구글의 전 CEO였던 Eric Schmidt는 2023년에 “앞으로 10년 이내에 생물경제 (BioEconomy)의 규모가 4조 달러의 규모가 될 것이다”라고 말했으며 Schmidt는 이러한 가능성을 실현하기 위해서 ‘Schmidt Futures’라는 NGO를 세우고 이러한 생물경제를 앞당기고자 하는 노력을 기울이고 있다. 과학자 겸 기업가들인 이들이 이러한 노력에 함께 하고 있다.

 

최근 일본의 Marubeni 상사는 인도네시아 수마트라 남쪽에 위치하고 있는 조림지에서 생산되는 목재 부산물의 사용에 관해 핀란드의 Nordic Bioproducts Group(NBG)과 함께 상호이해각서(MOU)에 사인하면서 바이오리파이너리를 건설한다는 장기 계획을 발표했다. 장기적으로 석유 기반의 소재에 의존하는 것을 줄이면서 목재 기반의 바이오매스를 지속 가능한 방식으로 사용하는 미래를 향하여 협력하기로 했다. 

Marubeni 상사는 오래전 1990년부터 수마트라 남쪽에서 29만 헥타르 규모의 조림을 해오면서 아카시아 수종을 심었다가 실패하고 Eucalyptus 수종으로 바꾸면서 다시 종이 생산과 함께 NBG와의 새로운 협력을 통해 이 조림으로부터 얻어지는 kraft 펄프와 조림 부산물을 원료로 사용하는 데 집중하게 된다. 

Marubeni 상사는 “기후변화에 대한 장기적 비전”을 세우고 이러한 비전 아래 2050년도까지 넷 제로를 달성하는 목표를 가지고 있다. Marubeni 상사는 조림 사업을 인도네시아와 호주에서 수십 년간 진행해오고 있으며 최근에는 필리핀, 말레이시아, 앙골라를 비롯하여 탄소 크레딧을 생성하면서 환경보호와 지구온난화 방지를 위해 노력하고 있다. 일본에서는 Akita현과 Wakayama현에서 일본탄소크레딧 (J-credit) 프로그램에 참여하고 있다.

여기서 이용하는 기술은 핀란드의 Aalto대학에서 개발된 AaltoCellTM 기술을 사용한다. 이 기술은 리그노셀룰로스 소재를 가수분해하여 제약이나 식품에 사용되는 고품질의 셀룰로스 유도체들을 생산하는 기술이다. 이 기술은 목재 바이오매스뿐만 아니라 셀룰로스가 함유된 원료를 사용하여 저가로 대량 생산이 가능하도록 하는 기술로 알려져 있다. AaltoCellTM 기술은 기존의 셀룰로스 유도체 생산기술에 비해서 탄소발자국 측면에서 80% 정도의 감소를 달성할 수 있다고 한다. 그러나 이 기술에서도 리그닌은 주목받지 못하고 있고 연료(biofuel)로 사용된다. 
 

 

이러한 Marubeni-NBG의 협력 소식은 이미 미국의 Origin Materials사가 캐나다 온타리오주에 공장 건설 완공 소식과 함께 핀란드의 UPM Biochemicals사가 독일 Leuna 지역에서 올해 운전을 시작하면 그야말로 연료가 주요 제품이 아닌 화학제품과 소재가 주요 생산품인 제3세대 바이오리파이너리의 시대가 현실화하고 있음을 알려주고 있다. 이러한 협력에서 보듯이 바이오매스 기반의 바이오리파이너리에서 생산되는 것은 종이 및 셀룰로스 유도체(Marubeni, NBG) 외에도 terephthalic acid(PET의 모노머)와 HTC(hydrothe-rmal carbon) 탄소 소재(Origin Materials사), ethylene glycol (EG, PET의 또 다른 모노머)과 함께 생산되는 RFF 탄소 소재(UPM Biochemicals사)와 같이 바이오연료(biofuel)가 아닌 탄수화물과 리그닌 유래의 다양한 생물소재(biomaterials)들이다. 이와 같이 바이오매스로부터 생물소재를 주요 제품으로 생산하는 기업의 상업화 예들이 점점 많아지고 있다. 리그노셀룰로스 기반의 에탄올 기반의 바이오연료들은 브라질에서 사탕수수를 기반으로 하는 바이오리파이너리외에는 상업화의 경제성을 보여주지 못하고 있다. 한 번 태우고 없어지는    (생물) 연료보다는 지속적으로 사용하는 부품에 사용될 수 있는 (생물) 소재 부분이 더 유리하다는 것을 보여준다. 그러나 HTC와 RFF는 리그닌의 –OH 작용기가 없이 탄화된 형태의 탄소 소재라고 할 수 있을 것이다. 기존의 전통적인 리그노셀룰로스 기반의 제2세대 바이오에탄올(연료) 생산에서 발생하는 리그닌(technical lign-in)이나 제지와 펄프산업(pulp and paper industry)에서 종이 생산과정에서 부산물로 발생하는 리그닌(kraft lignin)이 연간 5천만 톤~7천만 톤에 이르고 있다. 이렇게 다양한 방식으로 생산되는 리그닌은 현재까지는 주로 연료로 사용되어 오던 것이 추세이다. 

지난 호에 이어서 이번 호에서도 리그닌의 부가가치를 향한 노력을 살펴보도록 하자. 

리그닌은 그 사용한 원료에 따라 매우 다양한 고분자이지만, 아래 그림에서 보듯이 효용성이 높은 잠재력을 가지고 있다. 이러한 잠재적 응용 분야는 리그닌의 소스, 분리 방법 (fractionation), 가공방법, 분자량에 따라서 달라진다. 

열쇠는 이러한 잠재적인 응용을 어떻게 찾을 것인가이다. 리그닌을 사용하여 우리의 필요에 맞게 조정하는 방법을 이해하는 것이 핵심이 될 것이다. 이를 위해서는 리그노셀룰로스에 존재하는 고분자 리그닌의 구조를 그대로 유지할 것인지 해중합(depolymerization)을 목표로 분해해 저분자화하여 고부가가치 제품으로 가공하는 두 가지로 크게 나눌 수 있다. 바이오에탄올을 생산하는 과정에서 발생하는 리그닌은 비교적 분자량이 큰 technical lignin에 속하며 이를 소재로 이용하고자 하는 노력이 있다^1). 그러나 종이를 만들다가 만들어지는 리그닌양이 지극히 많으므로 리그닌을 저분자화하여 응용을 찾고자 하는 노력이 리그닌의 고부가가치화를 이루는 또 하나의 큰 흐름이 되고 있다.

방향족 화합물은 화학 산업에서 중요한 역할을 담당하고 있으므로 방향족 화합물의 지속 가능성은 매우 중요한 과제이다. 리그닌은 나무에 강성을 부여하는 물질로서 방향족을 함유한 소재들을 대체할 수 있을 것으로 생각된다. 현재 사용되고 있는 화학제품의 약 40% 정도가 방향족 화합물이다. 합성 플라스틱, 건설, 자동차, 운송 및 플라스틱 산업에서 광범위하게 사용되고 있으나 이는 대부분 석유에 기반을 두고 있다. 

화학 산업에서 도전적인 과제 가운데 하나는 석유가 아닌 바이오매스로부터 방향족을 얻어내는 것이다. 이와 관련하여 지난 연재에 소개한 LigninFAME 프로젝트는 사실 엄격히 말하면 리그닌 자체의 고부가가치화는 아니다. 리그노셀룰로스의 가운데서 탄수화물(당)에 해당하는 분획의 가공에서 얻어지는 furan류의 화합물을 유용한 방향족 화합물로 전환하는 것이다. 참고로 LigninFAME 프로젝트 최종보고서가 WUR에서 2015년에 발간되었다2). 이번 연재에서는 리그닌 자체로부터 방향족을 얻는 방법인 lignin depolymer-zation(리그닌의 해중합, C-C 결합, C-O 결합을 분해하는 해중합)에 대해서 다루도록 하겠다.

여러 분야의 협력이 요구되는 개방형 혁신-재생 가능 바이오 기반의 방향족 개발

 

생물 기반의 방향족을 생산하는 것과 이를 상업화하는 것은 지식과 경험, 시설을 필요로 하는 굉장히 도전적인 과제이다. 그래서 네덜란드와 벨기에의 회사들, 정부 기관들, 지식 기관들이 함께 머리를 맞대고 팀 연구의 장점을 살리면서 Biorizon과 BIO-HArT에서 함께 하게 되었다. 이러한 장기적 프로젝트들은 Biobased Delta 지역의 일부를 이루고 있을 뿐 아니라 세계에서 가장 큰 화학 클러스터인 ARRR (Antwerp-Rotterdam-Rhine-Ruhr) 클러스터에서 이루어지고 있다.

BIO-HArT 프로젝트에서는 Biorizon 프로젝트의 조정자이자 공동 창시자인 네덜란드의 TNO 연구소가 벨기에 VITO 연구소(Biorizon의 또 다른 창시자), Avantium사, Chemelot InSciTe, University of Ant-werp, KU Leuven, Bio Base Europe Pilot Plant, Tech-nical University Eindhoven, Maastricht University, 그리고 DSM ChemTech Center와 협력하게 되었다. 원료 공급자들과 방향족 화합물 가공업체들, 최종 소비자들, 지식 기관들과 교육 기관들, 민간 부문과 협력관계가 만들어진 것이다. 

BIO-HArT 벤치 규모의 실증 실험은 협력하는 기관들을 서로 모을 수 있는 다섯 군데의 위치에서 이루어졌다: 네덜란드 Bergen op Zoom에 위치한 Green Che-mistry Campus, 벨기에 Ghent에 위치한 Bio Base Eu-rope Pilot Plant, 네덜란드 Geleen에 위치한 Bright-lands Chemelot Campus, 벨기에 Leuven에 위치한 Chem&Tech Campus, 그리고 벨기에 Antwerp에 위치한 Blue Gate에서 진행되었다. 이 프로젝트에서 는 신속하게 형성된 가치 사슬을 통해, 네덜란드 남부 지방과 벨기에 북부지역에서 비즈니스와 고용환경에 활력을 불어넣었다.

 

재생 가능한 방향족 화합물: 화학 산업에서 이익을 창출하고 지속 가능한 분야가 될 것

 

재생 가능원료로부터의 방향족 화합물의 생산은 화학 산업에 있어서 이익을 창출하며 지속 가능성을 가져다주는 중요한 의미가 있다. 모든 화학제품 중에서 40%가 방향족이다. 방향족 화합물은 석유에서 추출되는데 이산화탄소를 방출하게 된다. Shared Resea-rch Center Biorizon(Biorizon)은 TNO, VITO, Green Chemistry Campus가 함께 협력 기관들과 시작한 것으로서 식물 자원에서 방향족을 생산하는 것을 목표로 한다. 이를 통해 석유 의존도를 줄이고 이산화탄소 방출을 줄이며 화학 산업과 유통 산업에서 이익을 창출하며 지속 가능성을 이루어 나가고자 한다. 

Ludo Diels는 지속 가능 기술에 관한 연구를 담당하는 벨기에의 연구기관 VITO의 책임급 연구원이며 네덜란드의 Biorison 센터의 자문을 맡고 있다. 그는 지속 가능 화학 분야에 관심을 가지고 연구하고 있다. Ludo로부터 리그닌 연구에 대한 그의 견해를 들어보는 것은 비록 개인의 의견이지만 시사하는 바가 크다. 그는 리그닌의 미래에 대해 긍정적이다. 

리그닌은 셀룰로스, 헤미셀룰로스에 이어서 목재의 세 번째 성분으로서 지금까지는 폐기물로 여겨져 왔다. 기껏해야 연료로써 에너지를 생산하는 데에 쓰일 뿐이었으나 이제 연구기관들과 회사들이 많은 응용 분야를 개발해 나가고 있다. 

Ludo가 2020년 미국화학회 주간지 C&EN과 했던 인터뷰에서, 바이오 기반 방향족 화합물이 곧 시장에 나오게 될 것인가라는 질문에 Ludo는 “2025년도까지 시장에 진출하는 것이 목표입니다. 그리고 우리는 그 계획대로 가고 있습니다”라고 밝힌 적이 있다³⁾. 

 

1) 바이오 기반의 방향족 화합물과 관련한 세 가지의 R&D 프로그램

벨기에/네덜란드의 공동연구 프로젝트 Biorizon에 벨기에 연구기관으로서 VITO가 참여했다. 그 연구의 핵심에는 방향족 화합물이 있다.

그 첫 번째 연구 과제는 리그닌과 가수분해 제품들의 응용에 관한 것이다. 현재 고품질의 리그닌은 고분자들과 혼합되어 콘크리트에 구조를 개선하는 물질로 사용되고 있다. 또한, 리그닌이 하이테크 섬유로서 개발될 수도 있으며 작은 단위로 분해될 수도 있다. 리그닌은 매우 복잡한 구조로 되어 있는데 대부분 방향족 성분으로 되어 있다(벤젠 링을 바탕으로 한 phenol 구조를 갖고 있다). 이들 분자는 하나 이상의 –OH 그룹을 갖고 있거나 하나 이상의  –COOH 그룹을 갖고 있다. 이러한 구조를 통해 서로 연결되어 3차원 구조를 형성하는데 이러한 구조를 열어서 부분적으로 혹은 완전히 분해가 된 산물(oligomer와 monomer)을 얻을 수 있다. VITO는 이러한 혼합물에 대한 막 분리 기술을 이용하여 Bio-rizon과 협력했다.

두 번째 연구 과제는 당을 원료로 하고 furan을 중간 물질로 거쳐 Diels-Alder 반응을 통해 방향족 화합물을 합성하는 연구이다(다음 연재에서 구체적으로 다룰 예정). 이 경로는 이론적으로 비용이 더 들지만, 연구자들이 마지막 산물의 성격을 정확하게 결정할 수 있다는 장점을 갖고 있다. Biorizon에서는 이러한 연구는 주로 네덜란드에서 정부 기관 TNO와 민간 기업 Avantium사가 담당한다.

이러한 두 가지 연구는 전혀 새로운 물질들을 리그닌으로부터 만들게 되는데 이러한 물질들은 이전에 석유화학에서는 대량으로 얻을 수 없는 물질들이다. 당으로부터 생산되는 제품들 가운데는 기존의 생산 장비에서 직접 사용할 수 있는 제품들(drop-ins)도 있다.

세 번째 연구 분야는 유기물을 적절한 촉매를 이용하여 열분해(pyrolysis)하는 것이다. 이를 통해 BTX(benzene, toluene, xylene 이성질체들의 혼합물)를 얻을 수 있다. BTX는 화학 산업에서는 잘 알려진 범용제품으로서, 이러한 물질들은 생물 기반 BTX가 단기간 내에 상업성을 갖도록 해준다. 

어두운 면은 이 공정이 원래 원료 물질이 갖고 있던 작용기를 모두 없애 버린다는 것이다(이는 또한 중량 면에서도 상당한 감소를 가져온다). 그러나 공정은 간단하다는 장점이 있다(미국의 Virent사와 Anel-lotech사가 관련된 상업화 연구를 하고 있다). 많은 회사가 바이오매스 기반의 원료를 구하고 있고, 생물 기반 BTX는 그 후속 반응에서 석유화학 기반의 반응 경로나 장비를 바꾸지 않고도 석유화학 기반 BTX 기반 제품들을 제공할 수 있다.  

 

2) 시장의 수요

“많은 회사가 환경적으로 영향이 적은 그리고 인체에 덜 유해한 원료들을 찾고 있다는 것이 중요한 사실입니다.”라고 Ludo Diels는 말한다. 

유럽의 새로운 REACH 규제 법안은 독성과 환경 영향을 중요시하는데, 이러한 분위기는 재생 가능 방향족 생산 연구의 중요한 배경이 된다. 이러한 면에서 상당한 고려를 해야 한다. 화학제품과 관련된 연구는 환경과 인체 영향에 대해 많은 시험을 해야 한다. 예를 들면 산업체는 항산화제 UV-안정성 등의 성질을 갖는 화합물을 요구한다. 특별히 식품 산업에서 이러한 면이 강하며, 자동차 타이어의 생산에서도 그런 요구가 있다. 리그닌을 출발 물질로 하는 경로는 이러한 다양한 물질을 생산할 수 있게 한다. 고분자에서 성능향상을 위해 첨가하는 가교제와 같은 응용도 가능하며 난연제나 수지 분야에서의 응용도 가능하다.

소매업자들이 인체에 덜 유해한 제품들을 요구하고 있다. 특별히 패널이나 래미네이트 합판 등의 분야에서 이러한 수요가 많다. 지금까지 이들 제품을 제조할 때 압착하는 공정에서 사용하는 접착제들에서 포름알데히드(formaldehyde)가 서서히 방출하게 된다. Phenol 수지가 사용되기도 한다. 포름알데히드 수지나 페놀 수지는 인체에 유해하다. 많은 가구 제조업체는 이러한 제품을 대체할 수 있는 제품을 찾고 있으며 리그닌과 그 분해제품들은 이러한 분야에서 많은 기회를 제공한다. 리그닌은 원료인 목재에서 이미 이러한 기능들을 담당하고 있기 때문이다. 

농산물 폐기물에서 얻을 수 있는 furfural에서 유도되는 물질들은 페놀 화합물들을 대체할 수 있다. 최종 소비자들은 이러한 제품들이 대량으로 시장에 공급되기를 애타게 바라고 있다. 단단한 목재와 비교하여 양질의 성질과 단단함을 줄 수 있는 부드러운 목재를 보존할 수 있도록, 이들을 수지로 처리하는 방법이 있다. 열대의 단단한 목재들은 환경에 상당한 영향을 미치지만, 소나무와 같은 것들은 큰 생태학적 문제를 갖고 있지 않다. 작년에 중국의 Fujian 농림업대학에서 발표된 논문에는 리그닌을 잘 분리해 내게 되면 리그닌만으로도 우수한 접착 성능을 발휘한다고 보고하고 있다⁴⁾.

 

더 나은 품질의 리그닌

3) 만약에 제지 펄프 산업에서 더 성질이 우수한 리그닌을 부산물로써 생산한다면 왜 좋을까? 

제지 펄프산업에서 생산되는 리그닌의 황 함량이 문제가 된다. 황은 공정 반응에서 촉매에 안 좋은 영향을 주기 때문이다. 다행히도, 다른 많은 양질의 리그닌들이 시장에 나오고 있다. VITO 또한 핀란드의 정부 연구기관인 VTT(핀란드의 생물경제 기사 참조)와 함께 유럽 연합의 연구 프로젝트에 참여하고 있다. 이 프로젝트에서는 제지 산업에서 나오는 리그닌을 가치 있는 원료로 개발하는 것이다. 이러한 프로젝트가 성공한다면 제지 펄프산업에서 생산되는 부산물인 리그닌의 양이 상당히 많으므로 큰 돌파성의 연구가 될 것이다. 제지 펄프산업에서 나오는 리그닌과는 달리 양질의 리그닌 원료는 제2세대 바이오에탄올 공장에서 나오는 폐기물인 리그닌(technical lignin)이다. 이 리그닌들은 연소하기에는 너무 좋은 것들이다. 그러나 이러한 제품들을 화학 산업에 사용하려고 할 때, 이러한 부산물로부터 에너지를 생산한다면 CO2를 저감하는 것으로 간주해주는 것 때문에 발전이 더디다. 화학제품을 생산하면 이러한 혜택이 없다고 여겨지기 때문이다. 또한, 바이오에탄올을 선전하기 위해서 이산화탄소를 얼마나 저감할 수 있는지를 따지기 때문이다.

예를 들어 브라질과 태국, 호주에서 많이 재배하는 사탕수수 줄기(sugarcane bagasse)는 설탕을 생산하고 남은 리그닌을 함유한 폐기물이다. 현재 사탕수수 줄기 폐기물은 공정에 필요한 열을 생산하기 위해서 연소가 되고 있다. 리그닌과 같은 부산물을 열을 생산하기 위해서 연소시키는 경우에는 이산화탄소 방출 감소의 효과가 있다고 간주하지만, 이 원료 리그닌을 화학제품의 생산에 이용하는 경우에는 이산화탄소 방출의 감소로 간주하지 않는 것이 통상적인 규칙이다. 이산화탄소 방출의 계산은 실제 사실에 기초하고 있지 않다. 장기적으로 사탕수수 줄기가 가치 있는 원료가 될 때만 이러한 논쟁이 끝나게 될 것이다. 즉 목질계 섬유소를 이용한 제2세대 에탄올 생산이 상업화됨과 동시에 위의 응용(리그닌을 이용한 화학제품의 생산)을 위해서 리그닌의 수요가 상당히 커질 때야 비로소 이러한 이산화탄소 방출 저감에 대한 논의가 끝나게 될 것이다.

 

4) 새로운 공정들

“우리는 목재 원료를 직접적으로 촉매로 처리하여 리그닌 유도체를 얻으려고 합니다. 이 공정은 Leuven Catholic University(KU Leuven)가 개발한 것인데 VITO는 막 분리를 합니다. 이는 기존의 펄프 제지에서 사용하는 것과 정반대이며, 이 새로운 공정에서 셀룰로스와 헤미셀룰로스는 펄프의 형태로 침전하고 리그닌은 모노머로 분해가 됩니다. 재미있는 것은 이러한 반응이 기존의 화학 반응기에서 가능하다는 점입니다. 즉 특별한 투자 없이 단기적으로 가능합니다. 리그닌은 큰 잠재성을 가진 원료로서 이제 막 시작했다고 해도 과언이 아닙니다.”라고 VITO의 Ludo Diels는 말한다. 

 

마. BIO-HArT 프로젝트

 

BIO-HArT 프로젝트는 2016년 4월에 시작하여 2019년까지 지속했던 프로젝트로 생물 기반의 방향족 화합물 생산을 위한 scale up 연구로서 벨기에에 위치한 Bio Base Europe Pilot Plant가 주관해서 진행했다. 2018년 말까지 응용개발 회사들이 실험할 수 있을 정도의 kg 수준의 양을 공급할 수 있는 실증 규모를 끝마쳤다. 네덜란드 말로 BIO-HArT는 ‘Biorizon 혁신과 재생 가능한 방향족 기술의 스케일 업(Biorizon Inno-vation and Upscaling of Renewable Aromatics Tech-nology)’의 약자이다. “BIO-HArT 프로젝트는 매우 중요한데, 최종목표는 2025년까지 재생 가능한 방향족 생산기술을 상업화하는 것입니다.”라고 Biorizon의 과학 부문 책임자인 Jan Harm Urbanus는 말한다.

이 프로젝트는 Shared Research Center Biorizon의 다음 단계로 산업체가 이끌어가는 프로젝트라고 할 수 있다.

다음과 같은 세 가지 목표를 가지고 있다.

 

1. 최적화된 화학과 공정의 개발

2. 일반적이면서 다중 목적의 목재, 당 그리고 리그닌을 방향족으로 전환하는 세 가지 기술을 실증 규모로 완성

3. 당과 리그닌, furan, akylphenol류, mono-, di- & tri-acid류, 작용기를 가진 페놀류, 기타 방향족 화합물의 샘플의 생산. 그리고 응용 회사들과 함께 이들 샘플의 응용 개발

산업체와 함께 계속 추진하는 이 프로젝트는 결국 여러 가지 원료를 제공하는 회사들, 화학 회사들, 사용자들이 함께하는 가치 사슬을 창출해 내는 결과를 가져오게 될 것이며 이를 위해 기존의 시설뿐 아니라 새로운 시설을 지어서 이용하게 될 것이다.

 

바. PILLAR 프로젝트

 

PILLAR 프로젝트에서는 독특한 파일럿 프로그램을 구축하고자 목표를 세웠다. 2020년 1월부터 3년간 200백만 유로가 투입되었다. 혁신적인 촉매를 사용하는 바이오리파이너리를 위한 Biobased Chemistry 프로젝트로서 진행되었고 기능성의 방향족 화합물을 생산하고자 했다. 100L 규모의 회분식 반응기(TRL 5)를 통해 ‘lignin-first’ 바이오리파이너리 기술을 KU Leuven 대학에서 실시한다(PILLAR I). 

VITO에서 이루어지는 PILLAR II에서는 다용도의 촉매 반응기(고체 원료 투입부와 용해부-dissolver-를 갖춘)가 구축된 LignoValue Pilot을 확대하여 리그닌을 처리/액화하는 것을 목표로 했다. 이어서 VITO는 리그닌에서 출발하여 방향족 화합물을 합성하고자 하는 LigninPLUS 프로젝트를 통해 이미 건설된 LignoVa-lue Pilot 인프라 플랫폼 파일럿 시설에서 실험실과 상업 생산 단계의 중간 역할을 할 수 있는 프로젝트 지원 프로그램 PILLAR II(Moonshot LSI, 연구 후반부에서 TRL 4단계를 검증하고 타당성을 보여준 경우 후속 지원하는 프로그램)의 후원으로 산업적으로 의미 있는 수준(TRL 5~6)까지 시도하려고 한다. 여기에서는 리그닌 분해(depolymerization)가 적용되며 이를 통해 가치 사슬을 창출해 내고자 하는 것이다. 

이러한 독특한 형태의 프로젝트 구성을 통해 리그노셀룰로스의 스케일업에 관련되어 리그노셀룰로스 슬러리를 혼합 / 취급, 촉매의 안정성, 용매의 재사용 등과 같이 발생하는 특정한 문제들을 풀어나가고자 한다. PILLAR는 기술 경제성 분석(TEA) 데이터를 제공하면서 산업적으로 촉매 바이오리파이너리 공정을 스케일업하는 길을 개척하는 프로젝트로서 경쟁력 있는 화학제품, 소재로 전환하면서 상당한 양의 이산화탄소 감축에 기여하게 될 것이다. 여기에는 전체 프로젝트의 진행에 GF Biochemicals사, 투입 원료의 용해를 위한 설계에 뉴질랜드의 SCION의 전문인력들이 외부에서 참가하기도 했다.

VITO가 2018년에 시작하여 리그닌의 연속 해중합 공정의 파일럿 시설을 2022년에 완공했다. 이를 통해 수 킬로그램의 방향족 화합물을 제조할 수 있다. 또한, 이를 통해서 관련 산업에서는 성능 테스트를 통해 코팅, 접착제, 복합재료 등과 같은 응용 가능성을 검토하게 된다. 담당자인 Kelly Servaes는 LignoValue project에서 생산되는 방향족 화합물은 ‘지속 가능한 재료이면서 기능성 재료’라고 말한다. 네덜란드의 엔지니어링 회사 Zeton이 건설을 담당했고 설계는 Worley가 맡았다. 2022년 1월 VITO에 설치되었다.

 

바-1. PILLAR 프로젝트 KU Leuven의

 TRANSfarm 실증시설 완성 (PILLAR PILLAR) 

 

2013년부터 KU Leuven은 목재 바이오매스를 페놀계 방향족 오일과 당으로 전환하는 혁신적인 바이오 정제 기술을 연구해 왔다. 이제 기술의 가능성을 검증하는 실험실 규모를 벗어나서 더 큰 데모 샘플을 사용하여 응용 개발과 시장 개발을 촉진하기 위해서 파일럿 실증시설을 짓게 되었다.

공공 조달 절차를 따라, KU Leuven이 2021년 1월에 프로토타입 리그닌 우선(lignin first) 바이오리파이너리 파일럿 규모 설치의 상세 설계 및 건설을 위해 MTSA Technopower와 협력을 시작했다. MTSA Technopower는 고객별 장비 설치 및 기계를 설계하고 구현하는 분야에서 25년 이상 활동해 왔으며 프로젝트 실행을 위한 모든 핵심 전문 지식을 보유하고 있는 회사이다.

실증 파일럿 시설의 상세 설계 문서가 최종 개정되고, 2021년에 조달이 시작되었으며 건설 및 공장 인수 테스트가 모두 시작되었다. 설치는 2022년 1분기에 가동되고, 연구 그룹의 연구실 확장을 지원하는 KU Leuven 핵심 시설인 TRANSfarm에서 건설되었다. TRANSfarm 시설은 순환형 바이오 경제의 광범위한 영역에서 파일럿 규모의 전문 지식을 제공한다. TRANSfarm의 이러한 활동은 ①,②,③,④의 지원으로 이루어진다. 

① 유럽 연합의 Horizon 2020 연구 및 혁신 프로그램에 따라 바이오 기반 산업 공동 사업(BBI-JU)으로부터 자금을 지원받은 SMARTBOX 프로젝트의 일부이다. BBI-JU는 유럽 연합의 Horizon 2020 연구 및 혁신 프로그램과 바이오 기반 산업 컨소시엄으로부터 지원을 받는다. 

② Moonshot의 일부인 프로젝트 PILLAR의 지원을 받아 이루어졌다. Moonshot는 기업의 CO2 배출 감소를 지원하는 플랑드르 정부 주도의 혁신 프로그램으로 VLAIO가 지원하고 화학 및 플라스틱 분야의 선두 클러스터인 Catalisti가 주관한다. 

③ VLAIO 혁신 명령 프로젝트 BIOCON. 

④ 프로젝트 AD-LIBIO FOD Economie, K.M.O., Middenstand en Energie의 에너지 전환 기금을 통해 자금을 지원받는다.

나무나 옥수수 속대를 이용해 플라스틱 원료를 만드는 것이 쉽지 않은 일이지만 벨기에 Bierbeek에 설치된 KU Leuven의 새로운 Biocon 반응기 덕분에 가능했다. 반응기는 KU Leuven 연구센터인 TRANSfarm에 위치해 있으며, 식물 잔해를 의류나 플라스틱 제조에 사용할 수 있는 원료로 변환할 수 있다. 이런 일은 이전에는 석유에서 가능했지만, 이는 지속 가능성이 훨씬 낮다. KU Leuven은 TRANSfarm의 새로운 시설을 공식적으로 오픈하면서 바이오 기반의 방향족 화합물의 생산을 위한 전초 기지로 삼고자 한다. 

 

결론

 

유럽의 다양한 리그닌 관련 프로젝트들의 예에서 보듯이 리그닌의 고부가가치화에는 장기적인 관심과 연구를 통해 그 결과물을 얻을 수 있을 것이다. 앞으로의 생물경제(Bioeconomy)에 있어서 한 축을 담당하게 될 리그닌에 관해서 관심을 기울일 필요가 있다. 

<저작권자ⓒ '플라스틱사이언스' 무단전재-재배포 금지.>