BT News_ 기획특집 바이오화학산업의 육성 필요성과 발전전략 1. 서론 서울대학교 농생명공학부 서진호 jhseo94@snu.ac.kr 산업발전과정에서 1930년부터 1980년까지를 흔히 석유화학시대 (Petrochemical era)라 부르는데 그

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1 나의 연구와 버섯산업의 최근동향 특별기고 기획특집 7 BT news 2011 Fall

2 BT News_ 기획특집 바이오화학산업의 육성 필요성과 발전전략 1. 서론 서울대학교 농생명공학부 서진호 jhseo94@snu.ac.kr 산업발전과정에서 1930년부터 1980년까지를 흔히 석유화학시대 (Petrochemical era)라 부르는데 그 이유는 석유가 화학산업의 원료물질로 사 용되면서 석유기반 화학산업이 가능해졌기 때문이다. 화학산업에서 필요로 하는 기본적인 원소 (element)는 크게 탄소, 수소, 질소, 산소이다. 이 중 질소 와 산소는 공기 중에서 쉽게 얻을 수 있다. 반면 탄소와 수소는 석유를 통하여 공급되고 있다. 탄소와 수소의 공급원인 석유가 값싸게 그리고 대량으로 공급 이 되면서 화학산업의 발전이 가속화 되었고 화학산업은 전성기를 누릴 수 있 었다. 그러나 석유가 화학산업의 기초원자재로서, 그리고 수송용 연료 등 에 너지원으로 사용되어 온 결과 대기 중 CO 2 농도가 급격히 증가하였으며, 이로 인한 지구온난화, 기상이변과 같은 환경문제를 야기하였다. 온실가스 배출에 대한 규제가 강화되면서 화학산업도 지속가능 (sustainable) 한 구조로의 변모가 필요하며, 그 해결책으로 feedstock을 석유가 아닌 환경 친화적인 생물자원 (biomass)으로 대체가 필요하다. 생물자원으로부터 에너 지의 화학소재를 얻는 바이오화학산업의 육성 필요성과 발전전략에 대해 간 략히 소개하고자 한다. 그림 1. 바이오화학산업과 석유기반화학산업의 비교 Vol.18 No.2

3 바이오화학산업의 육성 필요성과 발전전략 기획특집 2. 바이오화학산업의 육성 필요성 바이오화학산업은 바이오매스 (biomass: 옥수수, 사 탕수수, 목재류, 풀 등 재생가능한 생물자원)를 원료로 사용하거나, 생산과정에서 효소나 미생물 등 생물촉매를 이용한 생물공정으로 화학제품을 제조하는 산업군을 통 칭한다. 그림 1에 나와 있듯이 석유기반 화학산업은 석유를 원 료로 하며 화학공정을 활용하여 연료, 화학제품 및 에 너지를 생산한다. 한편 바이오화학산업은 연료, 화학 제품 및 에너지를 생산하기 위하여 석유 대신 재생가 능한 바이오매스를 활용하거나, 화학공정 대신 생물공 정을 활용한다. 화학제품, 에너지 생산에 이용되는 생 명공학 기술을 산업바이오기술이라 한다. (미국에서는 Industrial Biotechnology라 부르고, 유럽에서는 White Biotechnology라 부름.) 바이오화학산업의 대표적인 제품군은 바이오에너 지와 바이오화학제품이다. 바이오에너지의 예로는 바 이오에탄올, 바이오부탄올, 바이오디젤 등이다. 바 이오화학제품의 예로 polylactic acid 와 포도당 유래 1,3-propanediol 등이다. 바이오화학산업의 장점은 재생가능한 바이오매스 자 원을 활용하므로 순수 CO 2 배출량이 없는 환경친화적이 다 (그림2 참조). 석유에서 배출된 CO 2 가 다시 화석원료 로 전환되는데는 수천만년 이상이 걸리므로 비가역적인 과정인 반면, 바이오매스 기반 탄소순환은 배출된 CO 2 가 다시 탄소 동화작용으로 식물체로 전환되기 때문에 순수한 CO 2 배출량이 없다. 이를 CO 2 중립적 (neutral)이 라고 한다. 그러나 개발기간이 길며 원료수급이 불안정 하다는 단점을 가지고 있다. 그럼에도 불구하고 전세계 적으로 바이오화학산업의 연구개발 역량을 집중하는 이 유는 탄소원으로서 석유가 아닌 바이오매스를 이용하므 로 온실가스 배출량을 줄일 수 있으며, 유가상승에 대비 한 화학산업의 원료수급의 유연성을 제공하며, 각종 국 제환경규제의 강화에 따른 지속가능한 화학산업 확립에 기여할 수 있기 때문이다. 유가가 배럴당 80$ 이상이 되면 바이오매스 기반 화 학제품의 가격 경쟁력이 석유기반 화학제품에 비하여 우 세할 것으로 추정되고 있다. 생태계에서 자연적으로 분 해가 되는 Polylactic acid (PLA)의 가격은 $2.0/kg 수 준으로 석유화학수지와 비교할 경우 이미 경쟁력을 확보 한 것으로 판단된다. 그러나 향후 바이오화학산업의 시 장 및 제품 경쟁력은 유가가 아닌 생산 및 가공공정의 기 술 경쟁력에 의해 결정될 것으로 전망된다. 3. 외국의 동향 미국은 바이오화학산업의 선두국가로 이 분야를 주도 그림 2. 석유기반화학산업과 바이오화학산업에서의 탄소순환. 9 BT news 2011 Fall

4 BT News_ 기획특집 그림 3. 바이오화학산업에서의 기업간 전략적 제휴. 하고 있다. 미국의 Department of Energy는 2005년 바 이오매스로 생산할 수 있는 화학중간체 10개를 선정하여 발표한 바 있다 (표 1 참조). 바이오기반 생산공정이 석유 기반 생산공정에 비하여 경제적으로 타당성이 있다고 분 석하여 선정한 제품군이다. 2008년 9월 국가정보위원회 (NIC)는 경제, 사회 발전에 큰 영향을 미칠 6개의 와해성 기술 (Disruptive technology) 중 하나로 바이오화학제품 을 선정하였다. 유럽 집행위원회는 2008년 1월 미래 경 쟁력의 핵심이 될 혁신경제를 이루기 위한 6개 선도시장 전략 (LMI: Lead Market Initiative) 중 하나로 바이오제 품 (바이오플라스틱 등)을 선정하여 발표하였다. 일본도 2006년 3월 바이오에너지 및 화학제품 생산에 바이오매 표 1. Top Ten Value-Added Chemical from Biomass. 출처 : U.S. Department of Energy Report (2004). 스 활용을 촉진하기 위한 바이오매스 일본종합전략을 추 진한다고 선언하였으며, 바이오매스 활용을 촉진하기위 한 각종 제도를 도입하고 있다. 세계경제포럼은 바이오매스를 이용한 화학제품의 생산 이 2020년에는 세계 화학산업의 9%를 점유할 것으로 전망 하였다. 바이오화학산업의 육성을 위한 국가적인 지원정 책과 함께 산업계에서도 활발한 움직임이 진행되고 있다. 바이오화학산업의 value-chain에서 전반부에 해당 하는 바이오매스 (원료) 자원 확보와 바이오 기술을 가진 회사와 후반부에 해당하는 바이오화학제품 및 연료를 생 산, 판매, 가공을 담당하는 화학회사와의 전략적 제휴가 활발히 이루어지고 있다. 세계 10대 화학기업 중 6개사가 바이오화학산업에 참여하여 기술개발에 역량을 집중하 고 있다. 대표적인 예가 2011년 바이오화학산업의 선두 주자인 Dupont은 효소 및 식품소재 생산회사인 Danisco 를 합병하여 선두주자의 위치를 더욱 공고히 하고 있다. Dupont은 이미 옥수수 유래 1,3-propanediol (PDO) 생 산을 2009년에 시작하여 Sorona라는 브랜드의 섬유소재 를 판매하고 있다. 미국의 Natureworks 사는 옥수수기 반 PLA를 생산하고 있으며 미국 시장의 28%를 차지하 고 있다. 곡물가공회사인 Roquette와 화학회사의 DSM 은 호박산생산의 상용화를 위하여 전략적 제휴를 맺었다 (그림 3 참조). 영국의 석유회사인 BP는 Beyond Petroleum 을 표방 하면서 탈석유를 위한 연구개발을 꾸준히 추진하였다 Vol.18 No.2

5 바이오화학산업의 육성 필요성과 발전전략 기획특집 그 결과 섬유소 바이오매스 (옥수수나 사탕수수가 아닌) 로부터 에탄올 (휘발유 대체 바이오 연료)을 34 million gallon/yr 규모로 생산하기 위한 공장건설에 착수하였다. 4. 국내 바이오화학 산업의 동향 국내의 경우는 아직 초보적인 단계에 머물고 있다. 바 이오 회사를 중심으로 바이오화학 산업으로의 진출을 위해서 기술 개발에 박차를 가하고 있지만 아직 구체적 인 사업 단계까지는 이르지 못하였다. 하나 특기할 사항 은 외국에서와 같이 바이오회사와 화학회사 간의 전략 적 제휴가 이루어지고 있다는 점이다. CJ 제일제당은 프 랑스 화학회사인 Arkema와 공동으로 동물사료 첨가제 인 methionine을 바이오매스로 부터 생산하기 위한 공장 (80,000 ton/yr 규모) 건설을 발표하였다. methionine은 지금까지 화학합성 공정으로 생산되었지만, 발효공정과 화학전환공정의 융합으로 생산하게 된 것이다. 삼성전자 의 리클레임 폰, SKC의 친환경 생분해 필름, LG 하우시 스의 PLA 유래 천연 바닥재 등 바이오화학제품이 출시 되고 있다. 그러나 이들 제품의 주원료인 PLA는 전량 수 입에 의존하고 있으며 총 수입액은 3,000억원을 상회하 는 것으로 보고되고 있다. 또한 대상-GS 칼텍스-창해로 이루어진 콘소시움이 구성되어 바이오 콤비나트 를 추진 하고 있다. 바이오 콤비나트는 바이오매스 확보에서부터 최종 바이오화학 제품의 생산까지 전 공정을 연계, 집적 화하는 총괄 엔지니어링 기술을 말한다. 지식경제부와 울산시가 공동으로 울산에 바이오화학 실용화센터 를 건립중이며 2013년 완공을 목표로 하고 있다. 바이오화학 산업 제품의 실용화를 위한 기본적인 인프라를 제공하므로, 바이오화학 산업의 발전을 위한 촉진제 역할을 할 것으로 기대된다. 또한 지식경제부에 서 탈석유기반 바이오화학 산업을 육성하여 세계5위권 바이오화학 산업 강국 으로의 도약을 목표로 대형 R&D 사업을 추진하고 있다. 5. 바이오화학 산업의 발전전략 바이오화학 산업과 관련하여 우리나라의 장점은 세계 5위권의 석유화학산업의 규모, 세계 최고 수준의 발효공 학기술을 보유, 그리고 우수한 바이오와 화학공학 기술 인력이다. 최근 급속히 발전하는 생명공학기술로 바이오 화학 산업의 핵심기술을 개발하고, 화학공정과 생물공정 을 연계한 융합형 하이브리드 기술을 개발한다면 우리나 라의 바이오화학 산업의 경쟁력이 제고될 것이다. 반면, 약점으로는 바이오매스 자원의 부족과 선발기업들에 의 한 기술독점의 심화, 핵심융합기술의 연구투자가 부족하 다는 것을 들 수 있다. 그러나 아직은 바이오화학 산업이 초기 태동 단계로 미개척 분야가 많으므로 우리의 강점 을 활용한다면 기회산업이 될 것이다. 화학산업을 새로 운 성장동력 산업화로 변모시킬 수 있는 바이오화학 산 업을 구현하기 위해서는 다음과 같은 전략과제에 대한 집중적인 추진이 필요하다고 생각한다. - 원천기술 확보와 산업화 경쟁력 향상을 위한 연구 개발지원 프로그램 - 실증연구와 산업화를 촉진할 수 있는 기반시설 구축 - 시장경쟁력 확보를 위한 제품인증제도 및 표준화 - 바이오매스의 안정적 공급 위한 해외 network 구성 및 거점 확보 - 연구 개발 연계 융합형 인력양성 프로그램 산업적인 측면에서는 바이오매스, 바이오 기반 역 량, 화학 기반 역량의 산업융합이 필요하다. 바이오매 스 확보와 가공에서부터 최종제품의 생산과 활용까지 전 value-chain을 아우르는 기술 개발 전략이 필수적이므 로, 바이오산업과 화학 산업의 융합이 필요하다. 즉, 바 이오매스로부터 효율적인 당의 생산과 이를 이용한 발효 bioplatform chemical 소재의 생산, platform chemical 로부터 기존 화학제품을 대체하거나 능가하는 화학제품 의 생산과 활용에 이르기까지 일관된 생산체제를 갖추는 것이 필요하다. 자원이 부족한 우리나라의 경우 자원의 안정적인 확보 를 위해서는 해외 network 구성이 필요하다. 우리나라가 세계 5위권의 석유화학산업을 갖고 있는 이유가 석유가 풍부해서가 아니라 기술과 산업경쟁력이 있기 때문이듯 이 바이오화학 산업에서 국내 원료의 확보도 중요하지만 필수적인 요건이 아니라고 생각한다. 11 BT news 2011 Fall

6 BT News_ 기획특집 6. 결론 화학 산업의 원료물질을 석유에서 지속가능한 바이오 매스로의 전환은 세계적인 추세 (megatrend)이다. 이는 탄소경제의 패러다임이 탄화수소 (hydrocarbon)에서 탄 수화물 (carbohydrate)로서 전환을 의미한다. 환경친화적이며 지속가능한 산업구조를 가진 바이오화 학산업은 선택이 아니라 필수적인 요소이므로 우리나라의 화학산업도 바이오화학산업으로서 진출을 적극적으로 모색 하여 화학산업의 르네상스 를 구가할 수 있기를 기대한다 Vol.18 No.2

7 PLA (Poly Lactic Acid) 생산 기술 동향 기획특집 PLA (Poly Lactic Acid) 생산 기술 동향 1. 서론 광운대학교 화학공학과 김용환 metalkim@kw.ac.kr 최근 바이오플라스틱에 대한 관심이 전세계적으로 급증하고 있다. 그 중에서도 가장 주목을 받고 있는 바이오플라스틱 소재는 PLA라고 할 수 있다. 물론 PLA는 신소재는 아니다. 나일론 합성기술 개발을 통하여 유명 한 듀폰사의 Wallace Hume Carother 등이 1930년대에 이미 PLA 합성 기술을 개발하였으며, 이에 대한 기술은 듀폰사에 의하여 1954년 특허가 등록이 되었다. 하지만 저분자량의 PLA가 가지는 물성의 한계 등으로 인 하여 매우 한정된 용도 (의료용 생분해성 고분자 등)로만 사용될 수 있었 으나 1990년대 미국 Cargill 사가 lactide의 개환중합반응 (Ring opening polymerization)을 통하여 고분자량의 PLA를 얻는데 성공함으로써 다 시 주목을 받게 되었다. 1997년 Cargill-Dow 합작사가 설립되어 특수 목적 고분자로 머물러 있던 PLA를 범용 열가소성 고분자로 변화시킨 것 은 주목할 만한 이정표이다. 2007년 일본 Teijin 사는 Biofront라는 상품 명으로 내열성 PLA stereocomplex를 발매하였다. PLA stereocomplex 란 PLLA와 PDLA 고분자 사슬이 지퍼형태로 맞물리는 일종의 고분자 합 금이라 할 수 있으며 이러한 stereocomplex PLA의 내열성은 기존 PLA 에 비하여 크게 증가하는 특성이 있다. 이는 결과적으로 기존 L형 젖산 외 에 D형 젖산에 대한 관심 및 수요 증가를 가져왔다. 현재 PLA 레진의 대 량생산은 NatureWorks사 (Cargill 자회사)에 의하여 이루지고 있으나 여 러 회사 (PURAC, Sulzer, Synbra, Futerro 등)이 PLA 대량 생산 기술 을 잇달아 발표하고 있어 조만간 Cargill사의 독점적 위치를 위협할 것으 로 예상된다. 따라서 PLA 바이오플라스틱은 곧 가격적, 성능 측면에 치 열한 경쟁이 예상되고 있으며, 이는 수요자들의 선택의 폭을 확대시켜 결 과적으로 PLA 바이오플라스틱 산업은 규모면에서 폭발적인 성장을 가져 올 것으로 예측된다. 13 BT news 2011 Fall

8 BT News_ 기획특집 2. PLA 시장상황 PLA 바이오플라스틱이 열가소성 범용 플라스틱으로 2005년에 출시된 후로 매년 20%가 넘는 매우 높은 성장 률을 보이고 있다 (그림 1). 이러한 높은 성장률을 지탱 하고 있는 것은 지속가능한 소재에 대한 시장 요구 때문 이다. 특히 주목할 것은 2008년의 세계 금융위기 때에도 PLA 바이오플라스틱에 대한 수요가 감소되지 않았다는 사실이며 이는 PLA에 대한 시장 수요가 일시적인 현상 이 아닐 것임을 시사하고 있다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 2015년 PLA 시장은 약 백만톤 생산규모에 시장규모는 25억불에 육박하여 본격적인 범용 플라스틱 소재로 진 입할 것으로 예상되고 있다. 이러한 예상의 근거는 다농, 하인츠, 네슬레와 같은 지명도 높은 식품회사들이 자사 제품의 포장재로 PLA를 적극적으로 채용하고 있기 때문 이며, 또한 토요타를 비롯한 자동차 제조사도 PLA 소재 를 내장재로 사용하기 시작하였기 때문이다. 그림 1. PLA 바이오플라스틱 생산량 및 시장 규모 전망. 3. PLA 생산 공정 PLA 바이오플라스틱 생산공정을 간단하게 설명하면 그림 2와 같이 전분당 및 최근 비식량자원인 리그노셀룰 로오즈계 자원으로부터 획득된 당을 이용하여 발효과정 을 통하여 L형 또는 D형 젖산을 생산한다. 생산된 L형 또는 D형 젖산을 탈수중합 과정을 거쳐 고분자 형태의 PLA 소재를 생산한다. 발효과정에서 중요한 핵심 사항 은 저가의 당을 이용하여 고농도, 높은 생산성, 높은 수 율로 젖산을 생산하는 것 외에 높은 광학순도를 가지는 젖산을 생산하는 것이 중요하다. 그림 2. PLA 바이오플라스틱 생산 공정 개략도. 많은 젖산 생산균이 젖산 외에 다른 발효산물은 생산 하지 않는 경우가 대부분이나 많은 경우 99% L형 젖산에 1%의 D형 젖산을 포함한다. 그러나 1%의 D형 젖산조차도 최종 PLA 소재의 물성, 특히 내열성에 매우 나쁜 영향을 미친다. 따라서 가능하면 거의 완전한 광학순도를 가지는 젖산 생산을 가능하도록 미생물의 개량이 필수적이다. 이외에 고분자량의 PLA를 얻기 위해서는 젖산의 직접 적인 중합을 통해서는 거의 가능하지 않고 특이하게 락 타이드를 먼저 합성한 후 이를 개환중합하는 것이 필수 적인 것으로 알려져 있다 (그림 3). 락타이드는 젖산 두 개가 환형구조를 형성한 것으로 순수한 형태의 락타이드 는 결과적으로 최종 PLA 소재의 분자량 및 물성에 큰 영 향을 나타내는 것으로 알려져 있다. 이러한 락타이드 생 성공정은 생각보다 복잡하며 이 과정 중에 매우 많은 기 술이 관여한다 (그림 3). 간략하게 락타이드 합성과정을 설명하면 88% 이상 농도의 젖산을 탈수중합 과정을 거 쳐 먼저 저분자량의 PLA를 합성한다. 이때 생성된 PLA prepolymer의 분자량은 약 2,000 이하 이며 여기에 촉매 및 고온의 공정조건을 가하면 일종의 back-biting 기작 에 따라 락타이드가 형성된다. 그러나 반응 용액에는 락 타이드와 PLA prepolymer가 혼합되어 있으며 일종의 평 형상태를 유지하고 있기 때문에 락타이드를 연속적으로 분리/회수하여야 평형상태를 계속 락타이드 생성 조건으 로 유지할 수 있다. 이때 고려해야 할 점은 이러한 락타 이드 생성 중에 일종의 epimerization 반응이 발생하여 원하지 않는 광학이성질체의 락타이드가 생성될 수 있기 때문에 주의를 기울여야 한다는 것이다. 분리/회수된 락 Vol.18 No.2

9 PLA (Poly Lactic Acid) 생산 기술 동향 기획특집 그림 3. Cargill사 PLA 생산 공정 개략도. 타이드에는 여전히 불순물 (락타이드 외에 올리고머 또 는 단량체 형태의 젖산 등)이 포함되어 있으며 이러한 불 순물은 개환중합을 통하여 최종 생산되는 PLA의 분자량 을 크게 저하시키는 원인이 되기에 이를 반드시 제거하 는 공정이 필요하다. 4. 결론 및 전망 위에서 살펴본 바와 같이 PLA 바이오플라스틱 소재를 경쟁력있게 생산하기 위해서는 바이오기술 외에 화학공 정 기술에 대한 이해가 필요하다. 또한 경제성 외에 제품 의 물성 역시 고려해야 한다. 2015년까지 PLA에 대한 시 장 확대 여부가 앞으로 PLA를 10년에 한번 나올 수 있는 범용 플라스틱 소재로의 진입여부를 결정할 것으로 예측 된다. 그러나 현재 굴지의 화학기업들 (DuPont, BASF 포함)이 PLA 응용 제품을 속속 내놓고 있기 때문에 PLA 소재가 주요 범용 플라스틱 소재가 될 가능성은 매우 높 다고 할 수 있다. 만약 범용 플라스틱 소재로서 성공적으 로 채택이 될 경우 단시간내에 약 1천만톤, 시장규모 250 억불의 시장규모를 가질 것으로 전망된다. 따라서 국내 에서도 외국 기술에 의존하지 않고 국내 독자적인 기술 개발을 통하여 이러한 거대 시장 창출이 예상되는 PLA 바이오플라스틱 산업에 저돌적인 참여가 필요할 것이다. 만약 국내에서 PLA 산업을 시작할 경우 석유에 의존하 지 않는 바이오화학산업의 발전에 큰 기여를 하는 중요 한 전기가 될 것으로 확신한다. 15 BT news 2011 Fall

10 BT News_ 기획특집 친환경 포장재용 Bio-PET 개발 국민대학교 발효융합학과 박용철 ycpark@kookmin.ac.kr 현재의 풍족하고 안정적인 삶을 영유하고 있는데 있어서 석유의 안정적인 공급이 큰 이유라는 것에 대해서는 누구도 부인할 수 없을 것이다. 그러나 최 근 다양한 원인으로 석유의 가격이 급등락하고 있고 석유의 안정적 공급이 불 확실할 것이라는 불안감은 우리 연구자로 하여금 석유를 탈피한 새로운 기술 을 개발하고자 하는 의욕을 북돋아 주고 있다. 현재의 생활 깊숙이 사용되고 있는 플라스틱 소재 중에 PET는 다양한 분야에서 포장재 (예로 팻트병) 및 섬 유직물 (폴리에스테르로 일컬음)의 소재로 이용되고 있다. Bio-PET은 바이오 매스를 원료로 생산한 PET로 100% 석유로 제조하는 기존의 PET와 거의 동일 한 물성 및 특징을 보유하고 있다. 본 기획특집에서는 Bio-PET의 특징과 시 장규모, 생산필요성, 해외생산동향 및 기대효과 등의 정보를 제공하여 향후 Bio-PET의 국내 기술개발 및 생산에 대한 방향성을 제시하고자 한다. 1. PET의 특성 PET는 폴리에틸렌 테레프탈래이트 (polyethylene terephtalate)로 테레프 탈릭산 (terephtalic acid)과 에틸렌글리콜 (ethylene glycol)의 중합체로 전체 PET 중량의 70%는 테레프탈릭산으로 30%는 에틸렌글리콜로 구성되어 있는 중요한 플라스틱 소재이다 (그림 1). 그림 1. 폴리에틸렌 테레프탈래이트 (PET)의 합성 메카니즘 Vol.18 No.2

11 친환경 포장재용 Bio-PET 개발 기획특집 PET류는 가열성 폴리머로 폴리머 두께에 따라 경화도 를 달리할 수 있고 부피에 비해 상당히 가벼우며, 알코올 과 솔벤트 성분뿐만 아니라 가스성분과 수분에 대해서도 강한 내구성을 보이고 유리와 같은 투명도 및 우수한 충 격강도를 보유하고 있으며, 분쇄 안정성과 밝은 표면 높 은 강도 및 재활용이 가능한 성질 등 다양한 물리 화학 적 특성이 뛰어난 화학소재이다. 일반적으로 폴리에스테 르 (polyester)라고 불리는 중합체는 PET을 일컫는다. 이 러한 다양한 특성으로 PET는 음료 식품 기타 액체류 의 용기 (일반적으로 국내에서 패트병으로 부름), 합성섬 유, 가열성 응용제, 유리섬유 혼합제 등 다양한 분야에 사 용되고 있다. PET의 경우에 순수한 형태의 PET뿐만 아 니라 다양한 성분과 상호중합 (copolymerization)되어 다 양한 특성을 보유할 수 있어, 다양한 유사중합체가 상용 화되어 있다. 예로 SK케미칼 등이 보유한 기술로 PET의 합성에 사용되는 원료인 에틸렌글리콜 대신에 사이클로 헥산 디메탄올 (cyclohexane dimethanol, CHDM)을 함 유한 폴리머 유닛을 서로 교차 중합하여 생산한 PETG는 가소성으로 무정형의 투명한 폴리머로 사출성형이 가능 하고 다양한 색을 넣을 수 있다. 또한, 테레프탈릭산의 일 부를 이소프탈릭산 (isophtalic acid)으로 대체한 경우 경 화도의 변화를 통해서 다양한 용도에 응용되고 있다. 2. PET의 시장규모 PET은 세계 플라스틱 시장의 18%에 달하고, 세계 포 장용기 시장의 30%를 차지하고 있는 중요한 소재로 매년 전 세계적으로 7~10%의 성장률을 기록하고 있다 (플라 스틱 코리아 2008년 3월호). PET은 폴리프로필렌 (PP) 다음으로 가장 많이 이용되는 소재로서 개발필요성이 큰 아이템이며, PET이 개발되어 온 지 30년간 포장부분 에서 다양한 제품으로 이용되어 왔고, 섬유 원재료와 특 수 폴리머 필름에 대한 응용을 통해서 다양한 적용 범위 를 넓혀 가고 있다. 플라스틱 포장 시장에서 PET는 50% 이상의 시장을 점유하고 있고, 전 세계적으로 PET 원재 료의 약 65%는 섬유직물분야, 30%는 플라스틱 병 제조 분야, 5~6%는 필름분야, 1% 이하로 사출성형 제품에 이 용되고 있다. PET는 식용과 비식용 물질 (세정제, 화장 품, 의약품 등)의 포장용기에 사용되고 있고, 필름과 같 이 열성형된 접시 (tray) 등의 제작에 사용된다. PET 성 형 합성물의 북미전체 수용량은 2,700만 톤/년으로 가 장 큰 업체는 Vordian사 Wellmann사 Nan Ya사 등 으로 전체 수용량의 60%를 차지하고 있으며, 서유럽 의 수용량은 2,600만 톤/년으로 La Seda de Barcelona 사 Equipolymers사 Schkopau사 Ontana사 등의 업 체가 생산을 하고 있다. 국내에서는 SK케미칼이 2000년 도 기준 연간 44만 톤 규모를 생산하였고 국내 시장점유 율은 15%, 약 1조 2천여억 원의 매출을 올려 매출액 기준 20%을 차지하였다. 1톤당 PET의 가격은 1,200~1,300 유로를 오랜 기간 유지하고 있다. 3. 바이오매스를 이용한 Bio-PET 생산의 필요성 및 생산기술 개발 현황 석유자원의 한정된 매장량과 석유에서 유래한 다량의 이산화탄소 배출, 국내 석유소비량의 100% 수입에 의존 하는 산업특성은 향후 지속가능한 화학산업의 발전에 큰 위험요인이다. 이에 따라 국제유가의 급등에 의한 제한 적인 석유 공급에 대비하여 안정적으로 플라스틱 원료를 공급하기 위해서 100% 석유자원에서 유래한 플라스틱 원료를 천연의 바이오매스 (biomass)로 대체하여 생산할 수 있는 기술의 개발이 시급하다. Bio-PET은 화석연료 에서 유래한 PET 생산원료인 테레프탈릭산 또는 에틸렌 글리콜을 바이오매스 유래의 소재로 대체하고 중합하여 제조한 PET류로 정의한다. PET의 핵심소재인 에틸렌글 리콜을 바이오매스를 원료로 생산하고 Bio-PET 합성에 이용하기 위해서는 아래와 같은 관련 반응단계가 필요하 다. 에틸렌글리콜을 재상가능한 바이오매스인 전분, 사 탕수수, 섬유소계 탄수화물을 원료로 이용하여 생산하기 위한 하나의 예는 아래의 그림과 같다 (그림 2). 바이오화 학공정을 기반으로 생산한 바이오에탄올을 탈수반응을 통하여 에틸렌 (ethylene)을 생산하고, 다시 산소첨가반 응을 이용해 전구체인 에틸렌옥사이드 (ethylene oxide) 를 제조하는데, 이후 가수반응을 통하여 에틸렌옥사이드 를 에틸렌글리콜로 전환시키고, 테레프탈릭산과의 탈수 중합반응을 통하여 Bio-PET을 생산하는 과정으로 구성 17 BT news 2011 Fall

12 BT News_ 기획특집 된다. 한편, Bio-PET의 생산의 중요 전구체인 테레프탈 릭산을 바이오매스를 이용하여 생산한 바이오-테레프탈 릭산과 바이오-에틸렌글리콜을 중합한 Bio-PET의 생 산도 시도되고 있다. 사는 바이오매스를 BTX (benzene-toluene-xylene) 혼 합물로 전환시킨 후세 정제된 xylene을 TPA로 전환시 키는 기술을 Avantium 사는 섬유소 전처리 부산물인 furan dicarboxylic acid를 원료로 furan dicarboxylic acid (TPA와 구조가 유사한 화합물)를 제조하는 기술을 개발하고 있다 ( 여러 기업에서 다양한 각도로 바이오 TPA를 생산하기 위한 노력을 기 울이고 있지만 아직까지 사업화에 성공하였다는 보고는 없다. 4. Bio-PET 생산의 해외동향 그림 2. 바이오매스를 이용한 Bio-PET의 생산경로의 예. 바이오에탄올을 이용한 바이오-에틸렌글리콜 생산기 술 개발에 있어서 다양한 기업과 연구그룹에서 투자를 하고 있는데, 브라질의 Baskem사는 연산 57mg의 에탄 올을 에틸렌으로 전환시키는 공장을 설립하기 위한 준비 를 하고 있다는 보고가 있으며, 스웨덴 기업인 Chematur Engineering AB사는 SYnDolTM이라는 촉매를 개발하 여 바이오에탄올 (95% v/v)을 원료로 96.8% 선택성을 갖 는 바이오에틸렌을 생산하는 기술을 개발하였고, 또한 메탈-mordenite라는 촉매를 이용하여 에탄올을 에틸렌 으로 전환시켰다는 보고도 있음 (Int. J. App. Sci. Eng. 4:21-32, 2006). DOW 역시 브라질에서 사탕수수기반의 바이오에탄올을 이용하여 바이오에틸렌을 생산하기 위 한 연산 35만톤 규모의 초대형 프로젝트를 준비하고 있 다 (EBN 산업뉴스, 2011년 8월 21일). Bio-PET의 주원료 중 하나인 테레프탈릭산 (TPA)을 바이오화학공정으로 만들기 위한 다양한 연구가 이루어 지고 있다. 예를 들어 Gevo 사는 자체생산된 isobutanol 을 parxylene으로 전환시킨 후 TPA로 전환시키는 기술 을 개발 중이고, Draths 사는 muconic acid를 원료로 TPA를 생산하는 기술을 개발 중이다. 또한 Anellotech 최종제품을 소비자에게 제공하는 다양한 글로벌기업 은 기존의 석유유래 PET를 대체하기 위해서 Bio-PET 을 이용한 제품개발에 상당한 투자를 하고 있다. 예를 들 어, 세계적인 식음료 기업인 Coca-Cola는 자사에서 사 용하는 pet 병의 성분 중 30%를 Bio-PET으로 전환시 킨 Plantbottle 을 사용하고 있다고 2009년에 발표하였 다. 현재 미국의 서부지역, 서부 캐나다, 덴마크 등 전 세계적으로 Plantbottle 을 사용하고 있고 2010년 기준 으로 약20억개의 Plantbottle 을 사용하고 있는 것으 로 보고되었다 (hppt:// Coca-Cola의 Plantbottle 은 사탕수수와 당밀을 이용하여 브라질에서 생산된 에탄올을 주원료로 이용하고 있고, 향후 우드칩, 밀짚과 같은 비식용 바이오매스를 이용하여 재생가능한 Bio-PET을 만들 계획으로 있다. 미국 PepsiCo의 경우도, 올해 100% plant-based PET bottle 을 사용하겠다는 발표하였다. Green bottle 로 명명한 Bio-PET 병은 억세, 나무칩, 옥수수대 등으로 만들 것이고, 향후 오렌지박, 감자박 등의 다른 농산식품 부산물을 이용하여 생산하겠다는 비전을 발표하였다. 일본의 Toyota 자동차는 자동차 내장재와 다른 내부 표면을 Bio-PET으로 만들 계획인데, Toyota 자동차는 이 Bio-PET을 Ecological Plastic이라고 명명하였고 식 물유래 물질을 사용하여 기존의 플라스틱보다 내열성 과 내충격성이 더 우수하다고 발표하였으며, 현재 기존 의 자동차의 트렁크 내부를 시작으로 신차의 개발에서 부터 자동차 내부의 80%를 Bio-PET 유래의 Ecological Vol.18 No.2

13 친환경 포장재용 Bio-PET 개발 기획특집 Plastic을 사용할 계획 중이다 (그림 3). Toyota 자동차의 출자로 설립된 Toyota Tsusho사가 개발한 Bio-PET 기 반의 Ecological Plastic의 특징은 다음과 같다: (1) 기존 바이오플라스틱과 비교 시 향상된 성능 (내열성, 내구성, 내수축성)과 석유유래 PET와 동일한 성능 구현 (2) 생산 량 증가를 통해 석유 유래 플라스틱에 근접하는 비용 대 비 부품 성능 구현 (3) 지금까지 Ecological Plastic이 도 달하기 어려웠던 고성능을 요구하는 다른 내부 부품과 좌석과 카펫재료로 사용 가능. Toyota Tsusho사는 현재 개발 수준을 고려할 때 2011년 후반부에는 연간 20만 톤 규모의 Bio-PET을 일본 미국 유럽 등지에다 공급할 예정이며, Bio-PET의 시장규모의 성장을 고려하여 근 시일 내에 연간 1백만 톤 규모로 생산량을 늘릴 예정으로 알려져 있다. Toyota Tsusho사는 향후 4년간 개발도상 국의 국력신장을 고려할 때, PET시장은 2015년 6천만 톤 으로 증가할 것으로 예상하고 있고, Bio-PET의 글로벌 시장규모는 PET 시장의 약 5%를 점유하여 연간 2.25~3 백만 톤 규모에 이를 것으로 예상하고 있다. 상기에서 언급하였듯이 폴리에스터는 세계적으로 가 장 많이 사용되는 합성섬유로 의류, 주택내장제, 산업용 소재로 사용되고 있다. 한편, 폴리에스터인 PET와 유사 한 형태를 보유하고 있으면서 또 다른 다양한 특성을 보 이는 폴리머의 개발이 1990년대에 들어서 이루어지고 있 고, 대표적인 예가 Bio-PTT이다. 세계적인 화학기업인 DuPont사가 개발한 Bio-PTT는 PET의 원료인 에틸렌 글리콜을 1,3-프로판디올 (1,3-Propandiol)로 교체하고 테레프탈릭산과 결합하여 중합하는 방법으로 제조한다. Bio-PET와 유사한 형태의 중합체인 Bio-PBT는 에틸렌 글리콜 대신 1,4-부탄디올 (1,4-Butanediol)와 테레프탈 릭산과 결합하여 생산한 것이다. Bio-PET은 바이오에 탄올을 이용하여 합성한 에틸렌글리콜을 이용하는 반면, Bio-PTT와 Bio-PBT는 C3-C6 바이오매스를 직접적으 로 이용한 미생물발효공정을 이용하여 생산된 1,3-프로 판디올과 1,4-부탄디올을 이용한다 (그림 4). 그림 3. Toyota 자동차의 Bio-PET 생산전략, 그림 4. Bio-PET과 유사한 구조를 보유한 PPT와 PBT의 제조방법. 표 1. 폴리머와 섬유 화이버의 특성: J. Polymers Environ., 13(2), , BT news 2011 Fall

14 BT News_ 기획특집 유사한 물리화학적 구조를 갖고 있는 Bio-PET, Bio-PTT, Bio-PBT의 특성은 표 1과 같다. DuPont사 의 조인트벤처인 DuPont Tate & Lyle Bio Products, LLC사는 미국 테네시주에 있는 Bio-1,3-프로판디올 (Bio-BDO) 생산 설비를 증설하여 2011년 말에는 연간 4만 5천 톤 규모의 Bio-BDO를 생산할 것으로 예상하 고 상당부분 PET를 대체할 Bio-PTT의 생산에 투입할 것으로 발표하였다. 5. Bio-PET의 성공적인 국내개발에 따른 기대 효과 현재의 기술수준으로 고려하여 국내의 기업이 Bio- PET의 상업적 생산을 성공시킬 경우, Bio-PET의 2018 년에서 2027년의 10년간의 평균 세계시장 규모는 1,320 억 달러, 약 145조 2천억 원으로 예상되고, 국내생산 예 상규모는 4조 3,560억 원으로 세계시장의 약 3%를 점유 할 것으로 예상된다. 경제적인 효과 이외에 석유에서 유 래한 PET을 Bio-PET으로 대체할 경우 이산화탄소 배 출량을 획기적으로 줄일 수 있어서 이산화탄소를 감축하 기 위한 글로벌아젠다에 크게 부합하는 정책을 펼칠 수 있고, 막대한 탄소배출권의 확보로 기업의 다양한 경영 환경 변화에 적극 대처할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 바이오매스 유래 Bio-PET의 생산기술의 상업화를 통해 서 관련 기술의 독점적 특허권을 확보할 수 있으며, 이를 이용한 사업화를 통해서 기술의 해외수출뿐만 아니라 해 외플랜트 사업에 적극적으로 참여할 수 있고, 바이오매 스를 효과적으로 이용한 기술을 바탕으로 Bio-PET뿐만 아니라 다양한 친환경 바이오제품을 생산하기 위한 기반 기술로 사용될 수 있을 것이다 Vol.18 No.2

15 식물 소재 유래 바이오폴리우레탄 생산 기획특집 식물 소재 유래 바이오폴리우레탄 생산 1. 서론 한국과학기술연구원 청정에너지연구센터 민경선 min4605@snu.ac.kr 인류는 현재 화석 연료의 고갈과 지구 온난화라는 지금까지 겪어보지 못한 문제에 직면해 있다. 따라서 국제적으로 화석 연료를 대체하고 지구 온난화 문제를 해결하기 위한 대안으로 신재생 에너지에 대한 관심이 높아지고 있으 며, 이산화 탄소와 같은 온실가스 배출량을 규제하는 등 국제적 환경 규제 수 준도 갈수록 강화되고 있다. 이러한 국내외적 산업 환경적 변화는 원료의 대 부분을 석유에 의존하고 있고, 온실 가스 배출량이 가장 많은 산업 중 하나인 화학산업의 큰 위기이다. 그러나 다른 관점에서 이러한 위기는 기존의 화석 연료 기반의 화학 산업을 바이오 화학산업이라는 새로운 패러다임으로 전환 할 수 있는 기회이기도 하다. 한국과학기술연구원 청정에너지연구센터 엄영순 yum@kist.re.kr 그림 1. 바이오 화학 산업의 등장 배경. 본 기획원고에서는 최근 화학산업의 새로운 패러다임으로 부각되고 있는 바이오 화학산업분야 중 석유 자원 고갈과 환경 문제에 대한 대체 소재로서 인식되고 있는 바이오 폴리머, 구체적으로 바이오 폴리우레탄에 대해서 살펴 보고자 한다. 21 BT news 2011 Fall

16 BT News_ 기획특집 그림 2. 폴리우레탄 합성 반응. 2. 폴리우레탄 폴리우레탄은 그림 2에서처럼 -OH 화합물과의 중합 반응에 의해 생성된 우레탄 (-NHCOO-) 주사슬을일정 량 이상 포함한 고분자 화합물을 통칭한다. 주로 폴리올 과 이소시아네이트를 주재료로 하여 발포제, 촉매제, 정 포제, 기능성 첨가제 등을 혼합 반응시켜 얻어지는 발포 생성물로서 플라스틱 및 고무 대체 품목으로 산업 전 분 야에 널리 응용되고 있다 [1,2]. 다. 폴리우레탄은 성형 방식에 따라 폼 (form) 과 비폼 (non-form) 으로 나뉜다. 발포성 플라스틱인 폼은 물성 및 제조 방식에 따라 외형이 부드럽고 외력에 의한 변형 이 쉽게 복원되어 쿠션재, 흡음재로 상용되는 연질폼, 외 형이 딱딱하며 외력에 의한 변형이 복원되지 않아 주로 단열재나 충전재로 사용되는 경질폼, 연질폼과 경질폼의 중간 정도 경도를 갖고 있으며 충격 흡수성과 촉감이 우 수해 신발, 자동차 내장재로 쓰이는 반경질폼으로 구분 할 수 있다. 비폼은 용도에 따라 case 와 기타로 분류되는 데, case는 코팅제, 접착제, 실란트, 엘라스토머를 의미 하며 기타 분야로는 스판덱스, 합성 수지 등이 있다 [3]. 그림 4. 바이오 유래 폴리우레탄 제조 개요. 그림 3. 폴리우레탄의 다양한 적용 분야. 3. 바이오 소재 유래 폴리우레탄 합성 폴리우레탄은 자동차, 가구, 침대, 전자, 의류 등 생활 용품에서 산업용품에 이르는 다양한 형태의 중간 소재 로 사용되며, 각종 쿠션지, 흡음, 단열, 접착제 등의 측면 에서 다른 소재에 비해 월등히 뛰어난 것으로 알려져 있 폴리우레탄은 기본적으로 폴리올과 폴리이소시아네 이트와의 polyaddition중합에 의하여 합성되는 고분자 재료로서 지금까지는 석유에서 유래한 propylene oxide 나 ethylene oxide를 이용하여 석유계 폴리우레탄을 만 Vol.18 No.2

17 식물 소재 유래 바이오폴리우레탄 생산 기획특집 그림 5. 오일로부터 바이오 폴리올 제조 방법. 들어왔다. 하지만, 최근 바이오 화학에 대한 관심이 높 아지면서 바이오매스 유래 폴리올을 이용하여 바이오 폴리우레탄을 합성하려는 연구가 활발하게 진행되고 있 다 (그림 4). 현재 미국을 중심으로 캐스터 오일과 콩기름 등의 식 물성 오일에서 유래한 폴리올을 이용해 바이오 폴리우 레탄을 제조하고 있으며, 이를 천연 섬유로 보강시킨 폴 리우레탄 바이오 복합재료에 대한 연구도 진행되고 있 다 [4]. 바이오 폴리올을 생산할 수 있는 식물성오일 원 료로는 대두, 야자열매, 피마자 열매, 해바라기 씨 등이 있다 (그림 5). 식물성 오일들은 글리세롤에 다양한 종류의 지방 산이 결합된 구조를 가지고 있으며 그림 6에서처럼 epoxidation 과 hydroxylation 을 거쳐서 폴리올로 전환 될 수 있다. 연질폼 폴리우레탄 생산에는 대두유, 피마자 유, 야자유에서 유래한 폴리올이 널리 이용되고 있으며, 경질폼 폴리우레탄 생산에는 야자유, 피마자유 유래 폴 리올이 응용되고 있다. 질인 propylene oxide 나 ethylene oxide를 이용한 폴리 우레탄에 비해 강도가 약하다는 단점이 있으나 화학 물 질에 대한 저항성이 크고, 특히 물에 의한 변형이 적다는 장점이 있다 [5]. 바이오 폴리우레탄의 물성을 응용 분야 에 맞게 개선하기 위하여 식물성 원료의 종류에 따른 바 이오폴리올의 수산화기 개수를 조절하는 연구 등이 진행 되고 있다 (그림 8) [6]. 그림 6. 식물성 오일로부터 바이오 폴리올 제조 방법. 식물성 오일을 기반으로 한 폴리올을 이용하여 합성된 바이오 폴리우레탄은 그림 7에서 알 수 있듯이 석유계 물 그림 7. 피마자유 유래 폴리올을 이용하여 중합된 바이오 폴리우레탄 의 물성 (출처: 참고문헌 [5], Table II & Fig. 1). 23 BT news 2011 Fall

18 BT News_ 기획특집 그림 7. 피마자유 유래 폴리올을 이용하여 중합된 바이오 폴리우레탄 의 물성 (출처: 참고문헌 [5], Table II & Fig. 1) 4. 국내외 기술 개발 동향 그림 8. Soy polyol 수산화기 개수에 의한 바이오 폴리우레탄의 물성 차이 (출처:참고문헌 [6], Fig. 5,6). 식물성 오일에서 유래한 폴리올 이외에도 바이오 리파이너리 공정에서 얻어지는 리그닌을 폴리올이나 isocianate 대체 물질로 이용하여 바이오 폴리우레탄을 합성하는 연구도 진행되고 있다 (그림 9) [7,8]. 해외의 경우 이미 풍부한 식물자원을 바탕으로 다양한 바이오 폴리올이 양산화되고 있다. 각 나라별 식물성 원 료 확보에 따라 미국은 대두유 (soybean oil) 기반, 말레이 시아는 야자유 (palm oil) 기반, 아이슬랜드는 어류 (fish oil), 독일은 피마자유 (castor oil) 을 기반으로 하는 다양 한 폴리올이 개발, 시판되고 있으며, 표 1에서처럼 BASF, Dow, Cargil, Maskimi 등의 기업은 식물성 오일 유래 폴 리올 생산 기술의 실증화 및 상업화를 모색하고 있다. 또 한 Bayer 에서는 식물성 오일 이외 목질계 바이오매스를 이용한 폴리올 생산 기술을 검토하는 등, 바이오폴리올 생산을 위한 다각적 연구 개발이 진행되고 있다. 특히 자동차 업계의 경우 국제적 환경 규제 및 무역 규 제에 대한 대응책 중의 하나로서 부품 및 내장재의 바이 오매스 유래 플라스틱의 사용 요구가 증가되는 추세이므 로, 세계 유수 기업들이 자동차 소재용 폴리우레탄 제조 를 석유계가 아닌 바이오매스로부터 생산하기 위해 적 극적인 기술 개발을 수행하거나 이미 상업화 하고 있다. Ford 자동차에서는 대두유 기반의 바이오폴리올을 이용 한 soya foam 을 mustang 자동차 시트분야 5% 수준으 로 적용시켜 연간 톤의 이산화탄소 절감효과가 발 생된 것으로 보고하였다. 도요타 역시 북미 지역 생산 차 종인 Corolla, Lexus RX, RAV4 차종에 soy polyol을 적 용한 seatform을 양산 중이다. Bayer은 2011년 JEC 무역박람회에서 메가트렌드에 서 비즈니스까지 라는 모토로 복합재료 생산을 위한 폴 리우레탄 시스템과 기술을 소개한 바 있고, 특히 Bayer materialscience는 폴리우레탄 복합소재를 사용하여 자 Vol.18 No.2

19 식물 소재 유래 바이오폴리우레탄 생산 기획특집 동차 차제의 무게를 감소시키는 동시에 차체의 생산 효 율을 높일 수 있는 여러 기술을 개발하였다. 최근 국내에서는 KPX 케미칼에서 피마자유를 이용하 여 중합한 바이오폴리올을 중국 남경 공장에서 생산을 거쳐 판매를 시작하였으며, 금호 석유 화학에서는 바이 오 폴리우레탄 생산을 위해 식물성 오일 유래한 바이오 폴리올 개발 연구를 시작하는 등 친환경 바이오 폴리올 및 바이오 폴리 우레탄 개발에 박차를 가하고 있다. 표 1. 바이오 폴리올 생산 기술 개발 동향 구분 개발단계 개발내용 개발주체 castor oil을 이용한 폴리올 BASF 실증화 soybean oil을 이용한 폴리올 Dow, Cargill 해외 palm oil을 이용한 폴리올 Maskimi 국내 5. 결론 기술검토 목질계 바이오매스를 이용한 폴리올 Bayer 상업화 피마자유를 이용한 폴리올 KTX 케미칼 pilot 액화목재를 이용한 폴리우레탄 발포체 제조 한국임업 연구원 석유 의존도가 높고, 온실 가스 배출량이 가장 많은 산 업 분야인 기존의 화학 산업은 현재 화석 연료의 고갈과 지구 온난화라는 위기에 직면하여 바이오 화학산업이라 는 새로운 패러다임으로의 전환이 절실히 요구되고 있 다. 바이오 화학산업과 관련하여 바이오 매스 유래 플라 스틱은 석유 자원 유래 플라스틱의 대체 소재로 인식되 고 있으며, 특히 바이오 폴리우레탄의 경우 6대 합성원료 중 하나인 폴리우레탄의 대체 소재로서 그 적용 분야가 매우 광범위 하기 때문에 식물 유래 오일과 리그닌을 이 용한 바이오 폴리우레탄 합성에 관한 연구가 국내외에서 활발하게 연구가 진행되고 있다. 전체적으로 볼 때 총 폴리우레탄 수요에서 바이오 폴 리우레탄이 차지하는 비중이 아직까지는 미미한 수준이 지만, 자동차 업계에서의 수요 증가와 바이오 폴리올 합 성과 같은 관련 기술의 발전과 더불어 앞으로 바이오 폴 리우레탄의 시장 규모는 크게 확장될 것이라고 예상되 며, 산업적 파급 효과를 극대화 할 수 있는 바이오화학융 합기술에 적합한 downstream 공정 개발 등의 노력이 필 요할 것으로 생각된다. 6. 참고문헌 [1] Zia, K.M., H.N. Bhatti, and I. Ahmad Bhatti, Methods for polyurethane and polyurethane composites, recycling and recovery: A review. Reactive and Functional Polymers, (8): p [2] Madbouly, S.A. and J.U. Otaigbe, Recent advances in synthesis, characterization and rheological properties of polyurethanes and POSS/polyurethane nanocomposites dispersions and films. Progress in Polymer Science, (12): p [3] Lemos, V.A., et al., Application of polyurethane foam as a sorbent for trace metal pre-concentration -- A review. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, (1): p [4] Silva, R.V., et al., Fracture toughness of natural fibers/ castor oil polyurethane composites. Composites Science and Technology, (10): p [5] Satheesh Kumar, M.N., K.S. Manjula, and Siddaramaiah, Castor oil-based polyurethane polyester nonwoven fabric composites: Mechanical properties, chemical resistance, and water sorption behavior at different temperatures. Journal of Applied Polymer Science, (6): p [6] Pechar, T.W., et al., Characterization and comparison of polyurethane networks prepared using soybeanbased polyols with varying hydroxyl content and their blends with petroleum-based polyols. Journal of Applied Polymer Science, (3): p [7] Cateto, C.A., et al., Optimization Study of Lignin Oxypropylation in View of the Preparation of Polyurethane Rigid Foams. Industrial & Engineering Chemistry Research, (5): p [8] Glasser W, G., et al., Lignin-Derived Polyols, Polyisocyanates, and Polyurethanes, in Urethane Chemistry and Applications1981, AMERICAN CHEMICAL SOCIETY. p BT news 2011 Fall

20 BT News_ 기획특집 바이오 화학산업과 CJ CJ제일제당 바이오연구소 바이오화학팀 이한원 hw_lee@cj.net CJ제일제당 바이오연구소 신소재센터 센터장 신수안 sshin1@cj.net 세계는 지구의 온난화로 인한 환경위기와 화석연료의 고갈에 따른 고유가 시대에 직면해 있으며, 화석원료는 특정한 지역에 한정적으로 매장되어 있어 자원의 편중이 심하기 때문에 가격과 공급 면에서 항상 불안정한 요소를 지니 고 있다. 따라서 한국과 같은 석유 비매장국의 경우 수입에 의존할 수 밖에 없 는 석유화학산업의 구조적 특성으로 인해 유가의 변동으로 인한 산업전반에 걸친 파급효과는 엄청나다고 할 수 있다. 따라서 장기적으로 석유화학산업을 대체하고 보완할 수 있는 새로운 산업군의 필요성을 인식하게 되었고 친환경 적인 바이오매스를 이용한 바이오화학산업이 그 역할을 수행 할 수 있을 것이 라고 전망하고 있다 [1]. 바이오화학산업은 생물자원을 이용해 산업제품을 생산하는 활동으로, 기존 의 산업을 친환경적인 과정으로 만드는 활동을 포함한다. 바이오화학산업은 화석원료와 기존 화학공정을 기반으로 하는 화학산업을 대체하고 지속가능한 발전을 이룰 수 있는 새로운 산업군이다. 바이오화학산업은 바이오매스를 원 료로 사용하거나 생산 공정에서 효소나 미생물을 이용하여 화학제품을 제조 하는 산업으로 정의되며, 화학, 식품, 세제, 제지 및 펄프, 섬유 등의 산업 분 야에서 바이오연료, 바이오플라스틱, 바이오 기반 화학제품 등을 생산하는 친 환경 산업 분야라 할 수 있다 [1]. 이에 따라 유럽, 북미, 일본과 같은 선진국들은 바이오매스를 기반으로 한 기존 화석원료기반 화학소재들의 대체, 새로운 시장 창출에 국가의 역량을 집 중하고 있다. 바이오화학기술은 기존의 화학 산업을 대체할 수 있는 기술로 평가되고 있으며 유한한 석유를 주원료로 사용하는 석유화학산업과 달리하는 옥수 수 사탕수수 팜 해조류처럼 자연계에서 매년 반복적으로 생산되는 다양 한 식물자원(바이오매스)을 사용하는 친환경적이고 지속 가능한 새로운 형 태의 바이오기술과 화학기술의 융합형 기술이다. 현재까지 바이오매스를 활 용하는 기술개발은 대부분 바이오에너지 분야에 국한되어 왔으나 최근에는 Vol.18 No.2

21 바이오 화학산업과 CJ 기획특집 자료: Techno-economic Feasibility of Large scale production of Bio-based polymer in Europe December 2005, European Commission Joint Research Center 그림 1. 바이오 기반 고분자들의 발전단계. 전세계적으로 많은 기업과 연구기관에서 보다 고부가가 치의 친환경 바이오매스 기반의 플랫폼 화학물질 고분 자화학소재를 개발하는 연구를 진행하고 있으며 가시적 인 성과를 보이고 있다. 이러한 성과를 대표하는 것으로 바이오플라스틱을 예 로 들 수 있으며 바이오플라스틱은 바이오화학기술을 이 용해 만든 응용제품 중에서 최근 일상생활에서 활용되고 있는 PLA (Polylactide: 폴리락티드) 이외에도 바이오나 일론, 바이오폴리올레핀, 바이오폴리에스테르, 천연복합 소재 등이 있다. 바이오플라스틱의 중요성은 생분해성과 이산화탄소 발생량 저감에 있으며, 이산화탄소 발생량 저감은 CO 2 neutralization 개념에 의해서 그 중요성이 높다고 할 수 있다. 현재 사회적으로 큰 이슈가 되고 있는 지구온난화 현상의 주범이 CO 2 라는 점에서 전세계적으로 지구온난 화 현상을 막기 위해서는 CO 2 의 발생량을 의무적으로 줄 여야 하는 상황에서 바이오플라스틱은 이러한 요구를 잘 반영하고 있는 고분자 소재라 할 수 있다 [2]. 바이오기반 고분자는 크게 천연고분자, 바이오매스 유래 단량체 중합형, 미생물 생산 플라스틱으로 분류할 그림 2. 바이오나일론의 해외 주요 Player 및 보유 기술수준. 27 BT news 2011 Fall

22 BT News_ 기획특집 그림 3. 바이오기반의 C-Zero 산업 패러다임. 수 있고 기술단계에 따라 연구단계 (Bio-PP), 개발단계 (Bio-PBT, Bio-PA, Bio-PBS), Pilot Plant & 상업 적 생산단계 (Bio-PE, PTT, Bio-PUR, PHA), large scale Plant (starch-blends, PLA), 그리고 산업화단 계 (CA, Cellulose Regenerate)에 속한 고분자 물질로 구분할 수 있다. 일반적으로 바이오플라스틱은 범용플라스틱 제품군에 서 기존 석유화학산업으로부터 생산되는 플라스틱에 비 해 가격이 비싸고 물성이 다소 떨어지는 단점을 가지고 있어, 보다 경쟁력있는 엔지니어링용 고내열 바이오나일 론의 생산 연구를 많은 연구기관과 사업체에서 진행하고 있다. 고내열 바이오나일론은 우수한 물성으로 인하여 고부가 전기전자부품 소재 등으로 사용될 수 있으며, 향 후 시장잠재력이 양호할 것으로 내다보고 있다. 고내열 성 바이오나일론의 해외 주요 Player 및 보유 기술수준은 다음과 같이 정리된다. 우리나라에서도 최근 저탄소 녹색성장이 사회적 이슈 로 대두되고 있고, 이러한 저탄소 녹색성장을 하기 위해 서는 바이오기반의 C-Zero 산업으로 패러다임 변화가 필요하다. C Zero산업은 바이오매스를 원료물질로 탄소 배출량을 0 으로 하는 사업으로, 석유기반 자원의 고갈 을 대비한 영속성 (sustainability)을 구현하자는 취지의 새로운 목표를 삼고 있으며, 파급효과는 플라스틱, 연료 등 화학산업 전반에 고루 미칠 것으로 예상하고 있다. 이러한 바이오플라스틱은 바이오화학산업이 추구하는 최종목표이며, 이런 관점에서 바이오화학산업은 대한민 국의 강점을 활용한 미래 기회산업으로 볼 수 있다. 우리 나라는 이미 세계 최고 수준의 대량발효기술 보유하고 있 으며 우수한 바이오기술 연구인력 또한 확보하고 있다. 또한 세계 5위권 석유화학산업 규모을 갖고 있으며 정부 의 신성장동력사업 지원 의지가 결연하다. 또한 바이오화 학산업은 석유기반의 사업에 비해 산업 초기단계로 미개 척분야가 많고, 국내 대형 발효기업과 화학기업 존재, 유 가상승, 환경규제강화에 따른 기회, 석유화학의 글로벌 Vol.18 No.2 그림 4. 산업융합.

23 바이오 화학산업과 CJ 기획특집 그림 5. CJ 바이오핵심역량. 대체산업 육성기회 등의 신규사업의 기회가 높다. 바이오화학산업 구현을 위해서는 각 산업별 핵심역량 이 융합되어야 하며, 이를 위해 바이오매스 유래의 저가 당 생산과 이를 당원으로 활용한 발효 바이오플랫폼 화 합물을 생산하는 바이오 핵심역량과, 바이오플랫폼으로 부터 기존 화학제품의 대체 또는 물성을 능가하는 바이 오화학제품 생산과, 이를 응용 확대할 수 있는 화학기반 역량과의 산업적 융합이 필수적이다. CJ는 바이오화학산업의 핵심인 미생물조작, 대량발효 기술의 글로벌 역량을 보유하고 있으며, 이에 따르는 산 업미생물 개발역량, 아미노산 기반 대사공학, 오믹스 기 술, 발효공정 개발, 생산 최적화, 산업화 배지 개발, 대량 생산 운영 능력, 발효 원료 구매력 등의 바이오산업 기반 역량을 바탕으로 화학전환기술, 고순도 정제기술, 공정 기술 등의 화학기반역량을 확보해 나가고 있다. 한편, 적 극적인 기존 화학기업과의 partnering을 추진하여 기술 협력 및 사업 협력을 확대하고 있다. 현재 CJ에서는 다양한 산업소재의 원료물질이 될 수 있는 C3, C4, C5, 그리고 C6 등 바이오화학플랫폼 화 합물의 개발 연구를 진행하고 있으며, 현재 가시적으 로 사업화가 진행되고 있는 바이오화학 과제 중 하나는 Diamine류 생산이다. 이 과제는 지식경제부에서 주관하 는 산업원천기술개발사업의 연구과제의 하나로 바이오 매스기반의 고분자화학소재에 대한 원천기술을 개발하 는 것을 목표로 하고 있다. 따라서 바이오매스의 전처리 기술, 효소공학기술, 대사공학기술, 생물/화학 촉매 개 발 기술, 생화학/물리화학적 전환 공정기술, 발효공정 최 적화 및 분리정제기술, 고분자 단량체생산 및 중합기술 등의 개발이 핵심적으로 요구된다. 이 과제에는 각 단위 공정별 핵심역량을 갖춘 대학, 연구기관 및 기업이 이 연 구과제에 참여하여 실제 사업화를 위한 연구를 진행하고 있다. 현재 당사는 앞서 언급한 핵심역량을 활용하여 바 이오기반의 Diamine류 생산기술을 개발하는 것과 동시 에, 산업원천기술 개발사업 과제 내에 참여하고 있는 기 존 중합회사와 협력 하여 바이오기반의 화합물로부터 폴 리아미드타입 고내열성 플라스틱을 제조 생산하는 연구 를 진행하고 있으며 pilot시험생산을 앞두고 있다. 또한 미국 바이오 벤처기업 메타볼릭스 (Metabolix)와 미생물을 활용한 탄소 화학 물질 C4 상업화에 협력한다 는 내용의 공동기술개발협약 을 맺었으며 메타볼릭스는 생명과학 및 화학분야의 특허를 다량 보유한 미국 대표 적인 바이오화학기업이다. 이는 메타볼릭스의 바이오화 학 관련 기술에 CJ제일제당의 발효기술이 결합으로, C4 화합물, 반도체 플라스틱 섬유 생활용품 등 다양한 산업 의 기초소재를 바이오화학기술로 구현해내는 것을 목표 로 연구를 진행하고 있다. 29 BT news 2011 Fall

24 BT News_ 기획특집 그림 6. 바이오 화학산업의 Value Chain과 사업의 KSFs 미래 바이오화학산업 구현을 위해서는 몇 가지 과제들 도 향후 해결되어야 할 것이다. 가령, 앞서 언급한 것처 럼, 바이오매스 기반기술 (바이오유래 원료확보 및 저가 당 생산공급), 바이오기반기술 (산업미생물 개발과 대량 발효역량), 화학기반기술 (다운스트림 공정개발, 물성개 발, 제품응용) 등 관련 산업의 핵심역량 간의 융합이 절실 하다. 또한 기존 석유화학 산업에 대하여 경쟁력을 확보 하기 위해서는 원가절감 (PP대비 1.5~2배), 물성개선(내 열성, 내충격성 강화), 용도확대 (포장재 중심에서 전자, 자동차 용품 등으로) 등 해결과제들이 남아있다. 하지만 이제 바이오화학산업은 해외 선진기업들과도 경쟁을 해 야 살아남을 수 있는 선택이 아닌 필수분야이며, 이를 위 해 의무 사용규정에 의한 시장형성, 보조금 지원, 대국민 홍보 및 제품 사용 촉진, 실증화 검증기관 설립과 관련된 정부의 일관된 정책과 산업화 지원이 더욱 기대된다. CJ는 세계1위 발효기업을 목표로 Globalization을 전개 하며, 동시에 이를 바탕으로 바이오화학산업으로의 확장 을 추진하려는 확고한 목표가 있다. 이러한 목표를 달성 하기 위해 CJ는 현재 PLA 원료물질인 L형/D형 lactide, 아미노산 생산 경로를 응용한 나일론 모노머, 고내열성 나일론 등에 대한 연구개발을 진행 중에 있고, 바이오매 스 전처리 기술 확보를 통한 원료확보와, 화학회사와의 제휴를 통한 역량확장을 모색하고 있으며 미생물/대량발 효 핵심기술을 기반으로 화학역량을 확보하여 바이오화 학산업 역량을 구축하고 바이오플라스틱 원료물질 및 기 반화합물의 신규 사업화를 조기에 추진하려고 한다. References [1] 바이오길라잡이(바이오안정성 포탈, 2011년). [2] 바이오제품_및_기술개발동향(산업바이오, 2011년). [3] Techno-economic Feasibility of Large scale production of Bio-based polymer in Europe December 2005, European Commission Joint Research Center Vol.18 No.2