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1. 서론
플라스틱의 문제점과 생분해성 플라스틱
2. 본론
1) 플라스틱의 발명과 발달
2) 생분해성 폴리에스터 고분자의 진보
3) 분해성 고분자의 종류
4) 분해성 플라스틱
5) 생분해성 플라스틱의 종류
6) 생분해성 소재와 폐기물처리
7) 폴리유산 및 코폴리머 제조법과 시장개발
8) 소주 폐액으로부터 생분해성 플라스틱 생산
9) '유전자 조작 식물' 통해 플라스틱 생산
10) 환경을 생각하는 소재 - TPS
11) 식물에서 플라스틱을 만들어 낸다
12) 키틴과 바이오 플라스틱
13) 나무로 만드는 플라스틱
14) 커피콩 깍지로 만드는 플라스틱
15) 3달만에 분해가능한 생분해성 물질 개발
16) 콩으로 생분해성 플라스틱 제조
3. 결론
1.서론
세계적으로 플라스틱산업은 우수한 성능과 기능을 가진 무수한 고분자 소재의 개발로 인해 발전을 거듭하며 1억톤 이상이 합성되어 사용되고 있다. 그러나 현재 상품화되어 사용중인 플라스 틱은 반영구적이기 때문에 사용후 폐기되는 플라스틱에 의한 환경오염 문제가 심각한 사회문제로 대두되었다. 이에 따라 사용시 편리성만을 비약적으로 향상시킨 기존의 플라스틱을 대체할 수 있고, 사용후 붕괴 또는 분해되어 자연의 순환 싸이클로 흡수됨으로써 환경오염의 문제를 배제할 수 있는 분해성 플라스틱이라는 새로운 기능을 가진 고분자 물질에 대한 사회적 요구가 급속히 높아가고 있다.
2.본론1)플라스틱의 발명과 발달
< 실험실 화학품을 업지른 실수로 발명한 플라스틱 >
인간의 위대한 발견이나 발명품은 끊임없는 노력의 결과로 얻어진 것도 있지만 실수나 우연으로 이루어진 것도 많다. 예를 들면 고대에 아르키메데스는 목욕탕에 들어갔다가 우연히 부피와 밀도의 원리를 발견하고 이탈리아의 갈바니는 죽은 개구리 다리의 신경에 금속이 닿자 오므라드는 것을 보고 건전지의 원리를 발견하였다. 전자렌지의 경우는 스펜서가 레이다를 연구하다가 전파(마이크로파)가 열로 변하는것을 우연히 발견하여 발명한 것이다. 이외에도 플레밍이 포도상구균 배양에 실패한 배양그릇에 꽃을 피운 푸른색 곰팡이를 보고 발명한페니실린, 뢴트겐의 X선 등도 우연한 계기로 발명한 것으로 유명하다.
우리 일생에서 쉽게 접할 수 있는 플라스틱의 경우도 대표적인 우연의 산물이라 할 수 있다. 1846년 스위스 바젤 대학의 교수였던 쉰바인이 화학실험을 하던 중 실수로 왕수(염산과 질산이 3대 1로 섞인 용액)가 든 병을 실험실 바닥에 떨어뜨려 깨뜨렸다. 그는 엉겁결에 옆에 있던 면치마로 왕수를 닦아낸 뒤 이를 한쪽 구석에 처박아 두었다. 몇 시간 뒤 그는 왕수를 닦은 면치마의 일부분이 조금 녹아 투명하고 끈적끈적한 물체가 생겨난 것을 발견하였다. 이 물체는 껌처럼 길게 늘어졌다가 그 형태로 굳어졌다. 어떤 물질이 길게 늘어지는 이같은 현상은 그 당시 보기드문 것이었다. 쉰바인은 이 새로운 물질이 어떻게 생긴 것인가에 대해 궁금했다. 그는 연구 끝에 면에 있던 셀룰로오스 성분이 질산과 결합하여 질산셀룰로오스라는 새로운 물질로 변했기 때문이라는 것을 알게 되었다.그가 발견한 것을 논문으로 발표하자 즉각 전 유럽으로 퍼져 프랑스에서는 이를 원료로 한 샤르도데실크라는 인조비단을 생산하기 시작했다.
< 당구공 만들어 상금타려다 발명한 플라스틱 >
한편 1860년대 당시 미국의 상류사회에서는 당구가 유행했었다. 그런데 코끼리 상아로 만들어진 당구공의 값이 너무 비싸 상아를 대신할 질좋은 당구공재료가 필요했다. 이 재료를 구하는데 1만 달러의 상금을 내걸기에 이르렀다. 수많은 과학자들이 당구공을 만들기 위해노력하였지만 이 상금을 거머쥔 행운아는 인쇄공이었던 청년 하이얏이였다. 그는 쉰바인이 발견해 낸 질산셀룰로오스를 이용하면 어떤 물질을 만들어 낼 수 있을 것으로 판단, 질산셀룰로오스 용액에다 각종 화학물질을 집어넣었다. 하지만 어떠한 경우도 상아와 같이 딱딱한공의 형태로 만들어지지는 않았다. 실패를 거듭하던 그는 어느 날 방안의 약장에 있던 캠퍼(식물 성분으로 당시 피부약으로 사용되었음)를 별기대 없이 넣어보았다. 그런데 질산셀룰로오스가 서서히 굳어지기 시작하면서 딱딱하게 변하는 것이었다. 캠퍼 성분이 물체를 굳혀 형태를 유지토록 하는 촉매 역할을했던 것이다. 하이얏은 연구를 거듭한 결과 상아를 대신할 수 있는 당구공을 만들어내어 1만달러의 상금을 타게 되었다.
셀룰로이드와 관련된 연구가 활발히 진행되기 시작하자 이과정에서 1905년 베이클랜드가 포름알데히드와 페놀을 합성, 베이클라이트(석탄산수지)를 만들어냈다. 이는 가열하면 처음엔 물러졌다가 계속해서 열을 가하면 점점 단단해지는 열경화성 성질을 갖추고 있어 플라스틱을 대량 생산하는 기폭제가 되었다.
플라스틱에 대한 연구가 열기를 더해가자 미국 뒤퐁사에서 일하던 캐로더스는 플라스틱을 연구하다 1933년에 나일론 섬유과 합성고무를 만드는데 성공하였다. 특히 나일론은 뒤퐁사가 1940년 스타킹을 처음 선보였는데, 한 백화점에서 시판 첫날 4백만 켤레나 팔리는 대돌풍을 일으켰다. 여자들은 스타킹을 사자마자 치마를 걷어부치고 스타킹을 신는 진풍경을 이루기도 했다. 이와 함께 석유의 분해 과정에서 얻어지는 나프타를 통해 에틸렌, 프로필렌 등 각종 탄소화합물을 쉽게 분리할 수 있다는 사실이 밝혀지면서 이들 화합물의 합성 연구가 활발히 진행되었다.
< 천의 얼굴을 가진 플라스틱 >
1938년 뒤퐁사가 테플론을, 독일 지글러가 고밀도 폴리에틸렌의 합성에 성공하자, 수많은 과학자들과 석유화학 관련기업들이 플라스틱 연구에 몰입하였다. 플라스틱은 셀룰로이드, 석탄, 식물유 그리고 석유에서 추출한 산소와 탄소 등 여러가지 물질로 이루어져 있다. 이러한 원자재에서 모노버라는 물질이 만들어지고 이것을 다시 섭씨 150-190도의 온도로 가열하면 나긋나긋한 물질이 만들어진다. 그 물질이 바로 '어떤 형태나 모양으로 만들 수 있는 나긋나긋한 물질'이란 뜻의 플라스틱(Plastic)이다. 이 액체상태의 플라스틱을 원하는 틀에 넣으면 제품이 완성되는 것이다.
플라스틱은 가볍고, 튼튼하며, 원하는 색깔을 마음대로 낼 수 있으며 어떤 형태로든 자유자재로 만들 수 있다는 장점이 있다. 이러한 뛰어난 가공성 때문에 플라스틱이 쓰이는 곳은 무궁무진하다. 가전제품, 생활용품, 가구, 건축자재, 전기용품 등에서 흔히 보이는 딱딱한 합성수지에서부터 비닐, 합성섬유에 이르기까지 현대인은 플라스틱 더미에 묻혀살고 있다. 어떤이는 인류는 플라스틱 더미로 뒤덮일 것이라고 우려하기도 했다.
이렇게 환경문제가 80년대 부터 크게 대두되기 시작하자 과학자들은 썩지 않는 플라스틱의 단점을 보안하여 썩는 생분해성, 광분해성 플라스틱을 개발해냈다. 펜실베이니아 대학 연구팀은 무수히 꼬인 고분자를 직선으로 편 뒤 탄소분자들을 이 직선에 나란히 붙임으로써 전자들이 오고가게 할 수 있게 해 전기가 통하는 플라스틱을 개발하기도 했다. 최근에는 강철처럼 강하고 유리처럼 맑은 플라스틱, 빛 저장 플라스틱 등이 과학의 발전에 힘입어 거의 무한한 종류의 플라스틱이 만들어지고 있다.
2)생분해성 폴리에스터 고분자의 진보◈ 영국에서 잘 알려진 폴리에스터 스포츠 레져 의류 또는 가벼운 셔츠형 의류들의 외관은 열정적으로 패션의 흐름을 따라가는 사람들의 기호를 바꿔놓기에 충분하다. 특히 런던의 세련된 거리 Bond street에서 일하는 사람이라면 이런 점에서 더욱 행운아인 셈이다. 그럼 과연 생분해성 폴리에스터도 그에 포함 될 수 있을까 ? 불행히도 대답은 아직 그렇지 못하다는 것이다. 그러나 SRI Consultanats(Menlo Park, California)의 Greg Bohlmann은 오늘날의 차세대 생분해성 폴리에스터 제품들이 폐기물 처리 문제를 훨씬 경감 시켜줄 것이라고 말한다. 그는 또 최근의 생분해성 폴리에스터 제품들은 과거에는 상상도 하지 못했던 것으로서 일 세대 생분해성 폴리에스터가 개발된 1980년대에 비하여 상당한 발전을 이루었다고 덧붙였다.◈ 퇴비화는 합성 고분자의 이용이 매우 중요하며 항구적으로 없어서는 안될 필수적요소로 작용하는 곳에서 매립에 대체하여 이용할 수 있는 고분자 폐기물 처리 방법이다. 그러나 대부분의 고분자를 구성하는 매우 길고도 복잡한 탄소 사슬은 유기체에 의하여 분해되고 소화되기에는 너무나 그 덩치가 크다는 단점으로 인하여 이 방법은 실효를 거두지 못하고 있다. ◈ 생분해성 고분자를 만들기 위한 초기의 시도는 분해를 촉진시키기 위하여 녹말성분을 첨가하는 방법이었는데 수분에 민감한 녹말의 특성으로 인하여 제품이 폐기되기도 전에 분해되어 버리는 문제로 성공적인 방법으로 채택되지는 못했다. 대신에 폴리악틱산(Polyactic acid) 폴리에스터와 포화탄화수소/방향성 공중합 폴리에스터들이 환경적 문제가 점점 크게 대두되는 유럽 및 아시아지역에서 상업화 되어 이용되고 있다. 사실 유럽에서는 이미 생분해성 폴리에스터 제품들이 시장에서 각광을 받고 있는 실정이다. 사실 퇴비화에 어느 정도는 적합성을 갖고 있는 생분해성 폴리에스터가 매립의 딜레마가 점점 크게 대두되는 유럽 지역에서 하나의 열쇠가 될 수 있다고 Bohlmann은 말한다. 이러한 제품들은 Dannon사가 McDonalds사와 함께 요구르트 컵으로 개발하여 이용되고 있으며 이것을 유럽 전역으로 확대하고자 하는 실험을 진행중이다.
3)분해성 고분자의 종류
1) Biodegradable polymer ① 정의 bacteria, fungi와 algae와 같은 자연적으로 일어나는 미세유기체의 작용에 의해 분해가 일어나는 분해성 고분자를 말한다. ② 합성수지의 분해경향성 i) C-C 주쇄로 되어있는 부가중합체는 생분해가 거의 되지 않는다.(이로써 PE, PP, ST, PVC등 많은 경제적인 범용수지를 배제한다.) ii) C-C 주쇄형 고분자가 직선형이고 분자량이 낮을 때(Mw<1,000) 생분해성의 가능성이 있다.(고분자량은 기계적물성의 필수조건이며, 적절한 가교 및 곁사슬로써 수지의 용융점도를 조절하는 것이 필요한 경우에는 불리하다.) iii) 주쇄에 탄소이온의 원자를 갖는 부가중합체는 생분해성이 있다.(개환형 부가 중합체가 있으나 단량체의 가격이 대체적으로 비싸다.) iv) 축중합형태의 수지에 있어서 그 형태에 따라서 분해성이 달라진다. - 화학구조에 따라 esters>ethers>amides>urethans 순으로 분해성이감소한다. - 분자량이 작을수록 빨리 분해한다.(기계적 물성과 배치한다.) - 비정형이 결정성보다 빨리 분해한다.(결정성을 피할 수 없는 수지들이 많다.) - Tg가 낮을수록 잘 분해한다.(Tg>100℃를 요구하는 응용예가 많다.) - 친수성이 높을수록 잘 분해한다.(이로써 많은 수용액상 용기개발에 큰 제약이 된다.) v) 특수한 광학이성질체는 분해가 잘 된다.(촉매를 이용, 제어하는 공정은 선택도 및 촉매의 수명, 생산원가면에서 용이하지 않다.)
③ 종 류 i) 미생물 발효생산 고분자 < 특 징>
미생물은 단백질, 핵산, 다당류 등을 만들지만 에너지를 저장하는 물질로서 유기물을 섭취하여 이를 세포내에 저장하거나 체외로 배출한다. 이 때 생성되는 탄수화물을 주체로 하는 생분해성 고분자는 토양 중의 미생물에 의하여 아주 쉽게 분해되는데 공기 존재하에서는 탄산가스와 물로 분해되고 공기가 차단된 조건하에서는 메탄과 물로 분해가 된다.
< 미생물 발효생산 고분자 예 >
PHB 또는 PHV와 같은 polyhydroxyalkanoates계의 고분자 pullulan과 같은 polysaccharides계의 고분자
ii) 천연고분자의 이용 < 특 징 >완전 생분해성으로 가공될 수도 있고 아니면 탄화수소계수지와 blending되어 붕괴성 수지로 가공될 수도 있고 천연 다당류 플라스틱은 인장강도가 크고 투수성이 좋다.
< 천연고분자의 예 >새우, 게 등의 껍질이나 오징어 뼈에서 나오는 chitin, chitosan 등 동물유래의 것 전분, cellulose, hemicellulose, pectin, lignin 등 식물에서 유래된 것
< 용 도 >포장재, 농업용 sheet, 식목모판 및 의약품 캡슐
iii) 합성 고분자
합성고분자의 분해경향
- 고분자 주쇄에 amide, enamine, ester, urea, urethane과 같은 가수분해 가능한 결합이 있어야 한다. - 수용성인 분해효소가 접근을 쉽게 할 수 있도록 친수성의 segment가 있어야 좋다. - 많은 단백질 분해효소에서 보면 치환된 장소의 이웃을 특정하게 분해시키는 경향이 있으므로 hydroxyl, carboxyl, methyl, 그리고 phenyl기 등의 치환된 형태가 유리하다. - 특정한 chiral 이성질체만 분해하는 경향이 많으므로 분해되는 쪽 이성체가 많아야 좋다. - 분해효소의 접근을 쉽게 하기 위하여 비정형 고분자가 유리하다. - 가교가 되어 있거나 가지가 있는 구조보다는 선형의 고분자로 반복단위가 약간 긴 쪽이 유리하다. - 방향족 사슬 보다는 지방족 사슬이 유연성이 좋아 분해성이 더 좋다.
· 분해성이 좋은 지방족 polyester계의 예
poly(glycolic acid) 및 polylactic acid와 같은 poly(α-hydroxy acid) poly(ε-caprolactone), polyorthoester, polypeptide, phosphazene, polyanhydride 등
▷의료용으로 이용되는 합성고분자의 대표적인 예 종 류 특 징 및 응 용 PG 임상용이 가장 먼저 승인된 생분해성 고분자60년대 American Cyanamide가 Doxon을 개발 PL 수술용 봉합사, drug-delivery system, 정형외과용 이식재료, 혈관이식 재료로 사용조사중. Ecochem이 연 20백만 파운드 규모로 생산계획 PG/PL 공중합체 수술용 봉합사로 사용됨. Ethicon의 Vicryl이 있음 PG/ propylene carbonate 공중합체 흡수 가능한 물질로 American Cyanamide에서 개발 PCL PG나 PL보다 매우 느린 생분해 속도를 나타내는 polyester 필름이나 포말형태로 인공피부로 사용됨. 이식재료나 피임제로서 제 1상 임시시험이 완료된 상태. 농업용으로 사용됨. Union Caride가 개발 Poly- dioxanone 흡수 가능한 결찰용 클립으로서 「Absolok」 이라는 상품명으로 판매되고 있음. Ethicon에서 개발 Poly- anhydrides Drug-delivery system을 위해 특별히 고안된 표면부식 고분자. 현재 뇌암등을 치료하기 위한 이식용 delivery system으로서의 제 3상 임상시험 진행중 Polycyano acrylates Bioadhesive로 사용됨 Poly- orthoesters Drug-delivery system을 위해 개발되어 탐색중인 고분자 Alza corp. 의 Alzmer가 있음 Poly (γ-ethyl glutamate) 분해되는 봉합재료와 drug-delivery를 위해 조사중. 합성 polyaminoacid에 기초하고 있음 Pseudo- poly(amino acid) 일반적인 poly(amino acid)의 기본골격에 nonamide 결합을 끼워넣음으로써 얻어진 고분자군. Serine 및 hydroxyproline으로부터 나온 polyester와 tyrosine으로부터 나온 polyiminocarbonate가 보고됨. 고강도의 정형외과용 이식재료, drug-delivery system 및 면역활성 보조제로의 응용이 제안되었음. 2). Photodegradable polymer ① 정 의모든 수지는 태양광선의 자외선 에너지에 의하여 분자사슬이 끊어지고 물성저하를 유발하게 된다. 각종 범용수지들은 자외선 영역에서 에너지를 흡수하여 광열화가 일어나며 수지 안에 불순물이 포함되어 있을 경우 다른 파장영역에서도 분해가 일어난다. 광분해성 플라스틱은 광에 의하여 미세분말로 분해된 다음 자연계에 축적되든지 아니면 생분해되어 자연계의 생태계로 환원된다.
② 특 징광분해가 진행될수록 빛을 흡수하거나 또는 광분해 반응에 직접 참여하는 화학 구조물이 생성되어 반응이 가속화되며, 대기 중에 있는 산소와 반응하는 광산화 반응을 동반한다. 따라서 초기의 연구는 모두 이러한 광열화현상을 최소화하는 쪽으로 이루어져 많은 광안정제들이 개발되었으나 현재는 광분해 촉진제 및 광안정제를 동시에 넣어 광분해속도를 수지의 용도에 맞게 제어시키는 쪽으로 연구가 이루어지고 있다. ③ 광분해기술
i) 광증감 작용이 있는 Fe, Ni 등의 전이금속 이온과 산화 촉진제 및 광증감제등을 첨가하여 고분자 주쇄의 광분해를 도모한다. ii) 고분자 중합시 일산화탄소를 넣어 공중합시켜 광분해성을 부여하는 것이다.
3) Hydrolytically degradable polymer 정 의 가수분해로 인해 분해가 일어나는 분해성고분자이다.
4) Oxidative polymer 정 의 산화로 인해 분해가 일어나는 분해성고분자를 말한다.
4)분해성 플라스틱대량으로 쏟아져 나오는 폐플라스틱은 땅속에 묻어도 썩지 않고 태우면 고열과 유독 가스를 낸다. 또한, 바다의 어류, 조류, 해초의 먹이 사슬을 파괴하고, 토양의 원활한 공기 소통을 막아 토양을 죽어가게 하는 등 환경에 심각한 영향을 끼친다. 이와 같은 폐플라스틱의 공해 문제를 해결하기 위하여 플라스틱의 사용을 규제하려는 움직임이 있는가 하면 분해되는 플라스틱을 개발하려는 연구도 활발하다. 분해되는 플라스틱에는 미생물에 의해 분해되는 생분해성 플라스틱과 자외선에 의해 분해되는 광분해성 플라스틱이 있다.
5)생분해성 플라스틱의 종류
생분해성 플라스틱에는 다음과 같은 세 종류가 있다. 녹말이나 셀룰로오스와 같은 천연 고분자 화합물을 혼합하여 합성한 플라스틱으로 분해성은 우수하나 가공성이 떨어지는 단점이 있다. 폴리에틸렌의 쇼핑백은 분해되는데 수백 년 걸리지만 10%의 녹말을 포함하는 폴리에틸렌은 수 개월이면 분해되어 없어진다.미생물이 좋아하는 작용기를 가지고 있는 플라스틱이다. 폴리에스테르는 효소 리파아제에 의해 분해되는데, 리파아제는 미생물을 비롯하여 많은 동식물에 존재하는 소화효소이다. 미생물 대사 과정에서 만들어내는 미생물 생산 고분자 화합물을 이용하여 만든 플라스틱이 있다. 광분해성 플라스틱은 다음과 같은 두 종류가 있다. 카르보닐기를 가지는 플라스틱으로 에틸렌과 일산화탄소를 혼성중합시키거나 메틸비닐케톤을 첨가 중합시켜 만든다. 광활성제로 전이 금속의 착화합물을 첨가시킨 플라스틱으로 광활성제의 종류와 양으로 분해 기간과 분해 속도를 조절할 수 있다.
<생분해성 플라스틱> 생분해성 플라스틱은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스틸렌 같은 고분자 화합물 등에 전분을 혼합하고 첨가제를 집어넣은 것이다. 전분은 미생물에 분해되는 천연 고분자이므로, 결국 폴리에틸렌 등의 입자로 붕괴되어 겉으로 보면 플라스틱이 분해되는 것처럼 보인다. 실제로 폴리에틸렌과 같은 합성 고분자는 자연에서 분해되는 데 상당히 오랜 시간이 소요되고, 2차 잔류물이 남을 수 있다. 따라서, 생붕괴성 플라스틱은 환경 보전의 측면에서 보면 완전한 해결책이라고 할 수는 없다. 하지만 현재의 심각한 환경 문제를 생각할 때 당분간 쓰레기 주머니, 쇼핑백, 그리고 비닐 하우스용 필름 등으로 사용하는 것은 어쩔수 없다고 하겠다. 현재 미국에서는 폴리에틸렌에 전분을 6∼90%가지 섞은 생붕괴성 플라스틱이 실용화되고 있는데, 미국의 경우에는 남아 도는 옥수수(전분의 원료)의 활용과 석유자원의 절약이라는 측면에서도 의의가 있다.
<광분해성 플라스틱> 광분해성 플라스틱 자외선으로 고분자 결합을 끊어 궁극적으로 플라스틱이 분해되는 원리를 이용한다. 실제 플라스틱 제품을 만들 때 자외선 안정제와 광분해 활성제를 적절하게 집어 넣어 일정 기간 동안은 플라스틱이 안정된 상태를 유지 하다가 그 이후에는 빠른 속도로 광분헤가 일어나게 한다. 따라서, 비닐 하우스용 플라스틱으로 적합하다.
<생분해성 고분자> 생분해성 고분자는 농산물과 같이 자연계에서 얻을 수 있는 자원을 원료로 해서 만들어진다. 대부분의 플라스틱이 섬유로 만들어 진다는 점을 생각해 본다면 일단 원료가 되는 원유가 되는 셈이다. 생분해성을 이용하면 포자용기 및 포장 필름용 외에 비료나 농약의 사용량을 줄일 수 있어서 환경 보전에 매우 유리하다. 아직은 이런 생분해성 플라스틱을 만드는 기술이 낮을 수준에 있지만, 기술 개발이 이루어져 만들어 내는 비용이 줄어 든다면 아마 많은 사람들이 이용 할 수 있을 것이다. 하지만 이런 분해성 플라스틱만 믿고 플라스틱을 마구 사용해서는 안된다. 옛날에 나왔던 전혀 썩지 않는 플라스틱에 비해서 썩을 수 있다는 장점이 있기는 하지만, 이런 플라스틱도 썩는 데에는 많은 시간이 걸린다. 따라서, 되도록 환경을 볼모로 삼는 일회용 용기들을 비롯한 플라스틱 제품의 사용은 줄이는 것이 좋겠다.
6)생분해성 소재와 폐기물 처리현재 생분해성 플라스틱의 소재기업, 가공기업, 수요자는 이미 기초적인 평가단계에서 예측되는 시장규모까지 어떻게 도달할 수 있는가에 대한 모색단계로 접어들었고, 이중 생분해성 플라스틱이 어떠한 위치에서 상품으로 개발될 수 있는지가 중요한 과제로 부각되고 있다. 95년 6월14일부터 16일까지 3일간 개최된 환경국제회의는 좋은 평가를 받고 있다. 이는 "Role of Biodegradable Mat- erials in Waste Management"에서 나타난 것처럼 생분해성 플라스틱의 폐기물처리중에서 위치정립을 논의한 최초의 국제회의라는 점에서 좋은 평가를 받았으며, 또한 생분해성 플라스틱의 정립문제가 계획없이 유럽·미국·일본의 환경의식, 폐기물시스템, 정부단체의 인식 등에서 의견차이를 보였다는 점, 여기에 분해성 테스트방법, 식별표시, 로고 등에 대한 국제적인 조화의 필요성에 대해 합의를 보았다는 점에서 좋은 평가를 받았다. 이점에 있어서는 이미 ISO에서 작업이 진행되고 있고 일본도 분해성 평가테스트방법에 관한 기술부회 "TC61" 및 환경Labeling에 관한 기술부회 "TC207"인 ISO의 각부회에 적극적으로 참가하고 있다. 환경회의중 생분해성 플라스틱 연구회를 중심으로 통산성의 협력하에 일본 각기업이 생분해성 플라스틱 실용화촉진의 기초작성 노력에 높은 평가를 내리고 있다. 또한 실용화 촉진을 위한 국제적 수준의 조직구성이 필요한 것으로 확인됐다. 대부분 유럽국가들은 국토가 협소하고 전통적인 환경의식의 고취, 포장조례 등의 법규제정비를 배경으로 플라스틱을 포함한 일반 폐기물 처리에 대한 감량화, 재사용, 리싸이클, 유기비료화가 균형을 이루고 있다. 예를들어 포장용기의 사용량삭감, 유리병 및 PET병 재사용, 분리수거후의 원료리싸이클, 또는 Thermal Recycle의 형태로 실시되고 있다. 그 가운데 쓰레기는 Compost시설로 처리해 얻은 퇴비를 농지에서 자원화하는 시스템이 자리를 잡고 있다.
독일과 네덜란드에서는 모든 쓰레기를 처리할 수 있는 Co-mpost시설이 향후 10년이내에 갖춰질 것이라는 분석이다. 생분해성 플라스틱은 Compost시스템중에서 중요한 의미를 가지고 있다. 미국은 일반폐기물의 약 90%가량이 매립처리되고 있으며, 낙엽과 잔디같은 것들은 Compost로 처리하도록 법제화하고 있는데, 이는 유럽과 마찬가지로 Compost화에 대한 생분해성 플라스틱의 중요성이 부각되고 있는 요인이다. 그러나 매립처리시 토지를 충분히 확보해야 하는 문제와 비싼 비용때문에 시장성장은 다소 시간이 걸릴 것으로 전망된다. 한편, 일본에서는 유리병, 금속, 종이처럼 재사용 및 리싸이클 시스템이 우선적으로 확립되어 있는 분야도 있지만 플라스틱의 재이용은 향후 정비가 이뤄질 것으로 전망된다. Compost처리설비에 대해서도 가축분뇨의 Compost시설은 전국에 1700곳이 설치되어 있지만 쓰레기 Compost시설은 아직 30여곳에 그치고 있다. 이번 환경회의는 일본에서도 Compost를 하기 위한 조직구성의 필요성이 논의되었으며, 일반폐기물의 약 70%는 소각처리, 25%는 매립되고 있는데 이러한 상황에서 생분해성 플라스틱의 역할을 지방자치제 수준에서 행하고 있는 폐기물처리 시스템에 적용하기는 무리가 따르고 있다. 그러나 향후 소각시설부족, 매립지 고갈, 폐기물 처리비용 증가, 법규제 및 Infrastructure의 정비를 배경으로 생분해성을 살린 폐기물처리 용도가 확대될 전망이다. 이번 회의에서 전분계, 미생물생산계, 화학합성계로 분류되는 다양한 생분해성 플라스틱에 대한 발표가 있었고, 각각의 특징을 살린 용도의 가능성이 소개됐다. 지방족폴리에스터 특히 폴리유산은 원료자체의 우위성, 사용시 종합적인 고특성, 사용후 분해성, 경제적 우위성 때문에 주목을 받고 있는 재료다. 미쓰이도아쓰에서는 LACEA라는 상품으로 폴리유산 개발을 진행하고 있다.
report2-2 report2-1 생물 7) 폴리유산 및 코폴리머 제조법과 시장개발
폴리유산(PLA)은 투명하며 강도가 높고, PS 및 PET에 가까운 수지다. 융점은 170℃, 유리전이점은 59℃의 열가소성폴리머로 필름 및 용기 등의 압출성형, 사출성형과 섬유, Bottle, 라미네이트, 발포체로의 가공이 가능한 특징을 가지고 있다. 이 폴리머는 수분에 따라 완만히 분해되어 유산으로 돌아가는 성질을 가지고 있어 이전에는 생체내 흡수성 재료로써 의료용에 사용되었다. 또한 안정성과 저연소열도 주목을 받고 있다. 원료인 유산은 옥수수와 감자를 가공해서 전분을 얻은 후 이 전분을 발효해 얻는데, 이 유산은 식품첨가물 등 다용도로 쓰인다. 최근 미국에서는 대형 곡물기업의 시장참여로 발효법에 의한 유산가격이 하락세를 보이고 있으며, 향후 kg당 1달러정도까지 하락할 전망이다. 지금까지 많은 생분해성 플라스틱이 개발되었는데 이를 보면 제네카(이전 ICI)가 개발한 "비이오폴"은 3-하이드록시락산과 3-하이드록시길초산의 코폴리에스터로, 미생물의 세포내에 축적된 폴리머를 추출해 플라스틱에 이용하면 유용하다는 것이다. 이태리의 Novamont가 개발한 "마타비"는 PVA와 전분을 합성한 것으로 유럽을 중심으로 이미 실용화되고 있는 중이다. 폴리카프로락톤은 싸이클로헥산을 원료로서 얻어지는 α-카프로락톤의 개환중합에 의한 폴리에스터이다. 폴리부틸렌석시네이트는 昭和高分子가 개발한 중축합에 의한 폴리에스터로 지난 94년 1월에 연산 3000톤의 생산설비를 완공해 "비오놀"이라는 상품명으로 판매하고 있다. 폴리유산은 우수한 투명성을 가지고 있으며, 폴리유산과 폴리부틸렌석시네이트 이외는 곰팡이에 대해 저항력이 낮고, 습기가 있는 환경에서는 곰팡이가 생성되고 있다. 현재 폐플라스틱 문제를 해결하기 위한 방법으로 플라스틱을 회수해 다시 이용하는 방법이 검토되고 있으나, 일반 쓰레기와 함께 버려지는 식품포장재료는 회수가 곤란하며, 회수돼도 위생상 재이용이 곤란하다. 이에따라 투명하고 곰팡이가 생기지 않는 위생적인 폴리유산이 가장 적합한 재료로 부상하고 있다. 현재 미쓰이도아쓰를 비롯 島津製作所, 미국의 Kakil 등이 폴리유산의 사업화를 적극 추진하고 있다. 미쓰이도아쓰는 이전부터 수술후 체내에서 분해·흡수되어 실을 뽑을 필요가 없는 폴리글리콜산의 수술용 봉합사를 연구, 현재 제조·판매하고 있다. 폴리글리콜산은 글리콜산의 환상 2중체인 글리코라이드를 개환중합함에 따라 합성되는 폴리머이며, 폴리유산과 유사한 구조의 폴리에스터이다. 또 글리콜산과 유산의 공중합체에 대해서도 연구를 진행, 서방성 약제의 기초재로써 판매하고 있다. 이러한 환경에서 분해되지 않는 쓰레기처리와 해양미생물에 대한 피해가 문제되기 시작한 범용수지의 대체제로 생분해성 폴리머가 주목받기 시작했고, 미쓰이도아쓰는 향후 가장 유망한 소재로 폴리유산을 선정하고 연구를 시작했다. 현재 의료용에 사용되는 실용적인 강도를 가진 고분자량의 폴리유산은 유산을 탈수·축합해서 얻어진 올리고머를 고온, 고감압후 중합해서 일단 유산의 환상2중체인 락타이드를 분리해서 개환중합하는 방법이 만들어지고 있다. 락타이드법은 고분자량의 폴리유산을 얻기위해 고순도의 락타이드가 필수조건이며, 락타이드의 효율적인 제조법과 정제법에 관한 연구가 진행되고 있다. 또한 중합후 평균함유량의 모노머 락타이드가 존재해 폴리머의 안정성에 영향을 미치기 때문에 남아 있는 모노머의 제거법에 관한 연구도 병행되고 있다. 반대로 수%의 락타이드와 유산올리고머를 가소제로써 남도록 해 폴리유산에 PE같은 유연성을 주는 방법도 나오고 있다. 유산을 탈수·축합해서 직접 폴리유산을 합성하는 방법은 이전부터 많은 연구가 이루어지고 있으며, 생성하는 물을 고점도 반응혼합물에서 빼내는 일은 어려운 일이다. 또한 고온, 고감압도 상태인 폴리에스터합성의 조건하에서는 락타이드 생성에 의한 해중합이 일어나기 때문에 이 방법에서 실용강도를 가진 고분자량의 폴리유산을 얻기는 불가능했다. 미쓰이도아쓰는 지금까지 불가능하다고 믿은 직접중합법을 시험, 공업적으로 저가인 폴리유산을 제조검토한 결과, 유산을 촉매가 있는 상태에서 유기용매중 비교적 저온상태에서 중합해 고분자량의 폴리머를 얻을 수 있음을 증명했다. 촉매로 검사를 실시해 반응속도를 높이고 중합용액에서 부생수를 효율적으로 빼내는 것에 따라 최적조건하에서는 30만이상의 분자량를 갖는 폴리유산을 얻는다. 범용수지인 PE 및 PS는 생분해성 플라스틱인 바이오폴과 비교해 충분한 강도를 가지고 있다. 이 폴리유산은 이전의 성형가공장치를 이용해 분자량저하 등의 문제를 없애고 성형을 가능케 했다. 직접법은 원료 상태로 판매되는 유산 상태로 이용이 가능하나, 락타이드법은 폴리머 그레이드의 고순도 락타이드가 필요하다. 또한 락타이드법은 모노머 등의 저분자량 불순물과 촉매가 포함되어 있어 폴리머 안정성이 낮다. 직접법은 용액에서 분리되는 동안 정제되기 때문에 불순물을 포함하지 않고 열안정성 및 내후성 등이 높다. 락타이드법 폴리유산은 시험시간 200시간이 경과되면 강도가 급격히 떨어지나, 직접법 폴리유산은 600시간을 경과해도 강도가 저하되지 않는다. 직접중합법의 특징은 공중합에 의한 새로운 폴리머가 형성되는 가능성을 들 수 있다. 이전 락타이드법은 개환중합이 가능한 환상화합물만의 공중합이 가능했으나, 직접중합법에서는 수산기와 칼복실기를 가진 하이드록시칼본산을 이용할 수 있다. 락타이드법에서는 유산에서 락타이드, 글리콜산에서 글리코라이드를 각각 합성후 혼합해서 중합함에 따라 코폴리머를 얻는다. 직접법에서는 유산과 글리콜산에서 직접 코폴리머를 합성할 수 있으며, 공업적으로 좋은 방법이다. 또한 락타이드법에서 얻은 코폴리머는 유산과 글리콜산이 2개씩 쌍으로 고분자형태로 연결되어 있으나 직접법에서 얻은 코폴리머는 유산과 글리콜산이 1개씩 순서없이 배열이 가능하며, 구조 및 물성이 다른 폴리머를 얻을 수 있다. 이러한 조합으로 투명성·유연성·내열성 등 많은 성질을 갖는 지방족 폴리에스터 합성이 가능하다. 폴리유산의 가수분해성과 효소에 의한 분해는 이전부터 알려져 있으며, 최근에는 고온에서 발효가 가능한 Compost중에서 빠르게 분해할 수 있는 방법이 개발되었다. 생분해성 플라스틱은 분해성이 요구되는 분야의 용도전개가 기대되는데 구체적으로 환경분야(농업·수산용자재, 토목·건축자재, 레저용품), 사용후 회수, 재이용이 곤란한 분야(식품포장용기, 위생용품), Compost화에 유효한 분야(일용잡화용품) 등이 주목받고 있다. 분해성 외에도 신기능재료로써 각각 특징을 살린 분야에서 용도개발이 진행되고 있다. 향후 생분해성 폴리머는 폐기물처리 시스템중에서 용도가 확대될 때까지 다양한 기능을 살린 신소재로써 석유에 의존하지 않는 재료로 시장개발을 지속함에 따라 소비자들의 인식을 얻어야 할 것으로 예상된다. 폴리유산은 투명성·안정성·저연소열·알카리 가수분해성과 섬유 실크터치·역염색성·인쇄성·향기 비부착성·강유전성 등의 물성 및 기능을 가지고 있으며, 이러한 기능을 살려 용도개발에 박차를 가하고 있다. 미쓰이도아쓰는 오는 96년1월 가동을 목표로 연산 500톤규모의 상업화 시험플랜트 건설을 진행중이다. 여기에서 생산되는 폴리유산 및 코폴리머로 시장개발을 지속, 시장규모를 수만톤 규모로 개척하고 가격은 ㎏당 300엔을 목표로 본격적으로 사업화를 조기에 달성할 계획이다.
8)"소주" 폐액으로부터 생분해성 플라스틱 생산 [출처 : 일본 日刊工業新聞 : 1996년 12월 10일]
규슈공업대학 정보공학부의 시라이 조교수 등과 마에가와 제작소(東京都 江東區 牡丹 2-13-1 사장 미사와 시로시씨 ☏ 03-3642-8181)의 공동 연구그룹은 미생물을 사용 소주 폐액으로부터 생분해성 플라스틱을 생산하는 기술을 개발했다. 소주 폐액으로부터 초산 등의 유기산을 생성, 수소 세균의 움직임에 의해 생분해성 플라스틱을 만든다. 현재 소주 폐액은 해양에 투기되고 있으나, 가까운 장래 금지될 것이 확실하다. 실용화된다면, 폐액 처리코스트의 삭감은 물론이거니와, 고가의 생분해성 플라스틱 생산의 저코스트화가 기대된다. 수소 세균이나 광합성 세균 등의 미생물은, 질소나 인 등의 영양이 없는 상태에서는 에너지원으로서 체내에 생분해성 플라스틱의 일종을 저장하는 것이 알려지고 있다. 실험에서는 소주 공장으로부터 배출된 소주 폐액을 활성오니로 염기(厭氣)처리해, 초산과 유산을 중심으로 하는 유기산을 생산했다. 유기산을 배지로 하여 수소 세균 중에 생분해성 플라스틱인 폴리β히드록시 알카노에이트(PHA)를 축적시켰다. 유기산의 총농도는 1ℓ당 15g에 이르렀으나, 1ℓ당 10g 이상의 고농도로 되면 수소세균의 증식과 PHA 축적이 저해되는 것을 알았다. 한편 농도가 1ℓ당 5g인 경우에는, 수율 30%이상에서 PHA를 축적, 비교적 저농도인 쪽이 효율적으로 PHA를 생산하는 것을 확인했다. 다만 연구그룹에서는 유기산이 고농도에서도 천천히 조금씩 배양탱크에 공급함으로서 탱크내를 PHA 생산에 적합한 낮은 농도로 유지가 되는 것으로 하고 있다. 생분해성 플라스틱은 통상의 플라스틱에 비해, 5배에서 10배 이상으로 고가인 것이 난점으로 되어 있다. 히라이 조교수 등은 소주 폐액외에 말레이지아의 밤 오일 폐액을 원료로 한 생분해성 플라스틱의 저코스트화에도 착수하고 있다. 앞으로도 균체로부터의 플라스틱의 분리방법의 저코스트화, 유기산의 제어, 플라스틱의 생산 효율의 향상 등을 검토한다. (동경사무소 제공)
9)[생명과학] ‘유전자조작식물’ 통해 플라스틱 생산
유전자조작 식물을 통해 환경친화성 플라스틱을 생산하는 기술이 미국에서 개발됐다. 미국의 ‘네이처 바이오테크놀로지(Nature Biotechnology)’지(誌)는 미국의 유명한 생명공학회사인 몬산토(Monsanto)사가 기름을 짜낼수 있는 다양한 유지종자(oilseed)에 플라스틱을 생산하는 박테리아의 유전자를 이식시켜 환경친화적 플라스틱을 제조하는데 성공했다고 밝혔다. 유전자조작 식물에서 생산된 플라스틱은 생분해성을 지닐뿐 아니라 다양한 상업적 용도로 사용될 수 있다는게 몬산토사의 설명이다. 석유로부터 제조되는 일반 플라스틱은 쉽게 분해되지 않아 환경오염의 문제점을 안고 있다. 과학자들은 오래 전부터 환경친화적 플라스틱의 제조방법을 모색해왔다. 이 결과 특정한 조건하에서 박테리아를 이용, 플라스틱을 생산하는 방법이 개발됐으나 생산단가가 비싸 경제성이 떨어지는 흠이 있다. 즉 1㎏당 1달러 정도에 그치는 보통의 플라스틱에 비해 박테리아공법으로 제조된 플라스틱은 kg당 가격이 최소 3~5달러다. 게다가 잘 부숴진다는 물성상의 약점도 있다. 이에 대해 몬산토사의 과학자들은 유전자조작 식물을 생산공장으로 해서 만들어낸 플라스틱은 박테리아로부터 생산한 플라스틱과는 달리 상업적 용도에 적합한 물성을 지니고 있다고 설명했다. 박테리아는 탄소를 먹이로 하기 때문에 글루코스(glucose)형태로 곡물로부터 탄소를 공급해 주어야 하는데 비해 이 유전자조작식물들은 공기중으로부터 직접 탄소를 취하기때문에 제조단가가 상대적으로 낮아진다는 것. 그러나 이 플라스틱은 현재 수율이 3%로 낮아 고수율을 얻는 것이 몬산토사의 다음 목표다. 그러나 과학자들은 과거에도 이 회사의 생분해성 플라스틱 개발프로그램들이 실패로 끝난 적이 있어 실용화의 단계까지 가는게 불가능하지는 않지만 쉽지는 않을 것으로 내다보고 있다.
( 소스 : http://biotech.nature.com/)
10) 환경을 생각하는 생분해성 소재 - TPS
산업화가 진행되면서 각종 비닐, 플라스틱 용기 등 썩지 않는 물건들이 주변을 뒤덮고 있다. 처음에는 그런 것들이 그저 편리하고 좋았지만 갈수록 산과 들이 오염이 되어 우리 생활을 위협하고 있다. 요즘에는 시장보러 갈 때 장바구니를 들고 가는 사람들도 많지만 물건을 살 때 불가피하게 따라오는 포장지들도 많다. 그렇다고 안 살 수도 없고............ 이 같은 포장지 쓰레기는 많은 시간이 지나도 썩지 않아 많은 문제를 일으키고 있다. 그런데 이런 것을 조금이나마 보완해 줄 수 있는 것이 바로 잘 썩는 물질로 만든 포장재인 것이다.
<우수한 생분해성을 자랑하는 TPS>
최근 전분을 이용한 환경소재 TPS (Thermo plastic Starch. 열을 가해 모양을 마음대로 변형할 수 있는 열가소성 전분)가 大象(주) 중앙연구소에서 개발되었다. TPS는 大象(주) 전분당사업본부에서 생산하는 일반 전분에 물리·화학적 처리를 하여 기존 플라스틱처럼 열에 의해 모양을 마음대로 만들 수 있는 성질을 부여한 새로운 전분이다.물론 ‘다른 환경소재도 많이 있지 않은가?’라고 반문하는 사람도 있을 것이다. 지금까지 나온 생분해성 수지들은 가격이 너무 비싸 실용화하는데 부담이 컸다. 그런데 여기에 가격이 저렴한 전분을 혼합하면 그 가격을 낮출 수 있다. 즉 전분을 많이 섞을수록 제품 가격이 싸진다. 하지만 지금까지 섞어 왔던 전분은 그것의 고유한 특성으로 인해 플라스틱으로 가공할 때 열가소성이 없고, 고온에서 쉽게 탄화(炭化)된다. 따라서 전분을 포함한 생분해성 플라스틱의 경우 열을 이용해 형체를 만들기가 쉽지 않아 상품성이 낮았다. 물론, 사용량 및 용도 등에도 한계가 있어 다양하게 이용되지도 않았다. 그런데 大象(주)에서 개발한 TPS의 경우 이런 단점을 보완하여 잘 썩는 특성은 그대로 남기고 물성은 높여 상품성을 높였다. 뿐만 아니라 가격도 저렴해서 일반제품에 이용하기가 훨씬 수월해 졌기 때문에 한 차원 높은 원재료인 것이다. 쓰임새도 다양하다. 각종 비닐봉투 같은 필름에서부터 일회용 스푼, 포크, 수저, 골프 티, 각종 용기류 등 플라스틱 성형제품에 쓰일 수 있다. TPS는 향후 사용될 썩는 쓰레기 종량제 봉투의 생분해성 원료(상품명 - 바이오닐)로 실용화할 예정이며 이외에도 가전제품 등의 파손을 방지해 주는 포장용 완충재까지 응용할 수 있는 곳이 많다.
<세계에서 몇 안되는 TPS 콤파운딩 기술 확보>
이 꿈의 소재를 개발하기 위해 93년부터 옥수수 전분을 이용한 환경소재 개발에만 끈질기게 매달린 끝에 드디어 결실을 본 것이다. 초기에는 전분입자가 수지입자에 비해 큰 탓에 필름 표면이 호박잎처럼 우둘투둘 해지기도 했다. 때문에 곱게 가루로 만들어 결합시켜보기도 했지만 어려운 것은 마찬가지. 결국 밥처럼 옥수수 전분을 쪄서 넣은 결과 지금의 모양이 만들어 졌다고 한다. 따라서 두 물질이 잘 섞이게 하는 기술(콤파운딩 기술)이 TPS의 핵심으로 현재 大象(주)에서는 썩는 비닐 제조시 TPS를 50%까지 섞을 수 있는 기술개발을 완료한 상태이다. 大象(주) 중앙연구소 제 3연구실의 7명의 책임연구원이 함께 개발해 낸 TPS는 이탈리아, 독일 등 환경소재 관련 해외 선진 업체 중 소수만이 완벽한 제조기술을 보유하고 있다. 현재 大象(주) 중앙연구소에서는 이 제조 기술을 확립하여 생분해성 플라스틱 제품에 다양한 용도 적용을 위한 응용실험 중에 있다. 점차 환경오염 문제가 심각해지는 이 때, 大象(주)는 전분을 이용한 환경소재의 개발 및 용도 확대를 위해 연구개발 및 투자를 지속하여 환경보전에 적극 참여하는 환경기업으로서의 역할을 다할 것이다.
11) 식물에서 플라스틱을 만들어 낸다
바이오텍 분야의 거인인 「몬산토」사가 유전자 조작으로 플라스틱을 생산하는 식물을 만들어냈다고 발표했다. 생산된 플라스틱은 생분해성을 지닐 뿐 아니라 다양한 상업적 용도로 사용될 수 있다고 한다. 현재 이 플라스틱의 생산은 실험실적으로 이루어지고 있으며 사용되는 식물은 유전자 변형된 유지종자(oilseed)로서 개구리자리류(rape)와 평지(cress)로 이러한 연구결과는 'Nature Biotechnology'誌에 발표되었다.석유로부터 제조되는 일반 플라스틱들은 쉽게 분해되지 않는반면 이 식물에서 추출한 플라스틱은 소재를 작물 내에서 합성하고 있어 재생가능(renewable) 방식으로 생분해성 플라스틱을 생산할 수 있을 뿐 아니라, 작물에 새로운 특성을 부여함으로써 부가가치를 높일 수 있다고 한다. 과학자들은 오랜 동안 보다 환경친화적 플라스틱의 제조방법을 모색해 왔다. 특정한 조건하에서 박테리아를 이용하여 플라스틱을 생산하는 방법이 개발되었으나 이 공정은 비용이 많이 드는 단점이 있다. 즉, kg당 1불 정도에 그치는 보통의 플라스틱에 비해 박테리아 공법으로 제조된 플라스틱은 kg당 가격이 최소 3-5불이다. 게다가 잘 부숴진다는 물성상의 약점도 있다. 이에 대해 몬산토의 과학자들은 박테리아 대신 유전자 조작을 거친 식물을 사용하였다. 그들은 플라스틱을 생산하는 박테리아의 네 유전자를 다양한 유지종자 식물들에 이식하였다. 이로써 식물들은 플라스틱을 생산하는 공장이 되었으며 생산된 공장은 식물로부터 추출하면 되었다. 이 플라스틱은 박테리아로 생산한 플라스틱과는 달리 상업적 용도에 적합한 물성을 지니고 있다. 또한 박테리아는 탄소를 먹이로 하며 이 탄소는 글루코스 형태로 곡물로부터 공급되는데 비해 식물들은 탄소를 공기중으로부터 직접 취하기 때문에 플라스틱의 제조단가는 상대적으로 낮다. 그러나, 플라스틱의 수율은 현재 3%로 매우 낮아 이 방법을 개량하여 고수율을 얻는 것이 몬산토의 다음 목표라고 밝히고 있다. 이러한 작업을 쉽지많은 않은 일로 보고 있는 과학자들은 과거 몬산토와 「제네카」(Zeneca)사가 시도했던 여러 생체플라스틱 개발프로그램들이 실패로 끝난 바 있음을 예로 들고 있다
12)키틴과 바이오 플라스틱키틴(chitin)은 게, 크릴 새우 등 갑각류의 껍데기를 구성하고 있는 성분이다. 키틴 분자 중합체의 결합 모양은 섬유소 분자와 흡사하다. 또 녹말이나 섬유소와 같은 천연 고분자 화합물이고, 지구상의 존재량도 섬유소량과 거의 같아 많은 주목을 받고 있는 물질이다.섬유소의 이용 범위가 다양하므로 키틴은 섬유소를 대신하여 매우 유용한 소재로 개발될 수 있을 것이다. 또한 키틴을 합성 고분자 화합물에 첨가하면 환경 오염을 방지할 수 있는 이른바 바이오 플라스틱(bio-plastic)을 제조할 수 있을 것으로 기대된다.바이오 플라스틱이란 합성 수지의 특성을 모두 갖추고 있으면서 자연적으로 분해되도록 만든 물질을 말한다. 현재 자외선에 의해 분해되는 광분해성 플라스틱, 미생물에 의해 분해되는 생분해성 플라스틱, 합성 수지에 녹말 등의 천연 고분자 화합물을 섞어 만든 생붕괴성 플라스틱 등 세분야에서 연구가 진행되고 있으며, 이미 실용화되어 있는 제품도 있다.합성 고분자 화합물의 폐기물에 의한 환경 오염 문제를 해결하는데 바이오 플라스틱의 개발은 희소식이 아닐 수 없다.
13)나무로 플라스틱 만든다
1996. 6. 18 기사검색 / 중앙일보
"나무로 플라스틱을 만든다". 나무에서 물고기를 구하는 것만큼이나 황당한 얘기같지만 첨단유전공학기술이 이를 현실로 만들어가고 있다. 산림청 산하 임목육종연구소 생물공학과 노은운(盧銀雲·44)박사팀은 포플러로 생분해성 플라스틱(PHA)을 생산하는 기술을 개발,완료단계에 접근하고 있다. 盧박사팀은 토양에 존재하는 박테리아를 이용해 박테리아 유전자중 PHA 생성에 관여하는 유전자만을 추출해 포플러에 이식시킴으로써 포플러에서 PHA를 생산하도록 한다는 계획 아래 지난해 5월 연구를 시작했다. 이는 식물의 광합성과 PHA생성 박테리아의 신진대사활동이 유사한 체계를 갖고 있기 때문에 가능하다. 실제 94년 미국 미시간주립대에서 냉이 크기의 1년생 식물인아라비돕시스에 박테리아 유전자를 이식해 PHA 생산에 성공한 바 있다. 盧박사팀은 이 기술을 적용,지속적으로 수확이 가능한 포플러를대상으로 생분해성 플라스틱을 개발하고 있는 것이다. 현재 박테리아의 PHA 생성에 관여하는 3개의 유전자를 분리해 이를 포플러 세포에 이식을 완료하고,이를 배양하는 작업을 진행중이어서 9월께 PHA 포플러 묘목이 탄생할 것으로 전망된다. 이를 키워 베어낸후 잎과 가지를 말려 유기용매로 추출하면원료인 PHA만을 얻게 된다. 盧박사팀이 이 연구에 나서게 된 것은 박테리아를 이용해 생산한 PHA 가격이 일반 플라스틱에 비해 20배 가량 비싸기 때문.현 기술 수준으로는 1㎏의 PHA를 만들려면 2㎏의 포도당을 박테리아에 제공해야 하므로 싸게 만들기 힘들다 .盧박사는 『포플러 묘목의 PHA 건중량(乾重量·마른 잎과 가지 무게 대비 PHA 생산량)을 확인해야 채산성을 가늠할 수 있겠지만 포플러는 베어내도 매년 3크기로 자라기 때문에 박테리아를 직접 이용하는 것보다 훨씬 싸게 PHA를 생 산할 수 있을 것』이라고 내다봤다. 이는 토양에 존재하는 알칼리젠스나 수도모니아등의 박테리아에 의해 자연 분해돼 오랫동안 썩지 않아 환경문제가 되고 있는 기존의 플라스틱 문제를 해결할 수 있는 신소재이다. 이들 박테리아는 포도당을 원료로 PHA를 만드는 신진대사 활동을 하기도 한다.
14)커피콩 깍지로 만든 플라스틱
커피의 콩껍질은 그대로 방치해 두면 부패하여 불쾌한 냄새를 풍긴다. 그래서 브라질의 경우는 말할 것도 없고 중간 규모의 생산국인 코스타리카의 경우도 커피콩 껍질의 처분 문제로 머리를 앓고 있었다. 이들은 이 폐기물 처리 문제를 놓고 여러 선진국 연구진과 함께 공동 연구에 착수한 결과 갑진 플라스틱으로 재생할 수 있는 길이 열리게 되었다. 그런데 커피콩 껍질에는 리그닌이라고 불리는 성분과 셀룰로오스가 많이 포함되어 있어 잘만 처리하면 플라스틱화 할 수 있다는 사실이 오래 전부터 알려져 있었다. 최근 일본 공업기술원 제품과학연구소의 하타야마 수석 연구원 팀은 석유로 만든 폴리에틸렌이나 염화비닐보다 품질이 우수한 열가소성 플라스틱 제품과 다름없이 사용할 수 있게 된다. 그 방법은 우선 커피콩 껍질을 섭씨 1백10도로 하루 동안 말린다. 그 다음 공정은 두 가지가 있다. 그 중의 하나는 에테르 처리인데 콩껍질을 약품으로 알칼리 처리를 한 뒤 섭씨 1백 10도에서 휘저으면서 염화벤질과 반응을 시키는 방법이다. 다른 하나의 방법은 에스케르 처리법이다. 이 방법은 과염소산 촉매를 사용하여 콩껍질을 무수아세느산과 반응시키는 공정이다. 이렇게 처리된 콩껍질은 반응이 끝난 뒤 정제하여 말린다. 그러면 플레이크 모양의 플라스틱이 되는데, 이 플라스틱의 인장 강도는 평방센티미터당 40킬로그램이고, 탄성율은 평방센티미터당 30이다. 또한 폴리에틸렌을 포함한 범용 플라스틱과 거의 같은 재료적 특성을 갖는다는 것도 밝혀졌다. 한편 생산 원가는 사용하는 약품의 가격에 차이가 나기 때문에 에테르화 처리를 하는 편이 싸게 먹힌다. 화학품을 원료로 하는 보통의 열가소성 플라스틱보다는 약간 더 비싸게 먹히는 것은 어쩔 수 없다. 그러나 지금까지는 별 쓸모가 없어서 버려야만 했던 콩껍질을 다시 이용할 수 있다는 점을 생각할 때, 이것은 큰 문제가 아닌 것으로 보인다. 더욱이 오염 문제가 심각한 사회 문제로 등장하고 있는 오늘날 커피콩 껍질을 원료로 하는 이 플라스틱은 생분해될 수 있다는 장점도 갖고 있다. 이 플라스틱은 식물 자원 속에 포함되는 폐놀 구조를 가진 리그닌과 대표적인 다당류인 셀룰로오스로 되어 있기 때문에 토양 속에 방치해 두면 분자의 사슬은 땅속의 미생물에 의해 파괴되어 분해되는 성질(생분해성)을 갖고 있다. 이 연구팀은 이어서 일본 정부의 지원을 받아 커피 콩깍지를 우레탄화하는 연구 사업에 착수했다. <하이테크달걀, 동아출판사, p189> 15) 3달만에 분해 가능한 생분해성 물질 개발
환경을 오염시키지 않으며 분해되는 상업용 포장을 생산하는 저렴한 방법이 개발되어 관심을 얻고 있다. 이 재질은 플라스틱처럼 강하고 물에 저항성이 있으면서도 매립지나 땅속에서 완벽하게 생분해 된다. 이스라엘의 하이파(Haifa)에 위치한 작은 벤처기업인 Rademate사는 재생가능하며, 플라스틱 쓰레기를 대체할 수 있는 '빠르게 생분해되는 혐수성 물질' (rapid biodegradable hydrophobic material, 이하 RBHM)을 개발하였다. RBHM은 종이나 카드보드와 같은 셀룰로스로 제작된 상품을 강하게 하고 방수성을 가지도록 플라스틱처럼 코팅할 수 있다. 러시아에서 이주해 온 이 회사의 기업가이며 과학자인 Michael Ioelovich 박사는 이 재질이 펄프에 기초하고 있으며, 셀룰로스 기초가 생물에서 얻어진 물질처럼 거동하게 만들고 땅속의 효소 반응에 의해 분해되도록 중합체 화합물과 조합하였다고 밝혔다. RBHM은 이스라엘과 미국에서 특허권을 획득했고, Rademate는 자사의 물질에 관심이 있으며 전략적 동반자가 될 의향이 있는 몇몇 국제 기업들과 협상을 진행중이다. 이 회사에 따르면, 미국의 종이 포장과 상자 시장만으로도 내년에 430억불정도가 될 것으로 추산되며, 전세계적으로 환경보호법에 의해 산업에서 환경친화적인 재질을 사용하도록 압력 받고 있어서, RBHM의 시장 잠재력이 엄청나다고 한다. 사실상 영원히 사라지지 않는 플라스틱과 달리, 이 새로운 물질은 재순환 될 수 있으며, 버려지면 쓰레기장에서 2∼3달만에 분해가 된다. 또한, 이 물질은 미국이나 유럽의 중합체 생산회사가 개발한 다른 생분해 물질에 비해 상당히 저렴하다는 장점을 가지고 있다. 환경에 가장 흔한 유기 물질인 셀룰로스를 기초로 하기 때문에, 이 물질의 제작에 기존의 종이와 펄프 산업에서 사용되는 기기를 그대로 사용하여, 종이를 제작하는 것보다 약간 비싼 가격으로 생산체계를 갖출 수 있다고 한다. 이에 반해 다른 생분해 물질은 종이 제품에 비해 2배나 비싸다. 이 물질이 사용될 수 있는 제품들 가운데는 쓰레기 봉투, 화학품과 비료를 위한 포장 재질, 퇴비 봉투, 일회용 컵, 접시와 기저귀가 있다. Rademate의 프로젝트 메니저인 Giyora Herman은 다른 생분해 중합체들은 매우 비싸고 일반적으로 튼튼하지 않으며 물에 저항성이 없어서, 전체 포장 재질의 1%정도에 사용되고 있다고 언급했다.
16)'콩으로부터 생분해성 플라스틱 제조'식품 포장용기 소재로 사용 가능
미국 아이오와즈립대(ISU ; Iowa State U.)의 한 과학자가 콩을 주원료로 환결친화적인 플라스틱을 제조하였다. ISU 식품학 교수 제이린 제인(Jay-Lin Jane)은 지난 9년간 이 프로젝트에 몰두한 결과 최근 획기적인 진전을 이루었다고 한다. 이 프로젝트의 연구비 대부분은 아이오와 콩 장려위원회 (Iowa Soybean Promotion Board)가 지원해 왔다. 소비자용 콩플라스틱(soybean plastic )의 개발을 위해 ISU와 함께 공동연구를 하고 있는「소이 윅스」사(Soy Works Corp)는 이 생분해성 플라스틱이 내년 말이면 즉석 식품점용 음식포장용기, 수저, 골프티 등의 소재로 사용될 수 있을 것이라고 말했다. 콩플라스틱의 가장 큰 장점은 땅에 묻힐 경우 14일이면 분해된다는 것이다. 또 바닷물 내에서도 신속히 분해된다. 이 플라스틱의 잠재시장은 현재 석유에 기초한 플라스틱들로 만들어지는 일회용 제품들을 대체하는 것으로, 그 생분해성으로 인해 플라스틱 폐기물 들의 매립비용을 줄여 줄 것으로 기대된다. 「쏘이 윅스」의 회장 로이 테일러는 이 플라스틱으로 제조된 제품이 호주에서 가장 먼저 선보이게 될것 같다고 말했다. 한 업체가 2000년 시드니올림픽게임에 콩플라스틱 제품을 사용하는데 관심을 보이고 있기 때문이다. 테일러는 콩플라스틱의 초기 수요가 콩 수백만 부셸(주:36리터에 해당)을 필요로 할 것이라고 예측한다. 현재 석유를 기초로 하는 플라스틱은 미국에서만 매년6백억 파운드 이상 생산되고 있으며 이 전통적인 플라스틱들이 분해되는데는 100년이 걸린다.
3.결론
분해성 플라스틱은 CO2와 H2O로 완전 분해하는 것과 일부 붕괴하는 것 등으로 그 분해 방법이 다양하다. 분해성 플라스틱은 광 분해성, 생 분해성, 천연 고분자 등으로 나눌 수 있다. 현재, 생 분해성 플라스틱은 그 가격이 종래의 합성 폴리에틸렌 등의 값보다 비싸서 그 제조 비용의 절감도 과제 중의 하나이다. 그러나 생 분해성 플라스틱은 그 수요가 늘어날 것으로 전망되며, 대량으로 생산하면 값이 떨어질 것이다.생분해성 고분자는 의료, 농업, 어업, 상품의 포장 재료, 세탁제, 윤활유 그리고 섬유나 종이의 가공제 등으로 다양하게 개발될 것이며, 영국의 ICI사에서는 1990년부터 샴푸가 제품화되고 있다.현재 각 기업들은 특징적인 생분해성 플라스틱을 개발하고 있는 가운데 용도에 적합한 재료를 제공하고 있으며, 여러 종류의 재료가 시장에 유입되면서 재료의 새로운 사용법이 개발되고 환경문제 및 폐기물문제를 해결하기 위한 시스템도 정비될 것으로 전망된다. 또한, 지난 95년 6월에 "용기포장에 관련된 분별적인 수집 및 재상품화 촉진 등에 관한 법률"도 제정되었다. 생분해성 플라스틱에 대해 지금까지 5년동안의 현황을 분석한 결과, 재사용을 의무화하고 필요에 따라 일반 플라스틱에 부과돼야 할 처리비를 면제하여 생분해성 플라스틱의 시장확대를 꾀해야 한다는 움직임이 대두되고 있다. 따라서 향후 생분해성 플라스틱은 필수소재로 자리잡을 것으로 전망된다. 이상에서 본 내용들과 같이 앞으로는 이런 분해성 플라스틱들이 자원의 효율화와 환경 보존의 차원에서 더욱더 적극적인 연구와 개발이 이루어져야 할 것이다.