"탄소발자국을 최소화하는 재생 가능 화학제품"

 

유럽의 야심에 찬 지속 가능 및 기후 목표는 석유 기반에서 바이오 기반의 화학제품들로 전환할 때 가능할 것으로 생각하고 있다. 적절한 기술을 통해서 바이오 기반 제품들은 석유 기반의 제품을 단순히 대체하는 것이 아니라 식물 유래의 바이오매스 전부를 효율적으로 이용함으로써 바이오 기반 제품은 신규 제품의 특징과 기능성을 나타내는 제품이 될 것이다. 혁신적인 예들은 새로운 접착제, 난연제, 개인 위생용품에서의 UV 흡수제, 폴리우레탄 기반의 단열재나 아스팔트의 바인더 등으로 사용될 수 있다.

 

본지 플라스틱 사이언스 2024년 1월~3월호에서 우리는 리그닌이 방향족 화합물의 원료 물질이 될 수 있는 가능성에 대해서 살펴보았다. 리그닌을 작은 분자로 분해하여 이를 이용하는 방법은 Kaneka사와 같이 소재로 사용하는 방법과 얻어지는 액체를 액체 연료로 사용하는 방법(스웨덴 RenFuel사의 Lignol®, 네덜란드 Vertorol사의 Goldilocks®), 그리고 리그닌을 저분자로 만들지 않은 상태에서 그대로 가공하여 카본블랙을 대체할 수 있는 재생 가능 기능성 유기 필러 RFF(UPM BioMotion™, UPM BIOCHEMI CALS)로 개발하는 방법이 있다<그림 1>. 
 

 

이번 연재에서도 유럽에서의 리그닌 관련 프로젝트를 살펴보고자 한다. 다음 <그림 2>에서 보는 바와 같이 리그닌뿐만이 아니라 당을 포함하여 전체 바이오매스를 이용하여 다양한 방향족 화합물을 제조할 수 있을 것이다. 그러나 경제성이 가장 중요하다. 바이오매스 기반의 방향족이 석유화학 제품보다 가격이 더 비싸다는 것은 분명하지만, 구매자가 이를 테스트하기 위해 줄을 서고 있다. 업계 베테랑이자 바이오 경제에 초점을 맞춘 네덜란드 지방 및 기업 연합인 Biobased Delta의 이사인 Willem Sederel은 “응용 분야의 기업들은 공급업체의 샘플을 기다리고 있습니다.”라고 말한다. 

 

사. ARBOREF 프로젝트

 

2015~2019년에 300백만 유로가 투입되어 수행된 프로젝트로서 바이오매스 전체를 방향족 화합물로 전환하는 바이오리파이너리 프로젝트이다. 신규의 ‘lignin-first’ 바이오리파이너리 기술에서 산업적으로 관심이 있는 새로운 그리고 즉시 대체가 가능한 (drop-in) 화학제품을 생산하는 것을 목표로 한다. 신규의 ‘lignin-first’ 바이오리파이너리 기술은 KU Leuven 대학에서 개발된 공정으로 전체 바이오매스 원료를 용해성의 방향족 성분들과 고체 형태의 펄프로 분리한다. 

즉, 용해가 되는 방향족 분획과 함께 고체 형태의 탄수화물인 펄프를 모두 부가 가치화 하는 것을 추구한다.따라서 이 프로젝트에서는 발효와 화학합성 경로를 이용하여 바이오매스 전체 원료를 가장 효율적인 방식으로 전환하여 방향족 화합물을 만들고자 하는 것이다. 여기에 참여하는 파트너들은 <그림 3>과 같다. 이 가운데 벨기에의 VITO가 담당하는 영역은 모노머들을 막 분리하는 기술을 개발하는 것인데 세라믹 및 고분자 막을 통해서 분리 효율을 높이고 산업체에서 쓸 수 있는 규격을 갖도록 분리 공정을 최적화하는 것, 그리고 폐액에서 촉매를 회수하는 것이다.

 

아. LigninPLUS 프로젝트

 

벨기에의 VITO는 LignoValue 파일럿 시설을 통해 2023년 9월부터 12월 말까지 진행된 LigninPLUS 프로젝트에서 EFRO (유럽 연합 지역 개발 프로그램) 와 VLAIO (벨기에 혁신 및 창업지원 기관) 라는 재정후원 기관을 통해 인프라 시설을 확장하고 추가적인 혁신 가속화를 시도했다.

LigninPLUS 프로젝트에서는 다음과 같은 목표를 설정했다:

안전하게 원료 물질과 바이오 유래 방향족 화합물을 보관하고 가공

고객과 협력 업체들에 더욱 안전하게 운송

파일럿 시설에서 발생한 기술적 문제들을 신속히 해결하기 위해 파일럿 시설을 랩 수준에서 재현 

파일럿 시설의 운반과 설치는 2024년도에 이루어질 전망이다.

 

실험실에서 상업화까지의 속도 내기 

LigninPLUS 프로젝트는 파일럿에서 이루어진 혁신적인 성과를 산업체로 신속하고 순탄하게 이전하도록 하는 것이 목표이다. 이를 통해 바이오 유래 방향족 화합물을 생산하여 다양한 소재에 적용할 수 있다는 것을 상업적 단계에서 증명(PoC)하고자 한다. 이러한 고가의 파일럿 시설을 설치함으로써 응용 개발의 속도가 빨라지고 이 지역의 화학 산업 발전에 공헌하게 될 것이다. Biorizon의 파트너인 VITO는 유럽에서 처음으로 리그닌에서 바이오 유래 방향족 화합물을 제조할 수 있는 유일한 파일럿 시설 – LignoValue - 을 갖추게 되었다. 이 공정을 통해 리그닌을 연속적으로 분해하게 된다. LigninPLUS 프로젝트에서 다양한 공정 단계들의 검증이 이루어질 것이다. 공정 개발, 건설, 파일럿 시설의 완공, 시설 구축에서 얻어진 경험들을 통해 이 파일럿 시설의 추가적인 최적화가 필요하다는 것이 드러났다.

 

자. COUNTLESS 프로젝트

 

COUNTLESS 프로젝트는 리그닌 기반의 플랫폼 화학제품이 시장에서 사용할 수 있도록 경제적으로 생산할 수 있는 기술을 개발하는 프로젝트이다<그림 4>. 이를 통해 바이오 기반의 화학제품 포트폴리오를 확장하는 것이다. 기술 경제성 분석(TEA)을 통해 촉매 기반의 연속 수소화 반응 공정을 실증시설에서 검증하는 것을 목표로 한다. 13개의 파트너가 참여하는데 VITO가 전체 조정을 맡고 있다. 파트너들은 리그닌 기반의 플랫폼 화학제품들을 가공하고 응용을 위한 성능 평가 및 가격경쟁력을 보여주게 될 것이다. 최종 용도는 산업체에서 참가하는 Braskem, Soprema, Kastamonu, Daren Labs가 하게 된다. 여기에서 사용되는 원료 리그닌은 스위스의 Bloom Biorenewables사와 에스토니아의 Fibenol사가 제공하게 될 것이다.

 

COUNTLESS 프로젝트는 바이오 기반의 원료로 리그닌을 사용하여 여러 산업 분야 특별히 건설자재, 화장품, 그리고 화학 산업에서 영향이 크고 비재생 자원을 이용하여 생산되는 화학제품을 대체하고자 하는 것이다. 이를 통해 기후 영향을 줄이면서 이러한 산업 분야에서 석유 의존도도 줄이고자 한다. 

COUNTLESS 프로젝트는 리그닌으로부터 플랫폼 화학제품을 생산하는 것으로 산업 조건에서 테스트하게 될 것이다. 여기서 중요한 것은 리그닌 공급, 플랫폼 화학제품의 가공, 가능한 응용 분야에서의 사용으로 바이오 기반 최종 제품의 지속가능성에 기여하는 것을 담보하고자 하는 것이다.

현재 생산되는 리그닌 가운데서 1~2%만이 화학적으로 전환되어 소재로 사용되고 있다. 리그닌은 일정하지 않으며, 복잡하고 반응하기 어려운 분자로서 이러한 점이 분리된 리그닌 분획을 다 이용하는데 제한점들로 작용하고 있다. 이러한 도전 앞에, COUNTLESS 프로젝트는 효과적인 리그닌 분해 반응(리그닌 해중합, lignin depolymerization)을 통해 복잡한 리그닌 고분자를 분해하여 작고 다루기 쉬운 분자로 만들어서 용해도와 반응성이 개선되도록 만들 것이다. 이러한 방식으로 이 프로젝트는 리그닌을 모노머 혹은 올리고머 형태의 플랫폼 화학제품으로 전환하여 여러 다양한 응용 분야에서 사용할 수 있는 분자로 만들고 리그닌을 정확하게 정의가 된 공정을 거쳐서 리그닌 기반 소재들이 더 싸게 만들어지고, 여러 응용 분야에 쓰일 수 있게 할 것이다. 또한, 최초의 수소 첨가 촉매 반응을 연속 방식으로 산업적으로 의미가 있는 규모의 LignoValue 파일럿 인프라(VITO 소유)에서 수행하게 될 것이다.

 

COUNTLESS 프로젝트는 리그닌 분해 반응뿐 아니라, 여기서 얻어지는 정밀화학제품에서 대중 화학제품에 이르기까지 플랫폼 화학제품이 다양한 분야에서 응용 가능하며 가격적으로 경쟁력이 있다는 것을 보여주고자 한다. COUNTLESS 프로젝트 컨소시엄에는 원료 공급회사, 기술개발 전문가, 각 응용 분야에서 산업의 선두 주자들, 기술의 전파와 이용에서의 전문가들, 지속가능성, 환경 평가, 기술 경제성 분석 전문가들이 파트너로 참여한다<그림 5>. 

 

산업체에서 참여하는 회사들로는 SOPREMA (프랑스, 벨기에, 이태리), BRASKEM Europe (독일), Fibe-nol (에스토니아), Kastamonu Entegre Agac Sanayi (KEAS, 튀르키예)이며, 중소기업으로는 기술 제공 업체로 Daren Labs (이스라엘), Bloom Biorenewables SA (스위스)가 연구 혁신 분야의 활동에서 참여한다. 원료의 성상과 분석, 생산 공정의 최적화와 실증, 목표로 하는 응용을 위한 분리 공정, 비즈니스 계획과 전략까지 다양하다.

대학과 국가 연구 기관으로는 벨기에의 VITO, 네덜란드의 Utrecht University, 핀란드의 VTT, 독일의 IFEU - Institute for Energy and Environmental Research Heidelberg가 참여한다. 이들 기관은 산업체 파트너들과 밀접하게 움직이면서 COUNTLESS 프로젝트에서 기술 혁신을 주로 담당하고, 지속가능성 평가, 혁신적인 실시간 성능 평가, 모니터링 기술을 개발한다. 컨소시엄에는 독일의 CLIB가 참여하여 기술의 전파, 소통, 그리고 파급 활동을 담당한다. 

 

차. BA4C 프로젝트와 bio-MPA (Biorizon 프로젝트의 일부)

 

Biorizon의 Bio-Aromatics4Coatings (BA4C) 프로젝트 컨소시엄<그림 6>은 바이오 원료에 기반한 MPA (3-methylphthalic anhydride, bio-MPA)를 사용한 alkyd 코팅을 개발하는 데 성공했다. 이 코팅은 성능, 지속가능성 그리고 원료 효율성 측면에서 기존의 석유 기반의 화학제품을 이용한 코팅에 비해 우수함을 보여주었다. bio-MPA는 석유 기반의 코팅 물질의 가격으로 생산될 수 있을 것으로 기대된다. bio-MPA는 킬로그램 규모에서 성공적으로 생산될 수 있음을 보여준 뒤 이 컨소시엄은 상업화 규모로 생산과 응용 면에서 진행될 예정이다. bio-MPA는 코팅뿐 아니라, 에폭시, 폴리올 등에도 사용될 수 있다.

 

코팅에서의 주된 성분 

phthalic anhydride(PA)는 방향족 화합물로서 코팅에서 주요한 구성 성분 가운데 하나이다. 이 물질은 UV 차단성과 함께 단단한 성질을 부여한다. 오늘날 방향족 화합물은 거의 전부가 화석 연료로부터 얻어진다. 게다가 어떤 코팅 분야 예를 들어서 alkyd 코팅에서는 방향족 di-acids가 사용되는데 대체가 가능한 화학제품이 없는 실정이다. 이제 Biorizon 플랫폼 기술로부터 생산되는 바이오 기반 방향족 화합물의 형태로 공급될 수 있는 가능성을 열어주면서 바이오 기반 alkyd 코팅이 이루어지게 될 것이다.

 

Bio-Aromatics4Coatings (BA4C) 프로젝트

BA4C 프로젝트 컨소시엄의 파트너들은 alkyd 코팅에서 phthalic anhydride를 대체할 수 있는 bio-MPA의 생산, 평가, 실증을 함께 진행했다. 

 

프로젝트의 파트너들은 Biorizon의 시작에 함께 했던 네덜란드 TNO, Worlée, Baril Coatings, SoliQz, Van Loon Chemical Innovations, BioDetection Systems이다. 이 프로젝트는 네덜란드의 경제 및 기후 정책부의 Topsector Energiesubsidie 기금의 지원을 함께 받고 있다.

 

 

 

BA4C 프로젝트의 영향력

BA4C (Bio-Aromatics4Coatings) 프로젝트의 목표는 더 나아가 bio-MPA의 전환기술을 개발하고 alkyd 코팅에서 phthalic anhydride(PA)를 대체하여 사용할 수 있는 가능성을 보여주는 것이다. 이렇게 실증이 된다면 전반적으로 바이오 기반 방향족의 상업화의 한 예를 만들면서 위 <그림 7>과 같은 중요한 영향력을 미치게 될 것이다.

bio-MPA 코팅기술의 성능, 지속가능성과 원료의 효율적 사용 

bio-MPA에 기반한 코팅의 응용을 통해서 다음과 같은 효과를 얻었다:

화석원료 PA 기반의 코팅에 비해서 우수한 성능 - 페인트나 코팅의 중요한 성질인 스크래치 내성이 우수;

PA 1kg 대체 시 3kg CO2 배출 감소 (BA4C 프로젝트의 LCA 결과);

bio-MPA의 물리적 특성으로 인해 alkyd 코팅 배합 시 사용되는 용매량을 줄일 수 있어 경제적 환경적 장점

경제적 이득

기술 경제성 분석 (TEA) 결과에서 bio-MPA가 화석원료 기반의 PA와 비슷한 가격에 생산할 수 있음을 보여주었다. 상업적 생산을 향해 나아갈 때 이러한 TEA 분석은 방향성을 제시하면서 bio-MPA 생산 시설에서 어느 영역의 최적화와 개선이 필요할지를 보여주었다. 이미 BA4C 프로젝트 내에서 효율적인 분리 기술을 위한 기초를 마련함으로써 단기적으로 에너지와 용매 사용에 있어서 50%의 절감이 가능하다는 가능성을 보여주었다.

더 나은 독성 프로파일

인간 세포를 이용한 CALUX 체외 시험을 통해 bio-MPA는 모노머로서 수지로서 그리고 alkyd 코팅으로서 모든 테스트 분야에서 화석원료 기반의 PA와 비슷한 독성 결과를 보여주었다.

스케일업 생산 

bio-MPA를 킬로그램 수준으로 생산하여 TEA 분석을 통한 생산가격 비교와 독성 실험을 통해 화석원료 기반의 PA에 비해 손색이 없다는 것을 보여줌으로써 컨소시엄은 bio-MPA를 상업화에 근접한 규모로 생산하고 응용하기 위한 후속 프로젝트인 bright coati-ngs 프로젝트를 수행하게 되었다<그림 8>.

참여와 문의

프로젝트의 조정을 맡은 Biorizon 플랫폼의 TNO는 이 컨소시엄에 함께 할 파트너 회사들을 찾고 있으며 문의를 환영한다. 이를 통해 바이오 기반의 코팅을 공동으로 개발하고 새로운 바이오매스 기반의 방향족 화합물의 상업화를 해나가고자 한다. 원료 공급에는 오스트리아의 목재 기반 화학 회사인 Lenzing사, 목재 & 농업 부산물 활용 회사인 네덜란드의 Vertoro, 그리고 사탕무를 바탕으로 하는 지속 가능 화학제품 생산기업 Cosun사가 함께 한다. 

 

카. 네덜란드 Relement사의 bio-MPA 후속 개발

 

네덜란드의 TNO에서 BA4C 프로젝트를 담당하던 Monique Wekking은 2022년 TNO를 사직했다. 그 이전에 네덜란드 TNO의 spin-off 형태로 2020년에 공동 창업자 Roger Blokland와 함께 Relement사를 창업했는데, Relement에서 현재 COO를 담당하면서 bio-MPA의 상업화를 위해 매진하고 있다. bio-MPA의 개발에 참여한 전 가치 사슬에 있는 협력 파트너들이 적극적으로 프로젝트에 참여함으로 Relement 기업의 창업에 이르게 되었다. 2023년에는 백만 유로를 투자받았다. Biorizon 플랫폼에 참여하는 네덜란드 연구개발 기관인 TNO에서 7년간의 연구개발을 통해 Relement사가 창업되었다. Relement사는 코팅, 접착제, 단열재, 윤활유 등 일상생활에서 사용되는 제품들의 지속 가능한 형태를 제공하려고 한다. 이들은 리사이클 하기가 매우 어려워서 이산화탄소 배출 발자국을 줄이려면 더 좋고 더 지속 가능한 원료들을 요구한다. 

Relement사는 화석원료가 아닌 지역에서 얻을 수 있는 비식용의 농업 부산물로부터 만들어지는 지속 가능한 화학 원료를 공급하려고 한다. bio-MPA를 산업에서 코팅에 적용하기 위해서 Relement사는 Worlée Chemie사와 Baril Coatings사와 협력하여 성공적으로 코팅에서의 게임체인저가 되고자 한다. 이는 고기능성의 waterborne alkyd 코팅이 될 것이다.

 

Bright Coatings 프로젝트는 100% 바이오 기반의 alkyd 코팅을 실현하는 것을 목표로 한다. 유럽의 비식용 바이오매스 부산물을 bio-MPA로 전환하게 될 것이다. 이 bio-MPA는 금속표면을 보호하기 위한 코팅으로 사용될 수 있는데 처음 응용으로 전기 휠 로더를 코팅하는 데 사용되었다. bio-MPA를 사용하여 거의 용매를 사용하지 않고 유해한 물질을 사용하지 않으며 휘발성 물질 배출도 매우 낮다. Straalbedrijf Boxtel사의 전기 휠 로더(wheel loader) TORBOCO-Giant 모델의 부품 금속 코팅에 처음 사용하게 되었다<그림 9>. Bright Coatings 프로젝트는 REACT-EU 프로그램 아래에서 유럽 지역 개발 기금으로부터 지원이 될 것이다.
 

Relement사는 추가로 AROMATICS (Aromatic Ren-ewables as an Opportunity for Materials with Improv-ed Circularity and Sustainability) 컨소시엄에 참여하는데 이 컨소시엄에서는 3가지의 바이오 기반의 방향족 화합물을 생산하는 플랫폼이 될 것이다. 여기에는 Relement사의 furfural 기반의 bio-MPA도 포함된다. 그리고 Biorizon에서 추진하는 hemimellitic acid(H MA)도 있다. 이 컨소시엄에는 14개사가 참여하는데 브랜드 오너들을 포함해서 전체 가치 사슬이 망라되어 있다<그림 10>. AROMATICS 컨소시엄은 3년으로 네덜란드의 경제 및 기후 정책부로부터 MOOI 지원으로 이루어진다. 

2022년에 Relement사는 프랑스 리용에 소재한 Solv-ay Research and Innovation Centre에서 파일럿을 성공적으로 수행했다. bio-MPA는 Diels-Alder 반응을 통해 만들어지는 것으로 알려져 있다. 산업체에서 사용하는 표준 장비들을 이용할 수 있어서 상당한 양을 생산하기 위해서 다른 CMO들에게 생산이 가능함을 보여주었다. 이를 통해 수십 kg의 bio MPA를 확보하여 고객들에게 공급할 수 있게 되었다. Relement사는 현재 2024년도에 톤 규모로 bio-MPA를 생산하기 위해서 CMO의 선정에 들어갔다.

 

결론

 

올바른 기술을 제공한다면 바이오 기반 제품은 화석 기반 제품을 간단히 대체할 수 있다. 식물, 목재 등 천연자원을 효율적으로 사용하는 바이오 기반 제품은 온실가스 배출량을 줄이는 데 도움이 될 뿐만 아니라 새로운 제품 특성 및 추가 제품 기능과 같은 다른 이점도 제공할 수 있다. 리그닌을 기반으로 한 혁신적인 제품의 구체적인 예로는 즉각 대체가 가능한 화학물질, 코팅, 새로운 접착제, 난연제, 개인 위생용품 분야의 자외선 흡수제, 폴리우레탄 기반 단열재 및 역청 바인더 등이 있으며 그 종류는 점점 더 늘어나게 될 것이다. 

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