제3장 바이오매스 플라스틱의 현장과 생산, 기술동향, 장래 전망 (5) 비 식용 다당류를 사용한 바이오매스 플라스틱의 개발 사례

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3. 비 식용 다당류를 사용한 바이오매스 플라스틱의 개발 사례

상술의 변성 전분 복합재를 시작으로, 대부분의 바이오매스 플라스틱에서는, 식용의 다당류인 전분 등을 바이오매스로서 사용하고 있기 때문에, 장래의 식량 문제의 염려 때문에, 앞으로는, 비식용으로 안정 공급성이 있는 바이오매스의 사용이 중요하다.

목재 유래의 비식용 다당류인 cellulose는 제1 후보이고, 종이용 펄프로서 저가로 생산되고 있다. 이것을 사용한 cellulose계 바이오매스 플라스틱은 석유 플라스틱보다 전부터 생산되고 있다. 이것은, cellulose에 단쇄(短鎖) 지방산(초산 등)을 부가하는 지방산 cellulose ester화 하는 것으로 제조되고 있고, 그 구조에 의해, 결국 glucose 고리 내의 수산기를 전부 ester화 하지 않고, 적절하게 잔존(~20mol %)시키면 양호한 해양 분해성을 나타낸다. 하지만, 열가소성의 향상을 위해, 통상적으로는 대량의 가소제가 첨가되고 있고(20wt% 이상), 그 결과, 내열성이나 강도, 내수성이 불충분하다. 또한, cellulose는 강고한 결정 구조이기 때문에, 단쇄 지방산과 반응시킬 때, 대량의 특유한 유기 용매가 필요하게 되고, 이 용매의 회수, 재이용까지 들어가면, 제조 에너지가 크게 되어 높은 코스트로 되고 있다.

이것에 대해서 필자들은, 새로운 구조의 cellulose계 바이오매스 플라스틱과, 이 대폭적인 에너지 절감화가 가능한 제조 프로세스를 개발하였다. 즉, 천연 장쇄(長鎖) 성분으로서, cashew cut의 주성분인 carnanol의 변성물이나 stearic acid와, 단쇄 지방산(초산 또는 propionic acid)를 cellulose에 부가하여, 장쇄, 단쇄 지방산 cellulose ester 합성하고, 열가소성, 강도, 내열성, 내수성을 대폭 개량하였다. 상기와 같이, 이들의 부가량을 조정하는 것으로, 해양 분해성도 실현 가능성이 있다(도7).

도7. 장쇄, 단쇄 지방산 부가, 다당류계 바이오매스 플라스틱의 구조와 대표 물성

또한, 종래보다도 현격히 적은 량(약 1/6)의 특유한 용매를 사용하는 “불균일계 합성 프로세스”에 의해, cellulose에 장쇄, 단쇄 지방산을 부가하여 바이오매스 플라스틱을 제조하는 기술을 개발하였다(도8). 이 프로세스에서는, 용매량이 적기 때문에, 합성 반응의 초기는, cellulose(펄프 가루)가 용매에 팽윤한 상태(불균일계)로 되는데, 반응이 진행되는 끝에, 용매에 생성물이 반용해한 상태(반 불균일계)로 된다. 이 때문에, 최종적으로는 꽤 균질한 바이오매스 플라스틱을 얻을 수 있고, 강도나 내열성, 내습성 등의 물성을 양호하게 유지 가능하다. 이 결과, 이 불균일계 프로세스는, 유기 용매량의 삭감화에 의해, 제조 에너지를 대폭으로 삭감 가능하고, 이산화탄소 배출량은, 에너지 절감화를 달성하고 있는 PLA의 수준을 실현하였다(약 1.5kg CO2/kg) (도9). 게다가 조류 유래의 비식용 다당류(paramylon)을 이용하여도, 이 반 불균일계 프로세스에 의해 바이오매스 플라스틱(장쇄, 단쇄 지방산 paramylon ester)를 제조 가능하고, 이 scale up도 실증하였다(생산 scale: 년간 1톤 수준).

앞으로, 이러한 에너지 절감 제조 프로세스에 의해, 비식용 다당류계의 바이오매스 플라스틱의 본격적인 양산화와 저 코스트화가 실현되면, 이산화탄소 삭감과 해양 오염 대책에 기여 가능하다고 생각한다.

도8 반 불균일계 합성 프로세스에 의한 cellulose계 바이오매스 플라스틱(장쇄, 단쇄 지방산 cellulose ester)의 에너지 절감 제조

도9 반 불균일계 합성 프로세스에 의한 제조 시의 이산화탄소 배출량의 삭감 (* 사용하는 유기 용매량, 약제량 등으로부터 계산)