바이오폴리머: 제조업의 새로운 친환경 영웅인가?

2022년을 맞이하며 전 세계적으로 가장 큰 우려 사항 중 하나는 기후 변화입니다. 기후 변화를 악화시키는 가장 큰 요인 중 하나가 화석 연료 연소라는 점은 이제 널리 받아들여지고 있습니다. 석탄이나 석유와 같은 화석 연료를 태우면 다량의 이산화탄소가 배출되어 대기 중에 열을 가두고 지구 온난화를 유발합니다.

식료품 봉투부터 자동차 범퍼, 의류에 이르기까지 어디에서나 볼 수 있는 플라스틱은 전통적으로 석유에서 추출한 합성 폴리머로 만들어집니다. 이러한 폴리머의 구성 요소는 원유 정제 과정에서 직접 얻거나 정제 산물로부터 합성됩니다. 플라스틱 제조 공정은 전 세계 석유 공급량의 8~10%를 소비하는 것으로 추정되며, 이 수치는 2040년까지 두 배로 증가할 전망입니다.

석유화학 제품과 기존 플라스틱 생산은 여전히 전적으로 석유에 의존하고 있으며, 이 재생 불가능한 자원은 지구상에서 빠르게 고갈되고 있습니다. 따라서 플라스틱 문제는 다각적입니다. 자원 고갈로 인해 표준 플라스틱 생산은 결국 중단되어야 하며, 이러한 생산 방식은 생태계를 파괴합니다. 또한 많은 플라스틱 제품은 재사용이 불가능하여 엄청난 양의 폐기물을 발생시키고, 적절하게 폐기되거나 재활용되지 않아 환경에 추가적인 피해를 줍니다.

일반인은 일회용 플라스틱 사용을 줄이고, 포장 폐기물을 최소화하며, 책임감 있게 재활용함으로써 '생태 발자국'을 줄이고 환경을 도울 수 있습니다. 제조업체 역시 플라스틱을 개발할 때 석유 대신 바이오폴리머와 같은 대체 자원을 선택함으로써 '생태 발자국'을 개선할 수 있습니다.

"바이오폴리머"라는 용어가 때때로 (기원과 관계없이) 생분해성 또는 생체 적합성 폴리머를 설명하는 데 사용되기도 하지만, 이 블로그에서는 바이오 유래 폴리머, 즉 바이오매스에서 생성된 폴리머만을 지칭합니다. 이는 재생 가능한 자원에서 생성되어 대기 중 이산화탄소를 고정하고 온실가스 배출을 줄입니다. 또한 많은 바이오폴리머는 생분해성을 띠어 제품 폐기 시 유연성을 제공하고 재활용을 가능하게 합니다.

바이오폴리머의 종류

바이오폴리머는 출처와 생산 방식에 따라 크게 세 가지 범주로 나뉩니다.

A등급: 전분, 셀룰로오스, 단백질, 아미노산 및 그 유도체와 같이 바이오매스에서 직접 얻은 천연 폴리머
B등급: 미생물과 식물을 사용하여 생합성하거나 주로 생합성된 단량체로부터 직접 제조된 폴리머(예: 폴리하이드록시알카노에이트(PHA) 및 폴리락트산(PLA)
C등급: 대체 바이오 기반 단량체로부터 제조된 기존의 석유 기반 폴리머(예: 폴리에틸렌 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)

각 등급의 바이오폴리머는 포장재, 농업, 수술용 생체 재료 등 다양한 상업적 용도에 적합합니다.

A등급 및 B등급 폴리머는 모두 생분해성이며 거의 대부분 바이오 기반이지만, 석유 기반 플라스틱에 비해 물성이 떨어지므로 보강 충전제나 충격 보강제와 함께 사용되는 경우가 많습니다.
C등급 폴리머는 구조적으로 석유 기반 플라스틱과 유사하지만 대부분 생분해되지 않으므로 동일한 폐기 및 재활용 문제를 공유합니다.

바이오폴리머 도입 확대를 가로막는 과제는 비용입니다. 발효 수율과 효율성을 개선하거나, 바이오폴리머 생산을 식품 제조 공장 또는 유기 폐기물 흐름이 있는 시설과 통합하려는 시도들이 높은 제조 비용을 낮추기 위해 노력하고 있으나, 이는 여전히 핵심적인 장애물로 남아 있습니다.

현재 바이오폴리머는 어디에 사용되고 있습니까?

상업용 바이오플라스틱은 주로 포장재에 사용되어 왔습니다(표 1). 전분과 PLA는 낮은 비용 덕분에 가장 많이 생산되는 바이오플라스틱입니다. 반면, PHA는 생산 비용이 높아 훨씬 적은 양으로 생산되고 있습니다.

표 1. 주요 상업용 바이오폴리머의 생산 및 응용 분야

Biopolymer	2020 Global Capacity (tons)	Major Producers	Applications	Biodegradable?
Starch and blends	435K	Futerro, Novamont, Biome	Flexible packaging, consumer goods, agriculture	Yes
Polylactic acid (PLA)	435K	NatureWorks, Evonik, Total Corbion PLA	Flexible packaging, Rigid packaging, consumer goods	Yes
Polyhydroxyalkanoates (PHA)	40K	Yield10 Bioscience, Tianjin GreenBio Materials, Bio-on	Flexible packaging, Rigid packaging	Yes
Polyethylene (PE)	244K	Neste, LyondellBasell	Flexible packaging, Rigid packaging	No
Polyethylene terephthalate (PET)	181K	Toray Industries, The Coca-Cola Company, M&G Chemicals	Rigid packaging	No
Polybutylene adipate terephthalate (PBAT)	314K	Algix, BASF	Flexible packaging, Rigid packaging, agriculture	Yes
Polybutylene succinate (PBS)	95K	Roquette, Mitsubishi Chem., Succinity	Flexible packaging, agriculture	Yes

‘쿨’한 혁신: 코카콜라의 PlantBottle™

바이오폴리머 분야의 지속 가능한 혁신은 수십 년간 물밑에서 진행되어 왔으나, 대기업이 신제품을 발표하기 전까지는 이러한 발전상이 뉴스나 대중에게 잘 알려지지 않는 경우가 많습니다.

2015년 여름, 코카콜라는 PlantBottle™ 패키징을 공개했습니다. 이는 재생 가능한 자원으로만 만든 세계 최초의 플라스틱 병입니다. 이 병은 기존 플라스틱 병과 외관, 기능, 재활용 방식이 동일하지만 석유를 사용하지 않아 지구에 미치는 영향을 크게 줄였습니다. 이러한 발표는 바이오폴리머의 지속적인 개발과 전 세계 주류 제품으로의 도입을 촉진하는 고무적인 사례입니다.

바이오폴리머에 대한 오해와 진실

바이오폴리머 제품이 널리 보급되려면 대중의 인식 또한 중요합니다. 기존 플라스틱의 지속 가능한 대안으로서 바이오폴리머가 가진 큰 장점은 일반적으로 인정받고 있지만, 한편으로는 비판의 대상이 되기도 합니다. 이러한 비판 중 일부는 오해나 혼란에서 비롯된 것이지만, 전혀 예상치 못한 방향에서 제기된 것들도 있습니다. 표 2에서는 가장 자주 논의되는 주제들에 대한 당사의 견해를 정리했습니다.

표 2. 바이오폴리머에 대한 오해와 진실

PBAT = 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트; PBS = 폴리부틸렌 숙시네이트; PLA = 폴리락타이드.

Misconception	Fact
Biopolymers = biodegradable polymers	Not necessarily. Whether a polymer is biodegradable depends ultimately on its structure, rather than how it is produced. While most Class A and Class B biopolymers happen to be biodegradable, only a few Class C polymers (e.g., PBS and PBAT) are.
Biopolymers are actually not biodegradable, as they are claimed to be, and thus will not solve the plastics crisis.	Biopolymers and bioplastics do not directly address the accumulation of plastic waste; biodegradable plastics and plastic recycling are the primary means to address waste. The primary advantage of bioplastics is the use of renewable biomass as raw material instead of non-renewable oil and gas.
Bioplastics, even if biodegradable, do not degrade fast enough under normal conditions, and composting facilities must be used.	Biodegradability is only a side benefit of some biopolymers. Biopolymers, as well as conventional plastics, vary considerably in terms of speed of degradation. PHAs, for example, degrades very fast under environmental conditions, whereas PLA and PBAT require the heat of industrial compost. Furthermore, too fast degradation would undermine a plastic product’s usefulness.
Bioplastics are only good for packaging applications and would not replace all conventional plastics.	Applications for biopolymers have diversified significantly, especially with the developments of Class C bio-based polymers. The proportion of bio-based polymers produced for packaging in 2020 was 47%, only slightly higher than 40% for conventional plastics.
The production of biopolymers takes up much agricultural land and impacts human and animal food production.	In 2019, 0.016% of the world’s total agricultural land was used to produce feedstocks for biopolymers. It means that, even if all plastics produced today were bio-based, and even assuming the land area used increases proportionally with production volume, the proportion of farmland used would not exceed 2%.

바이오폴리머 연구 현황

바이오폴리머 연구는 최근 몇 년간 주목받으며 2019년 10대 유망 기술 중 하나로 선정되었습니다. CAS Content Collection™(그림 1)에서 볼 수 있듯이, 지난 20년간 유가 변동과 지속 가능성 증대 및 기후 변화 대응이라는 시대적 요구에 발맞추어 관련 연구와 혁신이 지속되어 왔습니다. 학술지 논문과 특허 출원 건수는 초기에는 완만하게 증가하다가 2009년경부터 비슷한 속도로 가속화되었습니다. 2014년경부터는 특허 출원 건수의 증가세가 눈에 띄게 둔화된 반면, 학술지 논문 수는 2020년까지 꾸준히 큰 폭으로 증가했습니다.

바이오폴리머는 주로 화석 연료 기반 플라스틱의 재생 가능한 대안으로 개발되기 때문에, 화석 연료 가격이 크게 오르면 바이오폴리머의 경쟁력이 높아지고 연구자와 발명가들의 열의와 자신감도 고취됩니다. 플라스틱 가격은 유가와 밀접하게 연동되는데, 2000년대 중반부터 유가가 크게 상승하고 2008년에 전례 없는 급등세를 보인 점이 2008년경 특허 출원 곡선에서 나타나는 변곡점을 설명해 줄 수 있습니다. 2014년 이후 유가가 급락하면서 바이오폴리머의 상대적 비용 부담이 다시 커졌고, 이로 인해 발명가들의 의욕이 꺾이면서 같은 해에 특허 출원 건수가 정체된 것으로 보입니다.