 합성부터 생산까지 전 과정이 미생물 내 존재하는 대사회로에 의해 이루어지는 천연 폴리에스터 - 150종 이상의 다양한 작용기를 갖는 hydroxy carboxylic acid가 모노머로 규명, 모노머들의 조합을 통해
다양한 물성을 갖는 PHA 합성 가능 - PHA 합성에 가장 많이 연구되고 있는 모노머는 P(3HB) - PHA는
1) 생산의 복잡성으로 인한 높은 비용,
2) 분자량 및 구조의 불안정성으로 인해 상용화에 어려움을 겪음 (글로벌 2개 기업 정도 생산) - 높은 생산 비용은 초고온 증기를 사용한 고온 살균 및 압력 하에 사용되는 인 폭기, 미생물의 느린 성장,
불연속 생산 공정 및 복잡한 다운스트림 공정 등에 있음 - 1세대는 천연균 발효조건으로 생산. 플라스틱의 안정적 생산과 구성 모노머 단위의 조성 제어 등에 한계 - 2세대는 유전자공학 기술 도입. 합성효소 유전자 신규 도입, 분자수 증대에 의한 플라스틱 생산성 증대 가능해짐.
물성 변경도 자유로워짐
모노머 (단량체, monomer) 다른 단량체 분자와 함께 반응하여 중합이라 불리는 과정을 통해 더 큰 중합체 사슬이나 3차원 네트워크를 형성할 수 있는 분자이다.
대사회로 (metabolic pathway) 생물학에서 생화학적으로 효소들과 기질로 연결된 연관도를 말한다. 대사물질인 기질과 산물들이 서로 피드백 회로를 형성하거나 유도 역할을 하도록 짜여 있다.
다운스트림 공정 (downstream process) 발효 이후의 공정. 주로 제품 회수 및 정제 공정이 이에 해당된다.
PLA 기술 방향
물성 측면: 취성(brittleness) 및 소수성 개선
- PLA는 기존 열가소성 수지에 비해 열변형 온도가 낮고 방수 기능이 떨어짐. 이에 수명 짧은 포장제품 등에 많이 사용 - 이에 취성과 소수성 개선을 통해 다양한 제품군에 적용하고자 함 - PLA 자체 개질:
1) L-LA와 D-LA 비중 조절,
2) 공중합주(유연성 높거나 친수성 높은 소재와의 공중합: 대표적 PBAT, PGT), 3) 블랜딩법(PLA에 가소제 첨가) - PLA 표면 개질:
1) 표면 코팅법(콜라겐, 인회석 등 코팅으로 세포와의 친화성 높임),
2) 포집(entraoment)법(표면에 잘 흡착되지 않는 물질들을 물리적으로 결합),
3) 광 그래프팅(저비용 환경친화적 방법으로 표면 개질에서 가장 널리 사용) - 생체 적합성 측면에서는 PHA가 더 유용. 다만, PLA도 나노입자 첨가를 통한 탄성률,
투과 특성 및 가공 특성 개선으로 인체 내 삽입 용이한 이식체 연구가 이루어지고 있음
취성 (脆性, brittleness) 탄성 한계 이내의 충격 하중을 받을 때 물체가 소성 변형을 거의 보이지 아니하고 급작스럽게 파괴되는 현상을 말한다. 비슷한 말로는 메짐성이 있다.
소수성 (疏水性, Hydrophobe) 물 분자와 쉽게 결합되지 못하는 성질을 의미한다. 일반적으로 극성을 띠지 않으면 소수성을 띤다. 또한 소수성(친유성)의 물질은 물과 섞이지 못하여서 그 물질의 위에 표면장력 때문에 동그랗게 물방울이 생긴다. 공중합 두 가지 다른 단량체를 같은 사슬에 함께 결합시켜 얻은 고분자.
PBAT 다른 생분해성 폴리에스터인 PLA, PBS보다 좀 더 신축성이 있고, 신장률이 높아서 식품 포장재나 농업용 필름에 더 적합하다. 즉, 합성 지방족 폴리에스터는 우수한 기계적 물성을 가지고, 천연 고분자는 저렴한 가격과 우수한 생분해성을 가지므로 두 물질의 블렌드를 통해 서로의 장점을 효과적으로 이용할 수 있다.
광 그래프팅 저비용의 환경친화적인 방법으로 PLA의 표면 개질에도 널리 사용되고 있다. 고분자를 PLA 표면에 직접 그래프팅 하는 방법 및 광 개시제를 PLA표면에 부착시킨 후에 단량체를 중합하여 그래 프팅하는 방법, "Grafting from" 등으로 나눌 수 있는데 직접 그래프팅 법은 입체장해로 그래프팅 할 수 있는 양(그라프팅 밀도)에 한계가 있어 "Grafting from"법을 주로 사용한다.
원가 절감: LA(lactic acid)를 저렴하게 생산, 공정의 단순화
- PLA 생산의 원료인 LA(lactic acid)를 얼마나 싸게 만드느냐에 따라 원가 절감 가능 → 저가격으로 가기 위한 방안 - LA의 원료로 사용되는 전분을 어떤 식물로 하느냐가 원가 절감의 핵심. 최근에는 대부분 옥수수를 이용한 전분 사용 - 공정 단순화: PLA 생산은 여러 중간 공정을 거침. 기본적으로 고품질 PLA를 만들기 위해 먼저 저품질 플라스틱을 생산 - 이에 뢰번 카톨릭 대학 연구팀의 경우, 석유화학 개념을 바이오매스에 응용, LA를 직접 PLA 원료로 변환하도록 함 - 즉, LA를 하나의 반응기에 주입하고 이 곳에서 높은 온도와
압력 하에 여러 종류의 플라스틱 전 단계로 변환되게 하는 것 - 생산공정 효율화를 잡은 기업은 미국의 NatureWorks.
LA부터 PLA 생산 공정까지 최적화하여 개별 공정 생산 수율 95% 이상 전체 공정 수율은 80% 이상으로 석유 유래 소재 수준의 높은 가격 경쟁력 확보 ($1.5~2.0/kg)
뢰번 카톨릭 대학 (KU Leuven) 벨기에 플랑드르주 루뱅시에 있는 대학교로 네덜란드어를 사용하고 있다. 과학, 공학, 인문학, 의학, 법률 그리고 사회과학 분야에서 학위를 제공한다. 벨기에에서 가장 오래된 역사를 가진 루뱅 가톨릭 대학교를 계승하고 있다.
PHA 기술 방향
물성 측면: PHA 합성 효소 기능 개발
- PHA는 사용하는 효소가 천연산에 한정되어 발휘되는 활성 및 기질 특이성 제약 - PHA 합성 효소 기능 개발:
1) PHA 공중합체 - 효소 입체구조 일부 개조하여 효소활성 향상 또는 기질 특이성 변경 2) 효소개질법 – 효소 유전자에 의도적으로 변이를 일으켜 많은 돌연변이 유전자를 만들고 그중에서
목적에 맞는 유전자만 선별하는 법 - 식물 PHA 생산: 식물에서 생산하는 방법은 많이 시도되었으나 생산량이 0.14%로 매우 낮았음.
그러나 미생물에 비해 식물은 복수 세포 내 소기관을 가지고 있음.
이를 이용하면 생산량을 14%까지 증대 가능하며 공중합체 축적도 가능 - 일본의 Kaneka, 식물성 오일을 원료로 사용하는 바이오 발효 공정을 통해 PHBH 생산
PHBH 식물 오일이 1차 원료로 사용되는 미생물 발효 공정에 의해 생산된다. 결국 환경에 존재하는 미생물의 소화 과정을 통해 CO₂및 H₂O로 분해된다. Kaneka는 토양뿐만 아니라 어려운 도전이었던 바닷물에서도 우수한 생분해성을 달성했습니다.출처 : kaneka
가격 측면: 생산수율, 속도, 축적률 향상을 통한 발효 생산 조건 최적화
- PHA의 생산 원가는 탄소원, 기질 당 수량, 균체에서 회수하는 공정 효율 영향이 큼 - 이에 생산수율, 속도, 축적률 향상을 통한 발효 생산 조건 최적화가 중요 - 기질 당 수량 향상에는 크게 두 가지 대안이 제시되고 있음.
수소세균 (hydrogen bacteria) 화학합성 세균의 하나. 분자 상태의 수소를 산화시켜 물로 만들 때 그 반응에서 얻는 에너지를 이용하고 탄산을 유일한 탄소원으로 하여 성장하는 세균이다. 그러나 유기물을 주면 유기영양을 섭취하여 번식하기 때문에 완전한 화학합성 무기 산화 세균은 아니다.
Fed-batch 유가식배양. 회분식배양의 변형된 형태로서, 제한 기질을 연속적, 또는 간헐적으로 공급해주는 발효 방법.
바이오플라스틱 글로벌 현황
바이오플라스틱 글로벌 현황 – PLA, PHA 중심으로 성장
- 2020년 기준 바이오플라스틱 물성으로는 LDPE/LLDPE 소재 대체로 사용 가능 - 2020년, 글로벌 플라스틱 수요 내 바이오플라스틱 비중은 0.5%. 다만, LDPE/LLDPE 수요 내 바이오플라스틱 비중 3.2% - 2020년 기준, PLA가 전체 바이오플라스틱 수요 중 18.7%. PLA 다음으로 많은 연구가 진행 중인 소재는 PHA - 2020년 PHA 비중은 1.7%에 불과하지만 Danimer 등을 중심으로 물성개선이 빠르게 이루어져 2025년에는 11.5% 비중 확대 기대
LDPE/LLDPE - HDPE 고밀도 폴리에틸렌. HDPE의 밀도는 0.941~0.965인 합성수지 에틸렌을 중합하여 제조하는 합성수지로서 성상은 반투명에 고체(밀도가 0.94이상의 것) 강도는 우수하나 유연성, 가공성이 떨어지며, 주로 일회용 쇼핑백, 각종 용기, 컨테이너, 파이프 등의 원료로 사용 압력 50 bar이하의 저압과 280도 이하의 온도에서 제조되는 폴리에틸렌 수지 전체를 지칭. blow molding 법으로 가공. 이와 같은 방법으로 제조되는 가정용 화학제품의 용기는 폴리머 소비량의 1/3을 차지하고 있음.
- LDPE 저밀도 폴리에틸렌. LDPE는 밀도는 0.910~0.925인 합성수지 에틸렌을 중합하여 제조하는 합성수지로서 상온에서 투명한 고체(밀도가 0.91~0.94의 것)로 결정화가 낮아 가공성과 유연성, 투명성이 우수해 농업용 하우스 비닐하우스, 포장용 투명필름, 전선 피복, 지퍼 팩, 파란색 채소용 봉투, 각종 랩 등의 원료로 사용
- LLDPE는 HDPE처럼 분자구조가 선형 구조이기 때문에 선형 저밀도 폴리에틸렌이라고 함.
Danimer 이전 Meredian Holdings Group Inc. 및 MHG로 알려진 Danimer Scientific은 조지아 베인 브리지에 본사를 둔 바이오 폴리머 제조업체입니다.
글로벌 PLA 시장 동향
- 2018년 이후로 시장 수요가 급증하였으며 연평균 26% 성장을 보이고 있음 - 바이오플라스틱 중 가장 비중을 많이 차지하는 소재로 글로벌 플레이어들도 많은 편 - 그중, Natureworks LLC와 Total-Corbion PLA 중심으로 시장 선도 - 국내에는 LA, PLA 상용 기업은 없으며, 소재는 연구개발 진행, 상용화는 가공 중심으로 시장 형성
Total-Corbion PLA 2018년 설립. PLA 마케팅, 판매 및 생산.
글로벌 PLA 시장, 신증설에도 불구 공급 타이트할 것
-suPLA, COFCO, Total-Corcion 등 공장들이 Full 가동을 하지 않아
극심한 공급 부족으로 2019년 초 PLA 가격이 전년 대비 50%나 급등 - 현재, 공급 타이트 현상이 지속되고 있어 신 증설 Project가 이어지고 있음 - BBCA-Galactic의 80,000톤 LA 및 40,000톤 PLA 공장, Hisun의 30,000톤 PLA 공장 등 증설 진행 중 - 계획대로 진행 시, 2022년까지 510,000톤의 공급 능력을 확보. 그럼에도 공급은 여전히 타이트할 것
글로벌 PHA 시장 동향
- PHA는 미생물을 원료로 한 소재이기 때문에 생체적합성이 뛰어남 - 생체적합성과 더불어 생분해성도 뛰어나기 때문에 약물 전달 및 조직 공학 scaffold를 포함한
다양한 생체 의학 응용 분야에 널리 사용 가능 - 이러한 특성 때문에 미국, 유럽 등 선진국 중심으로 PHA를 중심으로 한 물성개선 연구가 계속되고 있음 - 글로벌 Player는 미국의 Danimer Scientific, 일본의 Kaneka, 미국의 Newlight Technologies(Air carbon) 등
조직 공학 scaffold (組織工學, tissue engineering) 생물학적 조직을 개선하거나 대체하기 위해 세포, 공학 및 재료 방법, 적절한 생화학 및 물리 화학적 요인의 조합을 사용한다. 조직공학이란 (줄기) 세포, 세포가 부착되어 자랄 수 있는 지지체, 그리고 세포의 성장 및 분화를 조절할 수 있는 각종 인자를 적절히 이용하여 여러 조직 재생, 및 나아가 장기 복원을 목표로 하는 연구를 통칭하는 학문이다. 조직공학은 의료 목적을 위한 새로운 생체 조직의 형성을 위한 발판(scaffold)의 사용을 포함한다.
국내 바이오 플라스틱 시장
- 국내 바이오플라스틱 시장은 주로 PLA 관련 소재 가공 중심으로 발달 - 원료가 없다고 해서 경쟁력이 없다고 말할 수 없음.
PLA의 경우, 이미 기술적 장벽이 많이 낮아진 상태이기 때문에 이를 이용한 가공이 좀 더 의미 있음.
다만, PLA 소재를 이용한 원료부터 가공, 완제품까지는 규모의 경제를 키우는 것이 핵심 - PHA는 특수목적용으로 사용 가능하여 선진국 중심으로 고부가가치 산업군
적용을 위해 연구개발 중. 국내 ‘CJ제일제당’이 원료 개발 성공
국내 바이오플라스틱 관련 주요 기업
기업
내용
SKC
- 2008년 세계 최초로 생분해 PLA 필름 상용화 - 생분해 PLA 필름은 옥수수에서 추출된 바이오매스 성분으로 개발 - 2018년 10월부터 스타벅스의 바나나 포장재를 시작으로 케이크 보호비닐, 머핀, 샌드위치 포장재 등 생분해 PLA 필름 적용 대상 늘림 - 2020년 3월부터는 신세계TV쇼핑의 아이스팩 포장재, 의류용 비닐에 생분해 PLA 필름 공급 - 2020년 5월, 목재 펄프에서 뽑은 나노셀룰로오스로 보강한 고강도 PBAT, 화학연서 기술 이전
CJ제일제당
- 미국 메타볼릭스 PHA 관련 자산 인수를 통해 상용화 진행 중 - 본 생산 전임에도 불구 유럽 등 글로벌 기업 초기 양산 물량을 뛰어넘는 5,000톤 이상 선주문 해옴
LG화학
- 주로 biobased제품 개발 - 바이오 원료 기반의 PO, SAP, ABS, PC, PVC 등을 생산할 계획(2021년 하반기까지 제품생산 목표) - 2024년까지 생분해성 고분자 PBAT, 옥수수 베이스 PLA 상업화 예정
롯데케미칼
- 2018년 식물자원 원료 PLA 컴파운드를 이용하여 유아용 식기 소재 생산 판매 - PBCT 기술 이전 후 파일럿 규모 생산 연구개발 진행 중 - 다만, 주로 biobased제품 생산
SK이노베이션, SK케미칼
- PLA 생산 원천 기술 연구 및 PLA 기반 유연 생분해성 바이오플라스틱 ECOPLAN FLEX 판매 중
대상
- 전분계 생분해성 바이오플라스틱 연구개발 진행 중
효성티앤씨
- 바이오플라스틱보다는 리사이클링섬유 '리젠' 개발 - 가방 제조 스타트업인 플리츠마마가 이 섬유를 공급 받아 가방 제조하는 방식 - 세계 1위 아웃도어 백팩 브랜드 '오스프리'에 친환경 나일론 섬유 '마이판 리젠 로빅' 공급
에이유
- 2020년인가전M&A 추진(조건부 인수예정자 있음) - 천연 바이오 소재 개발로 아모레퍼시픽, 스타벅스, 미니스톱 등에 일회용 봉투 납품 - 2012년, CJ제일제당 선물세트 포장지 생산 담당 업체 - 포장지 외에도 자동차 및 건축 내장재, 산업용 자재 생산 이어옴
스타벅스의 바나나 포장재를 시작으로 케이크 보호비닐, 머핀, 샌드위치 포장재 등 SKC의 친환경 생분해 필름이 스타벅스 코리아의 식품 포장재로 쓰이고 있었다고 SKC가 24일 밝혔다. 지난해 10월 스타벅스 코리아의 바나나 포장재로 공급을 시작, 1년간 적용대상을 늘려오면서 현재는 케이크 보호비닐, 머핀, 샌드위치 포장재 등에도 사용하고 있다.
PO (Polyolefin) 폴리올레핀. 모노머로서 단순한 올레핀으로부터 제조된 폴리머의 유형이다. 예를 들어, 폴리에틸렌은 올레핀 에틸렌을 중합시켜 제조 된 폴리올레핀이다. 폴리 프로필렌은 올레핀 프로필렌으로 제조 된 또 다른 일반적인 폴리올레핀이다.
SAP (Super Absorbent Polymer) 고흡수성수지. 물을 만나면 녹지 않고 자체 무게의 500~1000배 흡수하는 백색 가루 형태의 화학 물질이다.
ABS (acrylonitrile butadiene styrene copolymer) 아크릴로나이트릴, 뷰타다이엔, 스타이렌의 세 가지 성분으로 이뤄진 스타이렌 수지이다.
PC(polycarbonate) 폴리카보네이트. 비스페놀 A(BPA)와 포스젠의 연쇄 구조로 이루어진 무색투명한 무정형의 열가소성 플라스틱 중합체이다. 모노머 단위끼리의 결합이 탄산 에스테르(-O- (C = O) -O-)로 구성되며 쉽게 가공할 수 있고, 사출성형되며, 열성형이 된다.
PVC (Polyvinyl chloride) 폴리염화 비닐. 열가소성 플라스틱의 하나로 강하고, 색을 내기 쉽고, 단단하거나 유연하고, 잘 마모되지 않는다. 열에는 약하다. 인조 가죽·레코드판·포장재·파이프·전기절연체·바닥재에 사용한다. 비닐이라는 명칭으로 가장 오래전부터 애용되어온 플라스틱이다.
PBCT (poly (butylene carbonate-co-terephthalate)) 생분해성의 고분자량 지방족 폴리카보네이트 공중합체는 인열강도와 기계적 물성이 우수하나, 상대적으로 생분해성이 낮고 가공성이 낮은 단점이 있다.
ECOPLAN FLEX 바이오소재인 ECOPLAN은 유전자 조작을 하지 않은 식물에서 추출한 원료를 사용하여 기존 PLA와 차별화를 두었다. 또한, 기존 PLA의 취성을 개선하여 유연성과 투명성을 향상시킨 ECOPLAN-Flex(압출용), 내열성과 내충격성을 강화한 ECOPLAN-Dura(사출용)을 상용화하였다.
리사이클링섬유 '리젠' 효성티앤씨는 제주도에서 버려지는 페트병을 수거해 ‘리젠제주(regen jeju)’ 택을 달고 친환경 가방을 만든다. 생수 브랜드 삼다수는 제주도내 폐페트병을 별도 분리수거해 의류와 가방에 적합한 원재료를 공급할 예정이다.
