생물 플라스틱

Bioplastic
이 기사는 재생 가능한 바이오매스로 만들어진 플라스틱에 관한 것이다. 생분해성 플라스틱에 대한 자세한 내용은 생분해성 플라스틱을 참조하십시오.
IUPAC 정의

바이오매스에서 파생되거나 파생된 모노머에서 발행된 바이오바이드 폴리머
바이오매스로부터 그리고 그것이 완성되는 어느 단계에서.
흐름으로 모양을 만들 수 있는 제품.

주 1:바이오 플라스틱은 일반적으로 폴리머와 반대로 사용된다.
화석 자원
참고 2:생물 플라스틱은 모든 폴리머가 파생된 것을 암시하기 때문에 오해의 소지가 있다.
바이오매스로부터 환경친화적이다.
참고 3:생물 플라스틱이라는 용어의 사용은 금지된다. 표현 사용
"편향된 폴리머"
주 4:페트로 기반 폴리머와 유사한 생물학적 폴리머는 어떠한 의미도 없다.
각각의 비교가 없는 한 환경에 대한 우위.
라이프 사이클 평가가 바람직하다.[1]

바이오플라스틱은 식물성 지방과 기름, 옥수수 전분, 짚, 나무 찹, 톱밥, 재활용 음식물 쓰레기 등 재생 가능한 바이오매스 공급원에서 생산된 플라스틱 소재다. 일부 바이오 플라스틱은 다당류(전분, 셀룰로오스, 키토산, 알긴산 등)와 단백질(콩 단백질, 글루텐, 젤라틴 등)을 포함한 천연 생물다당체로부터 직접 가공하여 얻어지는 반면, 식물이나 동물, 또는 b의 지방으로부터 설탕 유도체(예: 젖산)와 지질(오일, 지방)에서 화학적으로 합성되는 것도 있다.설탕이나 지질의 발효에 의해 생물학적으로 생성된다. 이와는 대조적으로 화석연료 플라스틱(페트로 기반 폴리머라고도 함)과 같은 일반적인 플라스틱은 석유나 천연가스로부터 파생된다.

2014년 현재 바이오 플라스틱은 전 세계 폴리머 시장(3억t)의 약 0.2%를 차지하고 있다.[2] 비록 바이오 플라스틱이 상업적으로 중요한 것은 아니지만, 이 주제에 대한 연구는 계속되고 있다.[3]

많은 바이오 플라스틱의 한 가지 장점은 생분해성이다. 모든 생물 플라스틱이 일반 화석연료에서 파생된 플라스틱보다 더 쉽게 생분해되거나 또는 생분해되는 것은 아니다.[4][1]

제안된 애플리케이션

바이오 플라스틱을 위한 상업적 응용 프로그램이 거의 존재하지 않는다. 비용과 성능은 여전히 문제가 있다. 2011년 이후 특정 법률이 도입되면서 생분해성 비닐봉지가 의무화된 이탈리아의 사례가 대표적이다.[5] 구조적 소재를 넘어 전류를 운반할 수 있는 전기능성 바이오 플라스틱이 개발되고 있다.[6]

생물 플라스틱은 포장, 사기, 절개, 냄비, 그릇, 빨대 등 일회용품에 사용된다.[7]



  • 생분해성 플라스틱 도구.

  • 생물 플라스틱과 다른 생분해성 플라스틱으로 만든 플라스틱 포장.

  • PLA-블렌드 바이오 플렉스로 만든 꽃포장.

바이오 폴리머는 더 일반적인 석유화학 코팅이 아닌 종이의 코팅으로 이용할 수 있다.[8]

드롭인 바이오 플라스틱이라고 불리는 생물 플라스틱은 화석 연료와 화학적으로 동일하지만 재생 가능한 자원으로 만들어진다. 바이오-PE, 바이오-PET, 바이오-프로필렌, 바이오-PP,[9] 바이오베이스를 예로 들 수 있다.[10][11][12] 드롭인 바이오 플라스틱은 기존 인프라를 활용할 수 있어 기술적으로 구현하기 쉽다.[13] 전용 바이오 기반 통로는 기존 화학반응을 통해 얻을 수 없는 제품을 생산할 수 있고, 화석 기반 대안에 비해 독특하고 우수한 성질을 가진 제품을 만들 수 있다.[12]

종류들

USDA의[14] 식용 케이스인 필름 오버랩 개발

다당류 기반 생물성형물

전분계 플라스틱

바이오 플라스틱으로 만든 포장 땅콩(열가소성 전분)

열가소성 전분은 가장 널리 사용되는 생물가소성 수지를 나타내며, 생물가소성 수지의 약 50%를 차지한다.[15] 간단한 전분 생물 플라스틱 필름은 전분을 젤라틴화하여 집에서 만들 수 있다.[16] 순수 전분은 습기를 흡수할 수 있어 제약업종의 약물캡슐 생산에 적합한 물질이다. 그러나 순수한 전분기반의 생물 플라스틱은 깨지기 쉽다. 또한 글리세롤, 글리콜, 소르비톨과 같은 가소제를 첨가하여 녹말을 열성적으로 처리할 수 있다.[17] 그 결과로 발생하는 생물 플라스틱("열가소성 녹말"이라고도 함)의 특성은 이러한 첨가제의 양을 조정함으로써 특정 요구에 맞게 조정할 수 있다. 압출, 사출 성형, 압축 성형, 용액 주조와 같은 기존의 폴리머 처리 기술을 사용하여 전분을 생물 플라스틱으로 가공할 수 있다.[17] 전분 바이오 플라스틱의 성질은 아밀로오스/아밀로펙틴 비율에 크게 영향을 받는다. 일반적으로 아밀로오스 전분은 기계적 특성이 우수하다.[18] 그러나 고아밀로오스 전분은 젤라틴화 온도가[19] 높고 녹는 점성이 높아 가공성이 떨어진다.[20]

전분 기반 생물 플라스틱은 종종 전분/폴리글락틱산,[21] 전분/폴리캐롤락톤[22] 또는 전분/에코플렉스[23](BASF에서[24] 생산된 폴리부틸렌 아디페이트-코-테프탈레이트) 혼합물을 생산하기 위해 생분해성 폴리에스테르와 혼합된다. 이러한 혼합물은 산업 용도에 사용되며 퇴비가 가능하다. 로켓과 같은 다른 생산자들은 다른 녹말/폴리올레핀 혼합물을 개발했다. 이러한 혼합물은 생분해되지 않지만 동일한 용도에 사용되는 석유 기반 플라스틱보다 탄소 발자국이 낮다.[25]

녹말은 싸고 풍부하며 재생이 가능하다.[26]

전분 기반 필름(대부분 포장용으로 사용)은 열가소성 플라스틱 폴리스터와 혼합한 전분으로 주로 만들어 생분해성 및 퇴비성 제품을 형성한다. 이 영화들은 특히 잡지 포장지와 거품 필름의 소비재 포장에서 볼 수 있다. 식품 포장에서는 이러한 필름을 제과점이나 과일과 야채 가방으로 본다. 이 필름을 사용한 퇴비화 봉지는 유기 폐기물 선별 수거에 사용된다.[26] 게다가, 녹말 기반 필름은 종이로 사용될 수 있다.[27][28]

전분 기반 나노복합체는 기계적 특성, 열 안정성, 내습성, 가스 장벽 특성 등이 개선된 것으로 나타나 널리 연구되어 왔다.[29]

셀룰로오스계 플라스틱

바이오 플라스틱인 셀룰로오스 아세테이트로 만든 포장 물집

셀룰로오스 바이오 플라스틱은 주로 셀룰로오스 에스테르(셀룰로오스 아세테이트, 니트로셀룰로오스 포함)와 셀룰로이드를 포함한 그 파생물이다.

셀룰로오스는 광범위하게 변형되면 열가소성 수지가 될 수 있다. 그 예로는 셀룰로오스 아세테이트가 있는데, 이것은 비싸서 포장에 거의 사용되지 않는다. 그러나 녹말보다 수분이 적어 스타치에 첨가된 셀룰로오스 섬유는 기계적 특성, 기체에 대한 투과성, 내수성을 개선할 수 있다.[26]

상하이 대학의 한 단체는 열압박이라는 방법을 통해 셀룰로오스를 기반으로 한 새로운 녹색 플라스틱을 만들 수 있었다.[30]

기타 다당류 기반 플라스틱

기타 키토산, 알긴산 등 다당류도 플라스틱 형태로 가공할 수 있다. 치토산은 약한 산성 조건에서 용해되기 때문에 용액 주조로 필름 처리가 용이하다. 치토산은 필름 형성 능력이 뛰어나다. 게다가, 제한된 양의 산과 혼합된 키토산은 내부 배치 믹서와 압축 몰더를 사용하여 열역학적으로 플라스틱 형태로 가공될 수도 있다.[31] 열역학 처리 중 이러한 고점도의 상태는 키토산을 가소제,[32] 나노입자 [33]또는 다른 생물 고분자와 쉽게 혼합할 수 있게 한다.[34][35][36] 용액 조건에서는 카복시메틸 셀룰로오스, 알긴산염, 단백질 등 다른 음전하 바이오폴리머와 함께 양전하 키토산을 기반으로 한 혼합 재료의 생산은 통상적으로 두 바이오폴리머 간의 정전기적 상호작용이 공아세아세이트로 이어지기 때문에 난항을 겪고 있다. 그러나 벌크 키토산 혼합은 고점도 열역학 처리를 통해 생산될 수 있으며, 이는 또한 훨씬 더 나은 기계적 특성과 수력학적 안정성을 나타낼 수 있다.[34][35][36] 알긴산염(보통 알긴산나트륨 또는 알긴산칼슘)은 물에 녹여 녹일 수 있으므로 알긴산 용액을 필름에 주조할 수 있다. 제한된 양의 물과 가소제를 혼합하여 알긴산염은 또한 열역학적으로 플라스틱 필름으로 처리될 수 있다.[37][38] 일반적으로 글리세롤로서의 플라스틱은 가공된 키토산이나 알긴산 필름을 유연하게 만들 수 있다.

치토산은 연구된 바이오폴리머로 유통기한을 늘리고 합성플라스틱의 사용을 줄이는 포장 대안으로 사용할 수 있다. 치토산은 해양 무척추동물의 무절제한 부분에서 유래한 지구상에서 두 번째로 풍부한 다당류인 치틴의 탈산화를 통해 얻은 다당류다. 키토산의 사용이 증가하면 음식물쓰레기와 포장쓰레기를 줄일 수 있다. 치토산은 생분해와 부패의 성장을 억제하는 항균 활동과 필름 형성 특성들로 구성되어 있다. 합성 플라스틱을 분해하는 것에 비해, 몇 년이 걸릴지도 모르는, 키토산과 같은 생물 폴리머는 몇 주 안에 분해될 수 있다. 항균 포장에는 미생물의 활동을 줄이는 변형 대기 포장, 세균 성장 등의 기술이 포함된다. 치토산은 대안으로 음식물쓰레기를 줄이고 분해되지 않는 플라스틱 소재에 대한 의존도를 낮춘다.[39]

단백질 기반 플라스틱

생물 플라스틱은 다른 원천의 단백질로부터 만들어질 수 있다. 예를 들어 밀 글루텐과 카제인은 서로 다른 생분해성 폴리머의 원료로 유망한 성질을 보여준다.[40]

게다가, 콩 단백질은 생물 플라스틱의 또 다른 공급원으로 간주되고 있다. 콩 단백질은 100년 이상 플라스틱 생산에 사용되어 왔다. 예를 들어, 포드 자동차의 차체 패널은 콩 기반의 플라스틱으로 만들어졌다.[41]

콩 단백질 기반 플라스틱은 수분 민감성과 상대적으로 높은 비용으로 인해 사용에 어려움이 있다. 따라서, 이미 이용 가능한 몇몇 생분해성 폴리머와 콩 단백질의 혼합물을 생산하는 것은 물의 민감성과 비용을 향상시킨다.[42]

일부 알립자 폴리테스터

탈수체 생물다양성자는 폴리-3-하이드록시부티레이트(PHB), 폴리하이드록시부티레이트(PHV), 폴리하이드록시헥사노산염(PHH)과 같은 폴리하이드록시부타노아이트(PHA)가 주를 이룬다.

폴리락틱산(PLA)

폴리클락틱산(PLA)-블렌드 바이오 플렉시블 소재의 멀치 필름

PLA(Polylactic acid, PLA)는 옥수수 또는[43] 덱스트로스로부터 생산되는 투명한 플라스틱이다. 표면적으로는 PS와 같은 기존의 석유화학 기반의 질량 플라스틱과 유사하다. 식물에서 파생되어 쉽게 생분해되는 것이 장점이다. 불행히도 그것은 열충격 강도, 열강건성 및 장벽 특성(막을 가로지르는 공기 수송 차단)[2]을 보여준다. PLA와 PLA 혼합은 일반적으로 필름, 섬유, 플라스틱 용기, 컵 및 병의 생산을 위해 제한된 규모로 사용되는 PLA iiis의 형태로 나타난다. PLA는 또한 가정용 융접 증착 모델링에 사용되는 플라스틱 필라멘트의 가장 일반적인 유형이다.

폴리-3-하이드록시부티레이트

바이오폴리머 폴리-3-하이드록시부티레이트(PHB)는 특정 박테리아 가공 포도당, 옥수수[44] 전분 또는 폐수에서 생산되는 폴리에스테르다.[45] 그 특성은 석유 플라스틱 폴리프로필렌과 유사하다. PHB생산이 증가하고 있다. 예를 들어, 남미 설탕 산업은 PHB 생산을 산업 규모로 확대하기로 결정했다. PHB는 주로 신체적 특징으로 구별된다. 섭씨 130도 이상의 용해점을 가진 투명필름으로 가공할 수 있으며, 잔여물 없이 생분해된다.

폴리히드록실카노아테스

폴리히드록시칼라노사이트는 자연에서 설탕이나 지질의 박테리아 발효에 의해 생산되는 선형 폴리테스터다. 그것들은 탄소와 에너지를 저장하기 위해 박테리아에 의해 생산된다. 산업 생산에서는 설탕 발효 조건을 최적화하여 폴리에스테르를 박테리아에서 추출하여 정제한다. 150개 이상의 모노머를 이 제품군 내에서 조합하여 매우 다른 성질을 가진 재료를 제공할 수 있다. PHA는 다른 플라스틱에 비해 연성이 좋고 탄성이 낮으며, 또한 생분해성이 있다. 이 플라스틱들은 의료 산업에서 널리 사용되고 있다.

폴리아미드 11

PA 11은 천연유에서 파생된 생물다양성이다. 그것은 또한 아르메마가 상업화한 트레이드네임 릴산 B에 의해서도 알려져 있다. PA 11은 기술 폴리머 계열에 속하며 생분해성이 없다. 그것의 특성은 생산 과정에서 온실가스의 배출과 비재생 자원의 소비는 감소하지만 PA 12와 유사하다. 열저항성도 PA12보다 뛰어나다. 자동차 연료 라인, 공압식 에어브레이크 튜브, 전기 케이블 안티테마이트 피복, 유연한 오일 및 가스 파이프, 제어 유체 탯줄, 스포츠화, 전자 장치 구성품 및 카테터와 같은 고성능 애플리케이션에 사용된다.

유사한 플라스틱은 DSM이 상용화한 EcoPaXX라는 상표명으로 캐스터오일 70%에서 파생된 폴리아미드 410(PA 410)이다.[46] PA 410은 높은 용해점(약 250°C)과 낮은 수분 흡수력, 다양한 화학 물질에 대한 뛰어난 내성을 결합한 고성능 폴리아미드다.

바이오 유래 폴리에틸렌

주요 기사: 재생 폴리에틸렌

폴리에틸렌의 기본 구성 요소(모노머)는 에틸렌이다. 에틸렌은 화학적으로 에탄올과 유사하며, 사탕수수나 옥수수 같은 농업용 사료용 원료를 발효시켜 생산할 수 있는 에탄올에서 유래될 수 있다. 생물 유래 폴리에틸렌은 화학적으로나 물리적으로 기존의 폴리에틸렌과 동일하며, 생분해되지 않고 재활용이 가능하다. 브라질 화학단체 브라스켐은 사탕수수 에탄올에서 폴리에틸렌을 생산하는 방법을 이용해 생산된 그린폴리에틸렌 톤당 2.15톤의 CO를
2 포획(환경에서 제거)한다고 주장하고 있다.

유전자변형사료품목

GM 옥수수가 일반적인 공급원료인 상황에서, 일부 생물 플라스틱이 이것으로 만들어졌다는 것은 놀라운 일이 아니다.

바이오 플라스틱 제조 기술 아래에는 유전자 변형 작물이나 유전자 변형 박테리아를 이용해 효율성을 최적화하는 '식물 공장' 모델이 있다.

폴리히드록시유레탄스

폴리아민과 순환 탄산염의 응축은 폴리하이드록수레탄을 생성한다.[47] 기존의 교차연계 폴리우레탄과 달리 교차연계 폴리히드록시유레탄은 원칙적으로 동적 트랜스 카르바모일레이션 반응을 통해 재활용과 재처리가 가능하다.[48]

지질 유도 고분자

많은 생물 플라스틱 등급이 식물과 동물에서 파생된 지방과 기름으로부터 합성되었다.[49] 폴리우레탄,[50][51] 폴리에스테르,[52] 에폭시 수지[53] 및 기타 여러 종류의 폴리머가 원유 기반 재료와 유사한 성질을 가지고 개발되었다. 최근 올레핀 메타텍스 개발로 바이오노머와 폴리머로 경제적 전환을 위한 다양한 피드스톡이 열리고 있다.[54] 저비용 미세조류 유도유뿐만 아니라 전통적인 식물성 기름의 생산량이 증가함에 따라,[55] 이 지역에서 성장 가능성이 매우 크다.

환경영향

PLA-블렌드 바이오 플렉시블 제과포장
셀룰로오스 아세테이트 바이오그라드로 만든 병
PLA-블렌드 바이오 플렉스로 만든 빨대 마시기
PLA-블렌드 바이오 플렉시블, 바이오 플라스틱으로 만든 항아리

전분, 셀룰로오스, 목재, 설탕, 바이오매스와 같은 물질들은 생물 플라스틱을 생산하기 위한 화석 연료 자원의 대용으로 사용된다. 이것은 생물 플라스틱의 생산을 기존의 플라스틱 생산에 비해 더 지속 가능한 활동으로 만든다.[56] "녹색성"에 대한 여러 가지 지표(예: 물 사용, 에너지 사용, 삼림 벌채, 생분해 등)[57][58][59]가 있기 때문에 생물 플라스틱의 환경 영향은 종종 논의된다. 따라서 생물 플라스틱 환경 영향은 재생 불가능한 에너지 사용, 기후 변화, 유전화 및 산성화로 분류된다.[60] 바이오 플라스틱 생산은 온실 가스 배출량을 크게 줄이고 비재생 에너지 소비를 줄인다.[56] 전 세계 기업들도 바이오 플라스틱을 사용함으로써 제품의 환경 지속 가능성을 높일 수 있을 것이다.

바이오 플라스틱은 기존 플라스틱에 비해 비재생에너지를 더 많이 절약하고, 기존 플라스틱에 비해 온실가스를 덜 배출하지만, 바이오 플라스틱은 어영양화, 산성화 등 환경에도 부정적인 영향을 미친다.[60] 바이오 플라스틱은 기존 플라스틱보다 높은 에우트로피케이션 잠재력을 유도한다.[60] 산업농업을 하는 동안 바이오매스 생산은 질산염과 인산염을 수체로 여과시키는 원인이 되고, 이것은 물의 몸이 영양소의 과도한 풍부함을 얻는 과정인 영양소화를 야기한다.[60] 어우트로피케이션은 유해한 해조류를 발생시켜 수생동물을 죽이기 때문에 전 세계 수자원에 위협이 되고 있다.[62] 바이오 플라스틱도 산성화를 증가시킨다.[60] 바이오 플라스틱에 의한 에우트로피케이션과 산성화의 높은 증가도 재생 원재료 경작에 화학 비료를 사용하여 바이오 플라스틱을 생산하는 데 기인한다.[56]

생물 플라스틱의 다른 환경적 영향으로는 기존의 플라스틱에 비해 낮은 인간 및 지상의 생태독성 및 발암성 잠재력을 발휘하는 것이 있다.[60] 그러나 생물 플라스틱은 기존의 물질보다 수생 생태독성이 더 높다.[60] 바이오 플라스틱과 기타 바이오 기반 물질은 기존 플라스틱에 비해 성층권 오존 고갈을 증가시킨다. 이는 바이오매스 생산을 위한 산업용 농경 중 비료 적용 시 아산화질소 배출의 결과물이다.[60] 인공 비료는 특히 농작물이 모든 질소를 필요로 하지 않을 때 아산화질소의 배출을 증가시킨다.[63] 생물 플라스틱이 환경에 미치는 경미한 영향은 생물 플라스틱을 만드는 데 사용되는 농작물에 농약을 사용함으로써 독성을 포함한다.[56] 바이오 플라스틱은 또한 수확 차량으로부터 이산화탄소 배출을 유발한다.[56] 그 밖에 경미한 환경 영향으로는 바이오매스 재배, 토양 침식, 토양 탄소 손실, 생물 다양성 상실을 위한 높은 물 소비량이 있으며, 주로 생물 플라스틱과 관련된 토지 이용의 결과물이다.[60] 생물 플라스틱 생산을 위한 토지 사용은 탄소 분리 손실을 초래하고 탄소 비용을 증가시키는 동시에 토지와 기존 용도의 토지를 분리한다.

바이오 플라스틱은 비재생성 소비와 온실가스 배출을 줄이기 때문에 매우 유리하지만, 농약과 비료, 항산화, 산성화를 이용하여 토양과 물 소비를 통해 환경에 부정적인 영향을 미치기 때문에 생물 플라스틱이나 기존 플라스틱 중 하나를 선호하는 것은 어떤 것에 달려 있다. 가장 중요한 환경적 영향을 고려한다.[56]

생물 플라스틱의 또 다른 문제는 일부 생물 플라스틱이 농작물의 식용 부분으로부터 만들어진다는 것이다. 이것은 생물 플라스틱을 생산하는 농작물이 사람들에게 먹이는 데도 사용될 수 있기 때문에 생물 플라스틱이 식품 생산과 경쟁하게 만든다.[65] 이러한 바이오 플라스틱을 "1세대 공급 원료 바이오 플라스틱"이라고 한다. 2세대 공급원료 바이오 플라스틱은 1세대 공급원료(폐채소유 등)의 비식품 작물(비식품 원료)이나 폐자재를 사용한다. 3세대 공급원료 바이오 플라스틱은 조류를 공급원료로 사용한다.[66]

바이오플라스틱의 생물분해

추가 정보: 생분해성 플라스틱
PLA-블렌드 바이오 플렉시블 포장 에어베개

플라스틱의 생물분해란 고체/액체 인터페이스에서 일어나는 과정으로, 액체상 속 효소가 고체상 고형분해(solid phase)를 고형분해(dollative phase)하는 것. 특정 유형의 생물 플라스틱뿐만 아니라 첨가물을 함유한 기존의 플라스틱도 생물분해가 가능하다.[68] 생물 플라스틱은 다른 환경에서 생분해할 수 있기 때문에 기존 플라스틱보다 더 허용 가능하다.[69] 생물 플라스틱의 생분해성은 토양, 수생 환경, 퇴비를 포함한 다양한 환경 조건에서 발생한다.[69] 바이오폴리머나 바이오 복합체의 구조와 구성 모두 생물분해 과정에 영향을 미치기 때문에 성분과 구조를 바꾸면 생물분해성이 높아질 수 있다.[69] 토양과 퇴비는 환경조건으로 미생물 다양성이 높아 생물분해 효율성이 높다.[69] 퇴비화는 생물화합물을 효율적으로 분해할 뿐만 아니라 온실가스의 배출을 현저하게 감소시킨다.[69] 퇴비 환경에서 생분해성은 용해성 설탕을 더하고 온도를 높임으로써 업그레이드할 수 있다.[69] 반면 토양 환경은 미생물의 다양성이 높아 생물 플라스틱의 생분해 발생이 용이하다.[69] 그러나 토양 환경의 바이오 플라스틱은 더 높은 온도와 더 긴 생분해 시간이 필요하다.[69] 일부 생물 플라스틱은 수역과 해양 시스템에서 더 효율적으로 생분해되지만, 이것은 해양 생태계와 담수에 위험을 초래한다.[69] 따라서 수생생물 및 건강하지 못한 물의 사망을 초래하는 수역의 생물학적 분해는 생물 플라스틱이 환경에 미치는 부정적인 영향 중 하나로 지적될 수 있다는 결론을 내리는 것이 정확하다.

산업 및 시장

PLA(Polylactide)로 만든 티백, (페퍼민트차)

유기물질을 기반으로 한 플라스틱이 20세기 내내 화학회사들에 의해 제조된 반면, 말버러 바이오폴리머스는 1983년에 처음으로 바이오 플라스틱에 초점을 맞춘 회사가 설립되었다. 그러나 말버러와 그 뒤를 이은 다른 벤처기업들은 상업적인 성공을 거두지 못했는데, 그러한 회사는 1989년에 설립된 이탈리아 회사인 노바몬트가 최초로 장기적인 재정적인 성공을 거두었다.[70]

바이오 플라스틱은 전 세계적으로 제조된 플라스틱의 1% 미만으로 남아 있으며,[71][72] 대부분의 바이오 플라스틱은 아직 제조에 필요한 것보다 더 많은 탄소 배출을 절약하지 못하고 있다.[73] 매년 제조되는 2억5000만t의 플라스틱을 바이오 기반 플라스틱으로 대체하려면 지구 경작지의 7%인 1억ha의 땅이 필요할 것으로 추산된다. 그리고 바이오 플라스틱이 수명주기가 끝나갈 때, 적절한 퇴비화 시설이나 폐기물 분류가 부족하여 퇴비화 및 생분해성 물질로 판매되도록 설계된 물질들은 종종 매립지로 보내지고, 그곳에서 메탄은 혐기적으로 분해되면서 방출된다.[74]

COPA(유럽연합 농업기구 위원회)와 COGEGA(유럽연합 농업협력 총괄위원회)는 유럽 경제의 다양한 분야에서 생물 플라스틱의 잠재력을 평가하였다.

섹터 연간 톤수
케이터링 제품 450,000 450000
유기농 쓰레기봉투 100,000 100000
생분해성 멀치포일 130,000 130000
기저귀용 생분해성 포일 80,000 80000
기저귀, 100% 생분해성 240,000 240000
포일 포장 400,000 400000
야채포장 400,000 400000
타이어 구성 요소 200,000 200000
합계: 2,000,000

바이오 플라스틱의 역사와 발전

추가 정보: 생물 플라스틱 생산자 목록
  • 1925: 폴리히드록시부티레이트(Polyhydroxybutyate)는 프랑스의 미생물학자 모리스 르모인에 의해 격리되어 특징지어졌다.
  • 1855: 첫 번째 리놀륨 버전 생산
  • 1862: 런던 대전시회에서 알렉산더 파케스는 최초의 열가소성 플라스틱인 파케신을 전시한다. 파케신은 니트로셀룰로오스로 만들어져 성질이 매우 좋으나 가연성이 매우 뛰어나다. (1998년 흰색)[75]
  • 1897: 오늘날에도 여전히 생산되고 있는 갈랄리스는 1897년 독일의 화학자들에 의해 만들어진 우유 기반 생물 플라스틱이다. 갈릴리스는 주로 단추에서 발견된다. (Thielen 2014) [76]
  • 1907: Leo Baekeland는 비전도성과 내열성으로 인해 National History Chemical Landmark를 받은 Bakelite를 발명했다. 라디오와 전화통, 주방용품, 화기, 그리고 더 많은 제품에 사용된다. (Pathak, Sneha, Mathew 2014)
  • 1912: Brandenberger는 나무, 면 또는 삼베 셀룰로오스로부터 셀로판(Cellophane)을 발생시킨다. (Thielen 2014) [76]
  • 1920년대: 월리스 캐로더스는 폴리락틱산(PLA) 플라스틱을 발견한다. PLA는 제작비가 엄청나게 비싸고 1989년까지 양산되지 않는다. (화이트클라우드 2018)
  • 1926: Maurice Lemoigne는 박테리아로 만들어진 최초의 생물 플라스틱인 폴리하이드록시부티레이트(PHB)를 발현한다. (Thielen 2014) [76]
  • 1930년대: 최초의 바이오 플라스틱 자동차는 헨리 포드에 의해 콩으로 만들어졌다. (Thielen 2014)
  • 1940-1945: 제2차 세계 대전 동안 플라스틱 생산의 증가는 많은 전시 재료에 사용되면서 보여진다. 정부의 자금과 감독으로 인해 미국의 플라스틱 생산량은 1940-1945년 동안 3배로 증가했다.[78] 1942년 미국 정부의 단편 영화 "The Tree in a Test Tube"는 제2차 세계 대전 승리 노력과 그 당시 미국 경제에서 행해진 주요 역할을 보여준다.
  • 1950년대: 아밀로마이즈(>50% 아밀로오스 함량 옥수수)가 성공적으로 번식하여 상업용 바이오 플라스틱 용도가 개발되기 시작했다. (Liu, Moult, Long, 2009)[79] 저렴한 유가로 인해 생물 플라스틱 개발의 감소가 나타나지만, 합성 플라스틱의 개발은 계속되고 있다.
  • 1970년대: 환경운동은 생물 플라스틱의 발전을 촉진시켰다. (Rogers 2005)
  • 1983: 최초의 바이오 플라스틱 회사인 Marlborough Biopolymers는 바이오팔이라는 박테리아 기반 바이오 플라스틱을 사용하는 회사를 시작했다. (Feder 1985)
  • 1989: PLA의 추가 개발은 Patrick R. Gruber 박사가 옥수수로 PLA를 만드는 방법을 알아낼 때 이루어진다. (Whitecloid 2018) 대표적인 바이오 플라스틱 회사는 Novument라고 불린다. Novatum은 생물 플라스틱인 matter-bi를 여러 가지 다른 용도에 사용한다. (2018년 11월 분)
  • 1992: PHB는 Arabidopsis thaliana 식물에 의해 생산될 수 있다고 Science에 보고되었다. (Puiier, Dennis, Klomparens, Nawrath, Somerville 1992)
  • 1990년대 후반: 바이오테크사의 연구와 생산에서 TP 전분 및 BIOPLAST의 개발이 바이오플렉스 필름으로 이어진다. BIOFLEX 필름은 블로우 필름 압출, 플랫 필름 압출, 사출 몰딩 라인으로 분류할 수 있다. 이 세 가지 분류에는 다음과 같은 적용이 있다. 불린 필름 - 자루, 가방, 쓰레기 봉투, 멀치 포일, 위생 제품, 기저귀 필름, 기저귀 필름, 공기 방울 필름, 보호복, 장갑, 이중 늑골 가방, 라벨, 장벽 리본, 플랫 필름 - 트레이, 화분, 냉동 제품 및 포장, 컵, 의약품 포장; 주입 몰딩 - 일회용 절단기, 캔, 용기, 수행된 조각, CD 쟁반, 묘지 기사, 골프 티, 장난감, 필기구. (Lorcks 1998)
  • 2001: Dragentix Inc.는 식물을 사용하여 생물 플라스틱을 생산하는 몬산토의 바이오폴 사업(원래 Zeneca)을 구입한다. (Barber 및 Fisher 2001)
  • 2001: 닉 터커(Nick Tucker)는 플라스틱 자동차 부품을 만들기 위해 코끼리 풀을 생물 플라스틱 베이스로 사용한다. (Tucker 2001)
  • 2005: Cargill 및 Dow Chemicals를 Nature로 브랜드 변경PLA를 선도하는 프로듀서가 되어 작업한다. (페니시 2016)
  • 2007: DDCARS. 시장은 옥수수 설탕 발효와 유전자 조작 박테리아로 만든 미렐이라는 최초의 100% 생분해성 플라스틱을 시험한다. (Digregorio 2009)
  • 2012: 생물 플라스틱은 약학 연구 저널에 발표된 연구에 기초하여 가장 환경 친화적인 생물 플라스틱 중 하나임을 증명하는 해초로부터 개발된다. (Rajendran, Puppala, Sneha, Angelerena, Rajam 2012)
  • 2013: a patent is put on bioplastic derived from blood and a crosslinking agent like sugars, proteins, etc. (iridoid derivatives, diimidates, diones, carbodiimides, acrylamides, dimethylsuberimidates, aldehydes, Factor XIII, dihomo bifunctional NHS esters, carbonyldiimide, glyoxyls, proanthocyanidin, reuterin). 이 발명은 생물 플라스틱을 조직, 연골, 힘줄, 인대, 뼈 등으로 사용하여 줄기세포 전달에 사용할 수 있다. (캠프벨, 버지스, 와이스, 스미스 2013)
  • 2014: 2014년에 발표된 연구에서 식물성 폐기물(파슬리와 시금치 줄기, 코코아 껍질, 쌀의 선체 등)과 순수 셀룰로오스 TFA 용액을 혼합하여 바이오 플라스틱을 만들 수 있다는 사실이 밝혀졌다. (Bayer, Guzman-Puyol, Ereneia-Guerrero, Ceseracciu, Pignateli, Ruffilli, Cingolani, Athanasiou 2014)
  • 2016: 규제를 통과한 자동차 범퍼가 바나나 껍질을 이용한 나노 셀룰로오스 기반 바이오소재로 만들어질 수 있다는 실험 결과가 나왔다. (호사인, 이브라힘, 알레사 2016)
  • 2017: Lignocellossics 자원(건식 식물 물질)으로 만든 바이오 플라스틱에 대한 새로운 제안. (Brodin, Malin, Vallejos, Opedal, Area, Chinga-Carrasco 2017) [93]
  • 2018: 이케아 바이오 플라스틱 가구 산업생산 시작(Barret 2018), 나일론 바이오나일론 대체에 주력하는 프로젝트 Effective(Barret 2018), 과일로 만든 첫 포장(Barret 2018) 등 많은 발전이 일어나고 있다.[94]
  • 2019: '한국화학연구원'이 강한 개성과 항균효과를 검증하기 위해 5가지 다른 종류의 치틴 나노물질을 추출해 합성했다. 지하에 묻으면 6개월 안에 100% 생분해가 가능했다.[95]

*이것은 포괄적인 목록이 아니다. 이 발명품들은 생물 플라스틱의 다재다능함과 중요한 돌파구를 보여주기 위한 저자의 것이었다. 바이오 플라스틱의 새로운 응용과 발명은 매년 일어난다.

연도 생물학적 발견 또는 개발
1862 파케신 - 알렉산더 파크스
1868 셀룰로이드 - 존 웨슬리 하얏트
1897 갈랄리스 - 독일 화학자
1907 바켈라이트 - 레오 백랜드
1912 셀로판 - 자크 Brandenberger
1920년대 PLA(Polylactic ACid) - 월리스 캐로더스
1926 폴리히드록시부티레이트(PHB) - 모리스 레모인
1930년대 콩 기반 생물 플라스틱 자동차 - 헨리 포드
1983 바이오팔 - 말버러 바이오폴리머
1989 옥수수의 PLA - Patrick R. Gruber 박사; Matter-bi - Novatum
1992 PHB는 아라비도시스 탈리아나(작은 꽃식물)에 의해 생산될 수 있다.
1998 바이오 플렉시블 필름(노출, 평면, 사출 성형)은 바이오 플라스틱의 다양한 용도를 이끌어 낸다.
2001 PHB는 코끼리 풀로 만들어질 수 있다.
2007 Docractix Inc.의 미렐(100% 생분해성 플라스틱)은 시장 테스트를 거쳤다.
2012 생물 플라스틱은 해초로부터 개발된다.
2013 혈액으로 만든 생체 플라스틱과 의료 절차에 사용되는 교차 연결제
2014 식물성 폐기물로 만든 바이오 플라스틱
2016 바나나 껍질 바이오 플라스틱으로 만든 자동차 범퍼
2017 리그노셀룰로오스 자원으로 만든 바이오 플라스틱(건식물)
2018 바이오 플라스틱 가구, 바이오나일론, 과일 포장
바이오 플라스틱 개발 센터 - 매사추세츠 로웰 대학교
바이오 플라스틱으로 만든 펜(폴리락타이드, PLA)

시험절차

PLA-블렌드 바이오 플렉시블 소재의 바이오 플라스틱 샴푸 병

산업용 퇴비성 – EN 13432, ASTM D6400

유럽 시장에서 플라스틱 제품이 퇴비가 가능하다고 주장하기 위해서는 EN 13432 산업 표준을 충족해야 한다. 요약하면 12주 이내 완제품 분해(물리적·시각적 분해), 180일 이내 고분자 성분의 생분해(유기탄소를 CO2로 변환), 식물 독성·중금속 등 복수의 테스트와 합격/불합격 기준을 설정한다. ASTM 6400 표준은 미국의 규제 체계로서 유사한 요건을 가지고 있다.

많은 녹말 기반 플라스틱, PLA 기반 플라스틱, 그리고 숙성 및 아디파이트와 같은 특정 알리파 자동 공동 폴리페스터 화합물이 이러한 증명서를 획득했다. 광분해성 또는 옥소 생분해성 물질로 판매되는 첨가제 기반 생물 플라스틱은 현재 형태에서 이러한 표준을 준수하지 않는다.

퇴비성 – ASTM D6002

플라스틱의 퇴비성을 결정하기 위한 ASTM D 6002 방법은 다음과 같이 퇴비 가능한 단어를 정의하였다.

이 물질은 시각적으로 구별할 수 없고 알려진 퇴비성 물질과 일치하는 비율로 이산화탄소, 물, 무기 화합물 및 바이오매스로 분해될 수 있다.[96]

이 정의는 전통적으로 용어 정의 방식과 달리 '댓글'의 필요성으로부터 '댓글'의 과정을 완전히 벗어나 최종 산물로서 유머/댓글을 이끌어내기 때문에 많은 비판을 받았다. 이 표준이 설명하는 유일한 기준은 퇴비성 플라스틱이 전통적인 정의에 따라 퇴비가 가능하도록 이미 확립한 다른 것만큼 빨리 없어지는 것처럼 보여야 한다는 것이다.

ASTM D 6002 철수

2011년 1월, ASTM은 플라스틱 제조업체가 플라스틱을 퇴비성이라고 표시할 수 있는 법적 신뢰성을 제공했던 표준 ASTM D 6002를 철회했다. 그 설명은 다음과 같다.

이 가이드에서는 환경적으로 분해될 수 있는 플라스틱의 퇴비성을 확립하기 위한 제안된 기준, 절차 및 일반적인 접근법을 다루었다.[97]

ASTM은 아직 이 표준을 대체하지 않았다.

바이오베이스 – ASTM D6866

ASTM D6866 방법은 바이오 플라스틱의 생물학적으로 파생된 내용을 인증하기 위해 개발되었다. 대기와 충돌하는 우주선은 탄소의 일부가 방사성 동위원소 탄소-14라는 것을 의미한다. 대기 중의 CO는2 식물이 광합성에 이용하기 때문에 새로운 식물 물질은 탄소-14와 탄소-12를 모두 포함할 것이다. 적절한 조건 하에서, 그리고 지질학적 시간대에 걸쳐서, 살아있는 유기체의 잔해는 화석 연료로 변할 수 있다. ~ 10만 년 후에 원래의 유기 물질에 존재하는 모든 탄소-14는 탄소-12만 남기고 방사성 붕괴를 겪게 될 것이다. 바이오매스로 만든 제품은 탄소-14가 상대적으로 높은 반면 석유화학으로 만든 제품은 탄소-14가 없다. 물질(고체 또는 액체)에서 재생 가능 탄소의 비율은 가속기 질량 분광계로 측정할 수 있다.[98][99]

생물분해성과 생물분해성 사이에는 중요한 차이가 있다. 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)[100]과 같은 바이오 플라스틱은 100% 바이오바이드(즉, 재생 가능 탄소 100% 함유)가 될 수 있지만 바이오디그레이드는 불가능하다. 그럼에도 불구하고 HDPE와 같은 이러한 바이오 플라스틱은 특히 에너지 생산을 위해 연소될 때 온실 가스 방지에 중요한 역할을 한다. 이러한 바이오 플라스틱의 생물학적 성분은 그 기원이 바이오매스이기 때문에 탄소중립으로 간주된다.

혐기성 생분해성 – ASTM D5511-02 및 ASTM D5526

ASTM D5511-12 및 ASTM D5526-12는 플라스틱의 생분해성을 위한 ISO DIS 15985와 같은 국제 표준을 준수하는 시험 방법이다.

참고 항목

참조

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