2022년에 들어서면서 전세계적으로 가장 주된 관심사 중 하나는 기후 변화입니다. 이제 부정적인 기후 변화의 주요 원인 중 하나가 화석 연료 연소라는 사실은 잘 알려져 있습니다. 석탄, 석유와 같은 화석 연료는 연소 과정에서 많은 양의 이산화탄소를 밖으로 배출하며, 결과적으로 대기 중에 열이 갇히면서 지구 온난화의 원인이 됩니다.
장바구니, 자동차 범퍼, 심지어 의류까지 수많은 제품에 사용되는 플라스틱은 전통적으로 석유에서 나온 합성 고분자가 그 재료입니다. 이러한 고분자의 원료는 원유 정제 과정에서 직접 얻거나 정제 제품에서 합성됩니다. 현재 플라스틱 제조 공정에서 전세계 원유 공급량의 8~10%를 소비하며 이 수치는 2040년까지 두 배로 늘어날 것으로 추정되고 있습니다.
석유화학제품과 전통적인 플라스틱의 제조는 아직도 전적으로 원유에 의존하고 있으며 재생 불가능한 이 자원은 지구에서 빠른 속도로 고갈되고 있습니다. 플라스틱과 관련된 문제는 너무나 많습니다. 자원 고갈 문제를 고려할 때 전통적인 플라스틱 생산은 결국 중단되어야 합니다. 이러한 생산 방식은 생태계를 파괴합니다. 또한 많은 플라스틱 제품은 재활용이 불가능해 엄청난 양의 쓰레기가 생길 뿐만 아니라 올바른 방식으로 폐기/재활용되지 않을 경우 더 큰 피해를 야기합니다.
보통 사람의 경우 일회용 플라스틱 제품 사용과 포장 폐기물을 줄이고 책임감 있는 재활용 노력을 실천함으로써 '생태 발자국'을 줄이고 환경 보호에 도움을 줄 수 있습니다. 제조업체 또한 플라스틱 제품 개발에 있어 석유의 대체제, 예를 들어 합성 소재 대신 생물 고분자 물질을 선택함으로써 '생태 발자국'을 줄일 수 있습니다.
"생물 고분자"는 원형에 관계없이 생분해성 또는 생체적합성 고분자를 설명할 때 사용되기도 하지만 이 블로그에서는 생물 유래(bio-derived) 고분자, 즉 바이오매스에서 만들어진 고분자만을 의미합니다. 이 물질은 재생 가능 자원이 원료이며 대기 중 이산화탄소를 고정시켜 온실가스 배출량을 줄여줍니다. 많은 생물 고분자는 또한 생분해가 가능하여 다양한 방법으로 제품을 폐기하고 재활용할 수 있습니다.
생물 고분자 유형
생물 고분자는 소재와 생산 방법을 기준으로 다음과 같이 세 가지 기본 등급으로 분류됩니다.
- 등급 A: 전분, 셀룰로스, 단백질, 아미노산, 파생물과 같은 바이오매스에서 직접 얻은 천연 고분자
- 등급 B: 미생물과 식물을 사용하여 생물학적으로 합성되거나 폴리히드록시알카노에이트(PHA), 폴리 젖산(PLA)과 같이 대부분 생물학적으로 합성된 단량체에서 직접 준비된 고분자
- 등급 C: 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같은 대체 생물 근원 단량체에서 얻는 종래의 석유 기반 고분자
각 생물 고분자는 등급마다 포장재, 농업 또는 수술에 필요한 생체 적합 재료 등 상업적 용도가 다릅니다.
- 등급 A 및 B 고분자는 모두 생분해가 가능하고 대부분 친환경적이지만 석유로 만든 플라스틱에 비해 성능이 낮아 일반적으로 보강 충전제 또는 충격 조절제와 함께 사용됩니다.
- 등급 C 고분자는 구조적으로는 석유로 만든 플라스틱과 유사하지만 대부분의 경우 생분해가 불가능하여 동일한 폐기 및 재활용 문제가 있습니다.
생물 고분자의 흡수 증가에는 비용 문제가 뒤따릅니다. 발효율 및 효율성을 높이거나 생물 고분자 생산 과정을 유기 폐기물 공정을 갖춘 식품 제조 공장 또는 시설에 통합하는 것을 목표로 하는 이니셔티브를 통해 높은 제조 비용을 줄이려는 시도를 하고 있지만 아직까지도 비용이 주요 장애물입니다.
생물 고분자의 주요 용도
상업용 바이오플라스틱은 주로 포장에 사용됩니다(표 1). 전분과 PLA는 저렴한 비용으로 인해 가장 많이 제조되는 바이오플라스틱입니다. 반면에 PHA는 생산 비용이 높아 제조 수량이 훨씬 더 적습니다.
표 1. 주요 상업용 생물 고분자의 생산량과 용도
친환경 노력 사례: Coca-Cola PlantBottle™
생물 고분자와 관련된 지속 가능한 혁신은 이미 수십년 동안 막후에서 진행되어 왔지만 이러한 앞선 노력은 기사거리가 되지 않거나 주요 기업이 신제품을 발표할 때까지 공개되지 않는 경우가 많습니다.
2015년 여름, Coca-Cola Company가 재생 가능 자원으로만 만든 세계 최초의 플라스틱 병, PlantBottle™ 패키징을 새롭게 발표했습니다. 이 병은 전통적인 플라스틱으로 만든 병과 외관, 기능이 같고 재활용도 가능하지만 석유를 사용하지 않았다는 점에서 환경에 미치는 영향이 현저히 적습니다. 이러한 발표는 생물 고분자의 지속적인 개발과 주류 제품에 이 물질을 채택하려는 전세계인 노력에 동기를 부여합니다.
생물 고분자에 대한 오해와 진실
생물 고분자에 대한 대중의 인식 또한 이러한 제품을 폭넓게 구현하는 데 있어 중요한 요소입니다. 전통적인 플라스틱을 대체하기 위한 이 지속 가능한 노력의 큰 이점은 잘 알려져 있지만 동시에 비판도 존재합니다. 이러한 비판은 당연히 오해와 혼란에서 비롯되는 경우가 많지만 가장 자주 논의되는 주제와 그에 대한 CAS의 의견이 표 2에 정리되어 있습니다.
표 2. 생물 고분자에 대한 오해와 진실.
PBAT = 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트; PBS = 폴리부틸렌숙시네이트; PLA = 폴리 젖산.
생물 고분자 연구 동향
생물 고분자 연구는 최근 수년 간 활발히 진행되고 있으며 2019년 10대 신기술 중 하나로 선정되었습니다. CAS Content Collection™(그림 1)을 보면 원유 가격 변동과 지속 가능성 향상 및 기후 변화 문제 해결을 위한 전반적인 노력에 끊임없이 대응하면서 지난 20년 동안 관련 연구와 혁신이 계속되었음을 알 수 있습니다. 학술지와 특허 모두 처음에는 천천히 증가했지만 2009년 경부터 비슷한 속도로 빠르게 증가했습니다. 2014년 즈음에는 특허 출원 수의 증가 속도가 학술지의 급격한 증가에 비해 상대적으로 느려졌으며 학술지의 빠른 증가 추세는 2020년까지 이어졌습니다.
생물 고분자는 주로 화석 연료 기반 플라스틱의 재생 가능 대안 물질로 개발되므로 화석 연료로 만든 플라스틱의 가격이 크게 상승하면 생물 고분자의 경쟁력이 올라가는 것과 함께 연구원과 발명가들의 열정과 자신감도 높아집니다. 플라스틱 가격은 원유 가격과 밀접한 관계가 있습니다. 2000년대 중반 이후 원유 가격이 크게 오르고 2008년에는 전례 없는 유가 폭등을 경험했는데 특히 2008년 즈음 특허 출원 수 곡선에서 명확하게 나타난 변곡점이 이러한 관계를 뒷받침해 줍니다. 2014년 이후 유가가 하락하면서 생물 고분자 제작 비용이 상대적으로 다시 증가했으며 이는 발명가들의 사기를 저하시켰을 것이고 같은 해에 특허 출원 수가 감소하는 원인이 되었습니다.
CAS Insights 보고서를 읽고 다양한 생물 고분자의 유형별 이점, 한계, 인기도와 이 전통적인 플라스틱 대안 물질에 대한 연구 개발 관심이 지난 20년 동안 어떻게 변화되어 왔는지 알아보십시오.
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