바이오매스 기반 생분해성 고분자의 제조공정 해부

환경 위기가 산업 전반에 걸쳐 화두로 떠오르면서, 플라스틱 오염 문제에 대한 대안으로 생분해성 고분자가 전 세계적으로 주목받고 있다. 특히 바이오매스 기반 생분해성 고분자는 석유를 원료로 하지 않고, 옥수수, 사탕수수, 목재 펄프 같은 재생 가능한 유기물에서유래된다는 점에서 환경적 지속가능성이 뛰어나다. 플라스틱 폐기물 문제를 해결하면서도 산업적으로 활용 가능한 소재가 필요해진 지금, 바이오매스 기반 고분자의 중요성은 점점 더 커지고 있다.
이 글에서는 이러한 고분자가 실제로 어떤 과정을 거쳐 만들어지는지, 그 과학적 메커니즘과 제조 공정을 단계별로 정리해보고자 한다. 이 정보는 환경공학, 재료공학, 지속가능한 생산 기술에 관심 있는 사람들에게 실질적인 이해를 제공할 것이다.

 

해변에 분해되지 않는 플라스틱이 널려 있다. 사진: Unsplash 의 Fayegh(Shamal) Shakibayi

전처리에서 시작되는 바이오매스의 재탄생

바이오매스 기반 고분자의 제조는 그 출발점부터 복잡한 과정을 수반한다. 가장 먼저 이루어지는 단계는 전처리로, 이는 고분자 합성을 위한 전구체를 얻는 핵심 공정이다. 원료로는 옥수수 전분, 사탕수수 찌꺼기, 목재 펄프 등 다양한 식물성 유기물이 사용된다. 이들은 효소 처리, 산 가수분해, 알칼리 처리 등을 통해 당류, 젖산, 지방산 등 단량체로 분해된다.
이러한 단량체는 고분자 중합에 사용될 수 있도록 순도 높은 상태로 정제된다. 전처리 과정에서는 미세한 불순물도 결과물의 품질에 영향을 주기 때문에, 세정, 농축, 여과 등의 공정이 함께 이루어진다. 이 단계는 생분해성 고분자의 품질을 좌우하는 핵심 기초 작업이라 할 수 있다.

 

고분자 중합: 생분해성 소재의 과학적 탄생

전처리된 단량체는 이후 중합(polymerization) 과정을 거치며 실제 고분자 구조를 형성하게 된다. 이 단계에서는 열과 촉매를 이용한 화학적 중합 반응, 혹은 미생물을 활용한 발효 기반 생합성 공정이 사용된다.
대표적인 바이오매스 기반 고분자로는 PLA(Poly Lactic Acid), PHB(Polyhydroxybutyrate), PBS(Polybutylene Succinate) 등이 있으며, 각각의 중합 조건과 방식은 상이하다.

• PLA는 젖산을 고온에서 탈수중합하여 만들어지며, 주로 옥수수 전분에서 유래된다.
• PHB는 미생물(예: Cupriavidus necator)이 지방산을 대사하여 내부에 축적한 고분자를 추출하는 방식으로 얻어진다.
• PBS는 생체 적합성과 유연성이 뛰어나 산업적으로 주목받고 있는 고분자다.

이러한 고분자는 화학적으로 합성되었지만 생물학적 환경에서 완전히 분해되며, 지속가능한 소재로서의 특성을 갖춘다.

 

성형 가공과 실제 제품화: 생분해 고분자의 활용

중합을 통해 얻어진 생분해성 고분자는 마지막으로 가공과 제품화 단계를 거친다. 이 과정은 기존의 석유 기반 플라스틱 가공 방식과 유사한 장비를 사용하며, 압출, 사출, 블로우 몰딩 등의 방식으로 필름, 컵, 포장재, 농업용 필름 등 다양한 형태로 만들어진다.
하지만 고분자의 성질에 따라 온도, 압력, 점도 조절이 까다로울 수 있으며, 그에 맞는 공정 최적화가 필요하다.
PLA의 경우 내열성이 낮기 때문에 식품 포장보다는 일회용기, 쇼핑백 등에 주로 사용된다. PHB는 생체적합성이 우수하여 의료용 봉합사, 조직 지지체, 약물 전달체로도 연구되고 있다. 이러한 제품은 사용 후 특정 조건(온도, 수분, 미생물 존재) 하에서 생분해가 가능하므로, 순환경제 구현에 적합한 소재로 분류된다.

 

생분해성 플라스틱 사진: Unsplash 의 Saindur Enviro

 

기술적 한계와 미래 전망: 상용화의 과제

바이오매스 기반 생분해성 고분자는 매우 유망하지만, 아직 해결해야 할 과제도 분명히 존재한다.
첫째, 생산 단가가 높다. 바이오매스 원료 확보, 정제, 중합, 가공에 이르는 전 공정이 복잡하고 에너지를 많이 소모한다.
둘째, 물성 한계가 존재한다. 예를 들어 PLA는 내열성과 인장강도에서 기존 플라스틱보다 약해 특정 산업용에는 한계가 있다.
셋째, 식량자원과의 경쟁 문제도 있다. 옥수수, 사탕수수 등의 식량 작물을 대량으로 사용하면 식량 위기를 초래할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 최근에는 비식용 바이오매스(예: 해조류, 목재 폐기물, 식물성 잔사) 기반 고분자 기술이 연구되고 있으며, 미생물 유전공학과 나노복합소재 기술도 함께 접목되어 성능 개선이 이루어지고 있다.
앞으로 바이오매스 기반 고분자는 소재 산업에서 친환경 트렌드를 이끄는 핵심 기술로 자리잡을 가능성이 높다.