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바이오 플라스틱- 생분해 플라스틱, PLA, PHA 정리 본문
바이오 플라스틱은 석유화학기업들이 필연적으로 선택할 수밖에 없는 소재이죠. 전체 석유화학 공정에서 대부분을 차지하는 것이 플라스틱이고 이를 친환경으로 대체하지 않으면 탄소 중립을 이루어낼 수 없습니다.
아직 세부 정책들이 더 마련되어야 하지만 유럽의 탄소국경조정세에서 제품에 대한 탄소세는 생산단계, 공장 전기, 폐기단계 중 폐기단계를 제외하고 부과될 것으로 보입니다. 이에 글로벌 기업들은 가장 먼저 공장 전력을 신재생으로 돌리기 시작했습니다. 원유 베이스를 친환경 베이스로 바꾸기 시작했죠.
주요국들은 친환경 정책을 강화, 특히, 원유 베이스 플라스틱 사용 제한을 강조하고 있으며, 2021년 들어 중국도 플라스틱 제한령을 금지령으로 변경하였습니다.
바이오 플라스틱
바이오 플라스틱이란
바이오매스 기반의 고분자 플라스틱 전체를 의미합니다. 바이오매스란, 살아있는 식물체 및 생물 유기체의 총칭입니다. 고분자란, 자연에 존재하는 고분자는 녹말, 셀룰로오스, 단백질로 되어 있습니다. 다세포 동물은 외피가 단백질, 대부분 다세포 식물은 외피가 셀룰로오스입니다.
바이오 플라스틱은 원료, 분해 메커니즘, 생산방법에 따라 생분해, 산화 생분해, 바이오 베이스, 천연 고분자 플라스틱으로 구분되는데요. 그중에서 가장 각광받고 있는 산업은 생분해 플라스틱입니다.
생분해 플라스틱
1세대인 비분해성 플라스틱에 전분과 같은 생분해성 플라스틱 블렌딩 방법에서 2세대인 바이오매스를 원료로 이용하는 방법으로 넘어왔습니다.
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 플라스틱의 구분
1) 생합성 고분자(biosynthetic polymer)
2) 화학적 합성 고분자(chemosyntheic polymer)
3) 천연 고분자로 구분
이 중에서 2) 화학적 합성 고분자(chemosyntheic polymer)는 다시 천연물 합성계와 화학 합성계로 구분됩니다.
생분해 플라스틱 소재별 종류
PLA(Poly lactic acid )
PLA는 옥수수, 사탕수수, 감자 등에서 얻어지는 전분이나 당분으로 만든 생분해 플라스틱의 한 종류를 말합니다. 바이오 플라스틱 중 가장 먼저 상업화에 성공한 것입니다.
1세대는 Dupont, Chrinipol, Cargill이 1990년대 초 상용화에 성공했고, 현재 Cargill은 반응 증류에 의한 고순도 Lactide 생산을 위한 연속 용융 중합공정 개발을 주도하고 있습니다. Cargill은 글로벌 PLA 시장을 주도하고 있는 NatureWorks를 자회사로 두고 있고요.
PLA 물성은 이성체 종류, 성형온도, 분자량, 담금 온도에 따라 달라집니다. 다른 생분해 플라스틱 대비 투명하고 강도가 높은 것이 특징입니다. PET 물성과 가장 유사합니다.
하지만 낮은 열 변형 온도, 저온에서의 부서짐 등의 한계로 다른 생분해 물질과의 공중합 등을 통해 물성 개선하여 다양한 제품에 적용 중입니다.
PLA 제조공정
미생물 발효에 의해 lactate salt 생성 -> lactate salt를 화학공정에 사용하기 위해 Polymer-grade lactic acid 형태로 분 리 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 제조합니다. 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 때문입니다.
PHA(Poly hydroxy alkanoate)
PHA는 모노머 합성부터 생산까지 전 과정이 미생물 내 존재하는 대사회로에 의해 이루어지는 천연 폴리에스터입니다.
150종 이상의 다양한 작용기를 갖는 hydroxy carboxylic acid가 모노머로 규명, 모노머들의 조합을 통해 다양한 물성을 갖는 PHA 합성 가능합니다. PHA 합성에 가장 많이 연구되고 있는 모노머는 P(3HB)입니다.
PHA의 한계
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 인폭기, 미생물의 느린 성장, 불연속 생산 공정 및 복잡한 다운스트림 공정 등에 있습니다.
1세대는 천연균 발효조건으로 생산합니다. 플라스틱의 안정적 생산과 구성 모노머 단위의 조성 제어 등에 한계가 있습니다.
2세대는 유전자공학 기술 도입. 합성효소 유전자 신규 도입, 분자수 증대에 의한 플라스틱 생산성 증대 가능해지고, 물성 변경도 자유로워집니다.