Novomer사는 이러한 촉매 특허 기술과 함께 공정 설계 기술을 통해서 파일럿 규모에서 저비용으로 P(3HP)를 제조할 수 있음을 보여주었다. Novomer사는 20여명의 직원을 거느리면서 100개 이상의 특허 기술을 가지고 있으며 140개 이상의 특허가 출원 중에 있다. Novo22™라고 이름 붙여진 촉매 기술은 수율과 선택성이 높아서 폐기물이 덜 발생하고, 분리가 용이하며 다른 화학공정에 비해서 공정 설비가 더 작다는 장점을 가진다. 이러한 촉매 기술은 낮은 온도 조건에서 공정의 운전이 가능하며 건설비용도 더 낮다.

이러한 Novomer사의 화학 촉매에 의한 PHA의 합성 기술은 미생물에 의한 PHA를 생산하는 Danimer사에게는 보완적인 기술이라고 할 수 있다. Novomer사의 화학적 방식에 의해 생산되는 P(3HP)는 기존의 미생물 생산 기반의 PHA와는 다른 성질을 가지고 있다.

Novomer사의 P(3HP)는 Danimer사의 대표적인 미생물 생산 PHA 제품인 NodaxⓇ와 함께 PHA 계열의 플라스틱 레진으로서는 상호보완적이라고 할 수 있다. 이러한 인수는 다음의 세 가지 효과를 창출하게 될 것이다 - 1. PHA  생산비용 감소 2. 발효공정 PHA 생산의 단점인 스케일업 문제 해소 3. 제공 가능한 PHA 그레이드의 다변화로 적용가능 제품군 증대. 미생물 발효에 의해 생산되는  PHA의 높은 시설비용(Capex)과 생산비용(Opex) 발생에 의해서 예정된 공장의 증설이 연기되는 경우가 종종 있다. Novomer사 공정의 인수와 이 공정에 의한 PHA의 생산은 기존 발효공정 보다 생산비가 저렴할 것으로 보여 제조원가가 낮아진다는 장점과 이 공정을 통해 PHA를 생산하게 되면 기존 발효공정 기반인 Danimer의 생산 공정보다 생산비가 저렴하여 제조원가가 낮아지고 대량생산에 유리하게 될 것으로 보인다.

Novomer사는 기존에 지방족 폴리카보네이트를 합성할 때 비싼 촉매를 썼던 것과는 달리 실험실에서 제조가 가능한 비귀금속 촉매를 사용하면서도 낮은 온도와 압력에서 반응이 될 수 있도록 했다. 또한 바이오 기반(재생가능) 원료도 적용할 수 있는 유연성을 가지고 있다. 이러한 Danimer사의 Novomer사 인수 합병은 중장기적으로 PHA 생산의 Scale-up과 NodaxⓇ 적용 제품개발에 힘쓰고 있는 Danimer가 최종제품 고객 파트너십을 확보하고 PHA시장의 확장을 선도하는 발판이 될 것으로 예상된다.

EU와 영국을 비롯한 수많은 나라에서 비슷한 플라스틱 규제 정책을 발표하거나 시행하고 있다. 최근 EU에서 EU Directives가 적용되어 SUP(Single Use Plastic)의 사용이 전면 금지된다. 캘리포니아주에서도 법안이 마련되어 일회용 플라스틱 사용이 금지된다. 캘리포니아 법안에서는, 2032년 1월 1일에는 모든 대상물질을 주 내에서 재활용 혹은 퇴비로 사용할 수 있도록 규정했다. 2028년 1월 1일부터는 포장 재료의 30% 재활용, 2030년 1월 1일까지 40% 재활용, 2032년 1월 1일까지 65%의 포장재를 재활용 하도록 했다. 캘리포니아주의 SB43법률은 세계에서 가장 포괄적인 플라스틱 관련 법률이라고 여겨진다. 여기에 생분해성/Bio-Based 플라스틱이 모두 포함되기에 유럽 생분해성 플라스틱 시장에 찬물을 끼얹었다는 평이 있으나, 50um 이하의 필름류는 포함되지 않아 다음번 발표되는 EU Directive 2027까지는 필름 형태의 PHA 생산이 용이한 Danimer의 mcl-PHA가 더 각광을 받을 것으로 보인다.

Danimer사가 생산하는 PHA계열 NodaxⓇ는 성능이 우수하며 생분해성의 특징을 갖고 있어서 다양한 응용이 가능하다. P(3HP)는 차단 특성이 개선되고 가격이 저렴한 특징을 가지고 있다. Novomer사의 P(3HP)기술을 Danimer사의 기존 제품들과 결합하여 다양한 고객의 필요를 채울 수 있는 유연성을 갖게 될 것이고 가격도 더 저렴하게 생산할 수 있을 것으로 기대된다. Danimer사는 플라스틱 레진의 생산에 필요한 발효 생산량을 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있다. 한편 Danimer사는 원래 계획했던 조지아주의 Bainbridge에 건설 계획을 수정하여 Novomer사의 생산 시설을 확대할 것으로 보인다.

이로써 Danimer사는 계획했던 시설 투자비용을 줄이면서도 제품 생산 능력을 확대할 수 있게 될 것이다. Danimer사는 제품 가격을 개선하기 위한 잠재적인 기회들을 보면서 미래의 계획을 평가하고 있다. 동시에 늘어가는 고객의 수요를 맞추기 위해서 생산 능력을 확장하는 것에서 유연성을 유지하고자 한다. 지속적으로 생산비용을 낮추면서 자본 투자를 줄이고 생산 능력을 확대하는 것에 계속 집중해 나갈 것이다. Danimer사는 Novomer사의 P(3HP)에 대해서 생분해성 테스트를 통해 인증 작업을 해나가고 있다. Novomer사의 P(3HP) 생산 기술은 기저귀나 여성용 용품에 사용되는 SAP의 원료가 되는 아크릴산을 생산할 수 있다. Novomer사는 ‘CoEth’ 라는 특허 기술을 사용하여 BPL과 유도체들을 개발해 나갈 것이다.

Novomer사의 특허 기술은 촉매, 공정 기술 그리고 고분자 반응 기술을 통해서 중간체, 퇴비화 가능한 고분자 그리고 고기능성의 락톤 화합물을 제공하게 될 것이다. 

Novomer는 코넬대학교의 Geoffrey W. Coates 교수의 연구 그룹의 기술로부터 창업되었다. Scott Allen, Anthony R. Eisenhut와 함께 창업한 회사의 핵심 기술은 촉매 기술로서 이산화탄소와 일산화탄소에 들어 있는 탄소를 기존의 방법보다 훨씬 낮은 온도에서 반응이 일어나도록 하는 것이다. Allen은 Coates 교수 그룹의 대학원생이었으며 Eisenhut는 코넬대학의 졸업생으로서 회사의 재정 지원을 확보하는 역할을 했다.

2014년 10월에는 독일의 Jowat AG가 Novomer사의 새로운 폴리카보네이트 고분자 Converge를 hot-melt adhesive에 적용했는데 이는 전통적인 제조 방법에 비해서 석유화학 원료를 50% 대체하는 것으로 탄소발자국을 줄이면서도 성능과 가격 면에서 뛰어난 장점을 가졌다. 이러한 공로를 인정받아 2015년도에 미국화학회로부터 스타트업에 의한 산업화에 기여한 과학자에게 수여하는 Kathryn C. Hach상을 수상했다. Novomer사에 투자한 회사들에는 Saudi Aramco, SABIC, DSM과 같은 화학 회사뿐 아니라  

Flagship Ventures, OVP Ventures, Physic Ventures 투자사들도 있다.

3. PHA계열 생분해성 플라스틱에 참여하는 LG화학의 3HP와 PLH 공중합체

2021년 11월 GS칼텍스와 LG화학은 생분해성 플라스틱 원료인 3-hydroxypropionic acid : (3-하이드록시프로 피온산)양산 기술 개발 및 시제품 생산을 위한 공동개발협약(JDA)을 체결했다. 2,3-butanediol (2,3-BDO)의 친환경 미생물 기반 생산 공정을 개발하여 2019년부터 생산• 판매하고 있는 GS칼텍스의 공정 설비 기술력과 오랜 연구개발을 통해 3HP의 미생물 기반 생산에 성공한 LG화학의 발효 생산 기술의 시너지를 통해 탄소중립 및 순환경제, 미세 플라스틱 이슈 해결 등에 기여할 것으로 기대된다.

LG화학은 ‘2050년 넷제로’를 목표로 100% 재생에너지 전환, LCA(Life Cycle Assessment, 환경전과정평가) 수행, 책임 있는 자원 조달 정책 운영, 이산화탄소 전환 기술 개발 등의 노력을 통해 공급망 전반에서 탈탄소 전략을 실현하고자 한다. 기업에 있어 중요하게 부각되고 있는 ESG(Environment• Social • Governance, 환경 • 사회 • 지배구조) 경영을 추구하는 LG 그룹이 LG화학을 중심으로 ESG 경영의 기틀을 적극적으로 마련하며 탄소중립 성장에 대한 포부를 밝히며 2050년 탄소 배출량을 2019년 수준으로 억제하겠다고 선언했고, 생분해성 플라스틱과 같은 친환경 신소재 개발은 앞으로도 LG화학의 전략 기술로써 활발하게 진행될 것이다. 이러한 노력 가운데 LG화학은 오랜 연구 개발을 통해 이룩해 온 PHA 계열의 공중합체인 PLH(Poly Lactate 3-Hydroxypropionate)의 개발에 매진하고 있다. 관련 특허 (공개번호 10-2019-0108892)에서 명시한 ‘미생물을 이용한 폴리(3-하이드록시프로피오네이트-b-락테이트) 블록공중합체’에서 PLH 미생물 생합성에는 3HP가 필요한데, 양사가 3HP 미생물 기반의 생산 공정 개발을 위하여 협력 관계를 구축한 것이다. 

LG화학에서 개발한 3HP는 신규 생분해성 원천 소재 원료로, 바이오매스로부터 미생물 발효를 통해 생산되는 친환경 물질이다. 전 세계적으로도 바이오매스를 이용하여 3HP에 대한 기술개발 시도는 있었으나 아직까지 상용 • 상업화된 사례는 없다. 3HP는 일찍이 DOE에서 바이오 매스로부터 생산할 수 있는 12가지 우선 순위 플랫폼 화학물질로 선정되었다. 이 플랫폼 화학제품의 생산을 위해서 Cargill, Novozymes, BASF 등에서도 도전했지만 대량 생산에 성공하지 못했다. 3HP는 현재 석유화학 원료로부터 생산되는 아크릴산의 전구체로도 사용될 수 있는 범용 화학제품이나 미생물 발효에 의한 생산에 있어서 많은 비용과 기술적 도전을 가진 분리 정제의 문제가 산업화를 어렵게 하는 요인이 되는 것으로 보인다. 국내에서는 UNIST의 박성훈 교수가 노루홀딩스와 함께 3HP의 상업화를 위해 협력하고 있다고 보고되고 있다. UNIST의 연구팀은 글리세롤을 원료로 3-HP를 생산하는 균주와 공 

정을 개발해 왔고, 개발된 기술은 수요기업인 ㈜노루홀딩스에 기술 이전했다.

3HP는 생분해성 플라스틱뿐만 아니라 기저귀, 도료, 점/접착제, 코팅재, 탄소섬유 등 여러 범용 화학제품을 바이오제품으로 대체할 수 있는 시장 성장 가능성이 높은 물질이다. 양사는 2023년부터 3HP 시제품 생산을 통해 생분해성 소재 및 다양한 바이오 플라스틱 시장 진입을 가속화할 계획이다. 이와 함께, 향후 화이트 바이오 분야 전반에 대한 협업 및 지속가능한 바이오 생태계 실현 방안에 대해서도 적극 논의하기로 했다. 화이트 바이오란 재생 가능한 자원으로부터 기존 석유화학 연료, 화학제품, 소재 등을 대체할 수 있는 친환경 제품을 만드는 산업을 말한다. 

양사의 3HP에 대한 협력 발표 이전인 2020년 10월, LG화학이 세계 최초로 합성수지와 동등한 기계적 물성 구현이 가능한 생분해성 신소재인 PHA계열의 PLH(Poly Lactate 3-Hydroxypropionate) 개발에 성공한 것을 발표하였다. 

LG화학은 3HP 독자 생산 기술을 바탕으로 2020년 세계 최초로 개발에 성공한 생분해성 신소재인 PLH 양산 준비에 박차를 가할 계획이다.

2022년 7월에는 LG화학과 GS칼텍스 두 회사가 화이트바이오 생태계 구축 및 친환경 바이오 원료인 3HP의 상업화를 위한 실증플랜트 구축에 나선다고 발표했다. 양사는 2023년까지 GS칼텍스 여수공장에 3HP 실증플랜트를 구축하고 시제품을 생산할 계획이다.

이번 실증플랜트 구축은 LG화학의 발효 원천 기술과 GS칼텍스의 분리정제 공정 스케일업(Scale-up) 기술의 시너지를 통해 양사가 고부가가치 친환경 바이오케미칼 사업을 본격적으로 추진한다는데 의미가 있다. LG화학과 GS 칼텍스는 3HP 외에도 생분해성 소재 및 폴리우레탄 제조 등의 친환경 원료 물질로 사용되는 1,4 부탄다이올(1,4- BDO) 기술개발 업무협약(MOU)을 체결했다. 이를 통해 양사는 향후 화이트 바이오 분야 전반에서 협업하며, 지속가능한 바이오 생태계 실현 방안에 대해서도 적극 논의해 나갈 예정이다. 여수시, LG화학, GS칼텍스는 국내 화이트 바이오산업 발전과 탄소중립 및 순환경제 활성화를 위한 3자간의 업무협약(MOU)도 체결했다.

특허 사무소 ECM의 Patent Magazine의 분석을 기초로 좀 더 자세히 LG화학의 PLH 기술을 살펴본다. LG화학의 PLH 기술에서는 락테이트라는 물질을 기본 구조로 하는 폴리락테이트라는 바이오폴리머와 하이드록시알카노에이트를 기본 구조로 하는 폴리하이드록시알카노에이트(이하 PHA)라는 바이오폴리머를 섞어 공중합체를 만든다.

PLH 공중합체에서는 PLA의 딱딱한 성질을 극복하기 위해 PHA 내부에 유연한 P(3HP) 세그먼트(segment)를 도입하고자 하는 것이다. PHA 신타아제(synthase) 효소를 통해 P(3HP)를 미생물에서 생합성하는 제1 배양단계; 탄소원으로 글리세롤과 글루코오스가 함께 공급 시 글루코오스만 선택적으로 대장균 내로 유입시키는 탄소이화대사억제시스템(Carbon catabolic repression system)을 이용하여 P(3HP) 생산을 억제시키고, IPTG 유도 시스템을 통해 락테이트 생성 효소와 락틸-CoA 전환 효소가 발현되도록 하여 중단된 P(3HP) 말단에 폴리락테이트를 생합성시키는 제2 배양단계를 포함하는 3-하이드록시프로피오네이트-락테이트의 블록 공중합체를 제조하는 방법에 관한 기술이다. 이러한 공중합체를 만드는 이유는 PLA의 경우, 인장강도 및 탄성률 등의 기계적 물성이 뛰어난 데 반해, 신율이 좋지 않아 쉽게 깨지기 때문에 현재 주로 사용되는 석유 유래 폴리머를 대체하기에는 무리가 있기 때문이다. LG화학의 PLH에서는 PLA에 PHA의 일종인 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)(이하  P(3-HP)를  섞어 중합시킴으로써, 인장강도는 유지하되 약한 신율을 끌어 올려 종래의 PLA가 가지는 단점을 개선하고자 했다. 
 

아래는 몇 가지 LG화학의 PLH 관련 특허를 열거한 것이다.

1. KR100957773B1/2006: 신규 3하이드록시프로피오네이트락 테이트 공 중합 체 및 그 제조방법

본 발명은 신규 3-하이드록시프로피오네이트-락테이트 공중합체[poly(3-hydroxypropionate-co-lactate)] 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 락테이트(lactate)를 락틸-CoA(lactyl-CoA)로 전환하고 3-하이드록시알카노에트(3-hydroxyalkanoate)를 3-하이드록시알카노일-CoA(3-hydroxyalkanoyl-CoA)로 전환하는 효소의 유전자 및 폴리하이드록시알카노에트(polyhydroxyalkanoate: PHA) 합성효소 유전자를 동시에 가지는 세포 또는 식물을 이용하여 락테이트와 3-하이드록시프로피오네이트의 단량체로 이루어진 신규 공중합체(3-하이드록시프로피오네이트-락테이트 공중합체)를 제조하는 방법 및 신규 3-하이드록시프로피오네이트-락 테이트 공중합체에 관한 것이다.

본 발명에 따른 신규 3-하이드록시프로피오네이트-락테이트 공중합체[poly(3-hydroxypropionate-co-lactate)]는 생분해성 고분자로서 종래 합성 플라스틱의 용도를 대체할 수 있으며, 의료용으로도 사용이 가능하다.

2. KR20170028189A /2015: 3-하이드록시프로피오네이트, 2-하이드록시부티레이트 및 락테이트를 반복단위로 포함하는 삼 중합 체 및 이의 제조방법

본 발명은 3-하이드록시프로피오네이트, 2-하이드록시 부티레이트 및 락테이트를 반복단위로 포함하는 삼중합체 및 이의 제조방법, 그리고 상기 삼중합체를 생산하는 미생물 및 이의 제조방법이 제공된다.

3. 1020160176095 (출원번호)/2016: 바이오폴리머 조성물

본 발명은 바이오폴리머 조성물 및 이를 포함하는 바이오 플라스틱에 관한 것으로, 본 발명에 따른 바이오폴리머 조성물은 종래 바이오폴리머와 비교하여 현저히 개선된 물성 및 가공성을 갖는 바, 특히 폴리락테이트와 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)를 포함함으로써 파장신율이 현저하게 개선되어, 종래의 비생분해성 폴리머를 효과적으로 대체하여 산업적으로 사용될 수 있다.

4. KR20190060584A /2017: 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)의 개선된 생산공정

본 발명은 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)의 생산방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고가의 3-하이드록시프로피오네이트 시약 등과 같은 고순도의 정제된 3-하이드록시프로피오네이트를 기질로서 사용하여 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)를 생산하는 기존의 생산방법과는 달리 기질로서 추가적인 전처리 없이 그대로 고순도로 정제된 3-하이드록시프로피오네이트 대신 3- 하이드록시프로피오네이트를 포함하는 비정제된 기질을 사용하는 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)의 2단계생산방법에 관한 것이다.

5. KR1022865450000/2021: 블록 공중합체

높은 내열성 및 인장강도를 가진 생분해성 블록 공중합체를 개발했다.

엘지화학에서는 본 발명을 통해 친환경성 및 생분해성을 유지하면서도 인장강도 및 신율 특성 등의 기계적 특성이 우수한 락트산계 블록 공중합체를 화학적 방법에 의해서 만들었다. 블록 공중합체의 화학식에서 X1 및 X2는 각각 독립적으로 에스터 결합, 아마이드 결합, 우레탄 결합, 유레아 결합 또는 카보네이트 결합이다. 만들어진 블록 공중 합체는 PLA 및 P(3HP)의 용융 온도가 모두 나타남을 확 인했다. 랜덤 공중합체는 결정성이 나타나지 않아 용융 온도 또한 나타나지 않는 반면, 블록 공중합체는 각각 블록의 용융 온도가 나타나는 특징이 있으므로 특유의 결정 특성 등이 확인될 수 있다. 이러한 특유의 결정 특성을 갖는 실시예의 블록 공중합체는 우수한 내열성, 신율 특성, 내충격성 및 인장강도 등을 나타낼 수 있다.

 

한편 LG화학은 생분해성 폴리에스터 가운데 PHA계열의 PLH뿐 아니라 2024년까지 생분해성 소재인 PBAT(PolyButylene Adipate-co-Terephthalate)를, 2025년에는 미국 일리노이주에서 미국 곡물회사인  ADM사와 협력하여  PLA(Poly Lactic Acid)를 상업화할 계획이다.

학교, 스타트업과 기존 화학 기반, 그리고 미생물 발효 기술을 가진 회사들이 화학촉매/미생물촉매(biocatalyst)를 둘러싸고 다양한 PHA의 합성 기술을 위해서 협력하고 있는 모습은 현재와 미래의 화학의 아름다움을 보여주는 것이라고 생각된다. PHA의 산업화는 원료의 수급 (플라스틱 폐기물, 식품 폐기물을 포함한 유기성 폐기물의 리사이클링의 일환으로서), 공정 기술, 제품의 분리 정제 등을 종합적으로 고려하여 결정되는 현대 화학기술의 총체적인 모습을 보여주는 것이며 이를 위해 협력하는 모델을 보여준다.