바이오 플라스틱 : 생산 방법, 유형, 장점, 단점 - 환경 - 2026

바이오 플라스틱은 생분해 성 석유 화학 기원 또는 바이오 매스의 고분자에 기반한 연성 물질이다. 석유에서 합성 된 기존 플라스틱과 유사하게 다양한 물체로 성형 할 수 있습니다.

기원에 따라 바이오 플라스틱은 바이오 매스 (바이오 기반)에서 얻거나 석유 화학 유래 일 수 있습니다. 다른 한편으로, 분해 수준에 따라 생분해 성 및 비 생분해 성 바이오 플라스틱이 있습니다.

생분해 성 전분 폴리 에스테르로 만든 칼 붙이. 출처 : Scott Bauer

바이오 플라스틱의 부상은 기존 플라스틱의 불편 함으로 인해 발생합니다. 여기에는 바다와 매립지에 비 생분해 성 플라스틱의 축적이 포함됩니다.

반면에 기존 플라스틱은 탄소 발자국이 높고 독성 원소 함량이 높습니다. 대조적으로 바이오 플라스틱은 독성 원소를 생성하지 않고 일반적으로 생분해 성 및 재활용이 가능하기 때문에 몇 가지 장점이 있습니다.

바이오 플라스틱의 주요 단점 중 하나는 높은 생산 비용과 낮은 저항입니다. 또한 사용되는 일부 원자재는 잠재적 인 식품이므로 경제적 및 윤리적 문제를 제기합니다.

바이오 플라스틱 물체의 예로는 생분해 성 가방과 차량 및 휴대폰 부품이 있습니다.

바이오 플라스틱의 특성

바이오 플라스틱의 경제적 및 환경 적 중요성

바이오 플라스틱으로 만든 다양한 실용적인 물건. 출처 : Hwaja Götz, Wikimedia Commons를 통해

최근에는 재생 가능한 원료로 생분해 가능한 플라스틱을 생산하는 데 더 많은 과학적, 산업적 관심이있었습니다.

이는 세계의 석유 매장량이 고갈되고 있으며 석유 플라스틱으로 인한 심각한 환경 피해에 대한 인식이 높아지고 있기 때문입니다.

세계 시장에서 플라스틱에 대한 수요가 증가함에 따라 생분해 성 플라스틱에 대한 수요도 증가하고 있습니다.

생분해 성

생분해 성 바이오 플라스틱 폐기물은 유기, 급속 분해 및 무공해 폐기물로 처리 될 수 있습니다. 예를 들어, 생물학적 과정에서 자연적으로 재활용되기 때문에 퇴비화의 토양 개량제로 사용할 수 있습니다.

수많은 상업적 용도로 사용되는 바이오 플라스틱. 출처 : F. Kesselring, FKuR Willich, via Wikimedia Commons

바이오 플라스틱의 한계

생분해 성 바이오 플라스틱의 제조는 큰 도전에 직면 해 있는데, 바이오 플라스틱은 석유 플라스틱에 비해 열등한 특성을 가지고 있으며 그 용도는 성장하지만 제한적이기 때문입니다.

바이오 플라스틱의 특성 개선

바이오 플라스틱의 특성을 개선하기 위해 탄소 나노 튜브 및 화학적으로 변형 된 천연 섬유와 같은 다양한 유형의 첨가제와 함께 바이오 폴리머 블렌드가 개발되고 있습니다.

일반적으로 바이오 플라스틱에 적용되는 첨가제는 다음과 같은 특성을 향상시킵니다.

• 강성과 기계적 저항.
• 가스 및 물에 대한 장벽 특성.
• 내열성 및 내열성.

이러한 특성은 화학적 준비 및 처리 방법을 통해 바이오 플라스틱으로 가공 될 수 있습니다.

바이오 플라스틱은 어떻게 생산됩니까?

열가소성 전분으로 만든 포장용 바이오 플라스틱. 출처 : Christian Gahle, nova-Institut GmbH

-약력

바이오 플라스틱은 기존의 석유 유래 합성 플라스틱보다 앞서 있습니다. 플라스틱 재료를 생산하기 위해 식물 또는 동물 물질의 폴리머를 사용하는 것은 천연 고무 (Hevea brasiliensis의 라텍스)를 사용하여 18 세기로 거슬러 올라갑니다.

최초의 바이오 플라스틱은 이름이 지정되지 않았지만 1869 년 John Wesley Hyatt Jr.에 의해 개발되었습니다. John Wesley Hyatt Jr.는 상아를 대체하기 위해면 셀룰로오스에서 추출한 플라스틱을 생산했습니다. 마찬가지로 19 세기 말에는 우유에서 추출한 카제인이 바이오 플라스틱 생산에 사용되었습니다.

1940 년대에 포드 회사는 자동차 부품을 만들기 위해 식물성 원료를 사용하는 대안을 모색했습니다. 이 연구는 전쟁으로 인한 강철 사용 제한에 의해 촉발되었습니다.

그 결과 1941 년에 회사는 주로 콩 파생물로 구성된 차체를 가진 자동차 모델을 개발했습니다. 그러나 전쟁이 끝난 후이 계획은 계속되지 않았습니다.

1947 년에 최초의 기술 바이오 플라스틱 인 Polyamide 11 (상표로서 ​​Rilsan)이 생산되었습니다. 이후 1990 년대에 PLA (폴리 락트산), PHA (폴리 하이드 록시 알 카노 에이트) 및 가소 화 된 전분이 등장했습니다.

-원료

바이오 기반 바이오 플라스틱은 식물 바이오 매스로 만든 것입니다. 바이오 기반 원료의 세 가지 기본 소스는 다음과 같습니다.

바이오 매스의 천연 고분자

전분이나 설탕과 같이 식물에서 직접 만든 천연 고분자를 사용할 수 있습니다. 예를 들어, "감자 플라스틱"은 감자 전분으로 만든 생분해 성 바이오 플라스틱입니다.

바이오 매스 모노머에서 합성 된 폴리머

두 번째 대안은 식물 또는 동물 공급원에서 추출한 모노머에서 폴리머를 합성하는 것입니다. 이 경로와 이전 경로의 차이점은 여기서 중간 화학 합성이 필요하다는 것입니다.

예를 들어, Bio-PE 또는 녹색 폴리에틸렌은 사탕 수수에서 얻은 에탄올에서 생산됩니다.

바이오 플라스틱은 달걀 껍질 단백질 인 글리코 사 미노 글리 칸 (GAG)과 같은 동물성 원료에서도 생산 될 수 있습니다. 이 단백질의 장점은 더 내성이 강한 바이오 플라스틱을 얻을 수 있다는 것입니다.

박테리아 배양에 기반한 생명 공학

바이오 플라스틱 용 폴리머를 생산하는 또 다른 방법은 박테리아 배양을 통한 생명 공학을 이용하는 것입니다. 이러한 의미에서 많은 박테리아가 추출 및 처리 할 수있는 폴리머를 합성하고 저장합니다.

이를 위해 박테리아는 적절한 배양 배지에서 대량으로 배양 된 다음 특정 폴리머를 정제하기 위해 처리됩니다. 예를 들어, PHA (폴리 하이드 록시 알 카노 에이트)는 질소 나 인이없고 탄소가 과다한 배지에서 자라는 다른 박테리아 속으로 합성됩니다.

박테리아는 박테리아 덩어리를 처리하여 추출되는 세포질에 과립 형태로 폴리머를 저장합니다. 또 다른 예는 PHBV (PolyhydroxyButylValerate)로, 식물 유골에서 얻은 당을 먹인 박테리아에서 얻습니다.

이러한 방식으로 얻은 바이오 플라스틱의 가장 큰 한계는 주로 필요한 배양 배지로 인해 생산 비용입니다.

천연 고분자와 생명 공학 고분자의 결합

오하이오 대학은 천연 고무와 바이오 플라스틱 PHBV, 유기 과산화물, 트리메틸 올 프로판 트리 아크릴 레이트 (TMPTA)를 결합하여 상당히 강력한 바이오 플라스틱을 개발했습니다.

-생산 과정

바이오 플라스틱은 원료와 원하는 특성에 따라 다양한 공정을 통해 얻어집니다. 바이오 플라스틱은 기본 공정 또는 더 복잡한 산업 공정을 통해 얻을 수 있습니다.

기본 과정

전분, 옥수수 또는 감자 전분과 같은 천연 고분자를 사용하는 경우 조리 및 성형이 가능합니다.

따라서 바이오 플라스틱을 생산하는 기본 레시피는 옥수수 전분이나 감자 전분을 물과 혼합하여 글리세린을 첨가하는 것입니다. 그 후,이 혼합물은 두껍고 성형되고 건조 될 때까지 조리됩니다.

중간 복잡성 프로세스

바이오 매스 모노머에서 합성 된 폴리머로 생산 된 바이오 플라스틱의 경우 공정이 다소 복잡합니다.

예를 들어 사탕 수수 에탄올에서 얻은 Bio-PE는 일련의 단계가 필요합니다. 첫 번째는 사탕 수수에서 설탕을 추출하여 발효와 증류를 통해 에탄올을 얻는 것입니다.

그런 다음 에탄올이 탈수되고 에틸렌이 얻어지며 중합되어야합니다. 마지막으로 열 성형 기계를 사용하여이 바이오 플라스틱을 기반으로 물체를 제조합니다.

복잡하고 더 비싼 프로세스

생명 공학으로 얻은 폴리머로 만든 바이오 플라스틱을 언급 할 때 복잡성과 비용이 증가합니다. 이는 특정 배양 배지 및 성장 조건을 필요로하는 세균 배양이 관련되기 때문입니다.

이 과정은 특정 박테리아가 내부에 저장할 수있는 천연 고분자를 생성한다는 사실을 기반으로합니다. 따라서 적절한 영양소에서 시작하여 이러한 미생물을 배양하고 가공하여 고분자를 추출합니다.

바이오 플라스틱은 Botryococcus braunii와 같은 일부 조류로도 만들 수 있습니다. 이 미세 조류는 탄화수소를 생산하고 환경으로 배설 할 수 있으며, 이로부터 연료 나 바이오 플라스틱을 얻을 수 있습니다.

-바이오 플라스틱 기반 제품 제조

기본 원리는 압력과 열을 사용하는이 화합물의 플라스틱 특성 덕분에 물체의 성형입니다. 가공은 압출, 사출, 사출 및 블로잉, 프리폼 블로잉 및 열 성형으로 이루어지며 마지막으로 냉각됩니다.

종류

셀룰로오스 아세테이트로 만든 포장. 출처 : Christian Gahle, nova-Institut GmbH

바이오 플라스틱 분류에 대한 접근 방식은 다양하며 논란이없는 것은 아닙니다. 어쨌든 다른 유형을 정의하는 데 사용되는 기준은 분해의 출처와 수준입니다.

-유래

일반화 된 접근법에 따르면, 바이오 플라스틱은 기원에 따라 바이오 기반 또는 비 바이오 기반으로 분류 할 수 있습니다. 첫 번째 경우, 폴리머는 식물, 동물 또는 박테리아 바이오 매스에서 얻으므로 재생 가능한 자원입니다.

반면에 바이오 기반이 아닌 바이오 플라스틱은 오일에서 합성 된 폴리머로 생산 된 것입니다. 그러나 재생 불가능한 자원에서 나온 것이므로 일부 전문가는 바이오 플라스틱으로 취급해서는 안된다고 생각합니다.

-분해 수준

분해 수준과 관련하여 바이오 플라스틱은 생분해 성일 수도 있고 아닐 수도 있습니다. 생분해 성 물질은 적절한 조건에 노출 될 때 비교적 짧은 시간 (일에서 수개월) 내에 분해됩니다.

비 생분해 성 바이오 플라스틱은 기존의 석유 화학 원료 플라스틱처럼 행동합니다. 이 경우 붕괴 기간은 수십 년, 심지어 수세기로 측정됩니다.

일부 학자들은 진정한 바이오 플라스틱이 생분해 성이어야한다고 생각하기 때문에이 기준에 대한 논란이 있습니다.

-기원 및 생분해

이전의 두 가지 기준 (원산지 및 분해 수준)이 결합되면 바이오 플라스틱은 세 그룹으로 분류 될 수 있습니다.

1. 재생 가능한 원료 (바이오 기반) 및 생분해 성에서 비롯됩니다.
2. 재생 가능한 원료 (바이오 기반)에서 얻지 만 생분해되지 않습니다.
3. 석유 화학 원료에서 얻지 만 생분해 성입니다.

폴리머를 바이오 플라스틱으로 간주하려면이 세 가지 조합 중 하나를 입력해야합니다.

생물 기반 생분해 성

바이오 기반 및 생분해 성 바이오 플라스틱 중에는 폴리 락트산 (PLA)과 폴리 하이드 록시 알 카노 에이트 (PHA)가 있습니다. PLA는 가장 널리 사용되는 바이오 플라스틱 중 하나이며 주로 옥수수에서 얻습니다.

이 바이오 플라스틱은 고온에 대한 내성이 낮지 만 폴리에틸렌 테레 프탈레이트 (PET, 기존 폴리 에스테르 유형 플라스틱)와 유사한 특성을 가지고 있습니다.

부분적으로 PHA는 그것을 구성하는 특정 폴리머에 따라 다양한 특성을 가지고 있습니다. 식물 세포 또는 박테리아 배양의 생명 공학을 통해 얻습니다.

이러한 바이오 플라스틱은 가공 조건에 매우 민감하며 비용은 기존 플라스틱보다 최대 10 배 높습니다.

이 범주의 또 다른 예는 식물 유적에서 얻은 PHBV (PolyhydroxyButylValerate)입니다.

생물 기반 비 생분해 성

이 그룹에는 기존 폴리에틸렌과 유사한 특성을 가진 바이오 폴리에틸렌 (BIO-PE)이 있습니다. 부분적으로 Bio-PET은 폴리에틸렌 테레 프탈레이트와 유사한 특성을 가지고 있습니다.

두 바이오 플라스틱은 일반적으로 사탕 수수로 제조되어 바이오 에탄올을 중간 제품으로 얻습니다.

우수한 단열 특성을 가진 재활용 가능한 바이오 플라스틱 인 바이오 폴리 아미드 (PA)도이 범주에 속합니다.

-비 바이오 기반 생분해 성

생분해 성은 사용 된 원료의 유형이 아니라 폴리머의 화학 구조와 관련이 있습니다. 따라서 생분해 성 플라스틱은 적절한 처리를 통해 석유에서 얻을 수 있습니다.

이러한 유형의 바이오 플라스틱의 예로는 폴리 우레탄 제조에 사용되는 폴리 카프로 락톤 (PCL)이 있습니다. 이것은 폴리 부틸 렌 숙시 네이트 (PBS)와 같은 석유 유도체에서 얻은 바이오 플라스틱입니다.

이점

PLA (폴리 락트산)로 만든 사탕 포장지. 출처 : F. Kesselring, FKuR Willich

생분해 성

모든 바이오 플라스틱이 생분해되는 것은 아니지만 진실은 많은 사람들에게 이것이 그들의 근본적인 특성이라는 것입니다. 사실, 그 속성에 대한 탐색은 바이오 플라스틱 붐의 기본 엔진 중 하나입니다.

기존의 석유 기반 및 비 생분해 성 플라스틱은 분해되는 데 수백에서 수천 년이 걸립니다. 이 상황은 매립지와 바다가 플라스틱으로 가득 차 심각한 문제를 나타냅니다.

이러한 이유로 생분해 성은 이러한 물질이 몇 주, 몇 달 또는 몇 년 안에 분해 될 수 있기 때문에 매우 중요한 이점입니다.

그들은 환경을 오염시키지 않습니다

생분해 성 물질이기 때문에 바이오 플라스틱은 쓰레기로 공간을 차지하지 않습니다. 또한 대부분의 경우 환경으로 방출 할 수있는 독성 요소가 포함되어 있지 않다는 추가적인 이점이 있습니다.

탄소 발자국이 낮습니다.

바이오 플라스틱 생산 공정에서 분해와 마찬가지로 기존 플라스틱보다 CO2 배출량이 적습니다. 많은 경우에 그들은 메탄을 방출하지 않거나 소량으로 방출하므로 온실 효과에 거의 영향을 미치지 않습니다.

예를 들어 사탕 수수 에탄올로 만든 바이오 플라스틱은 석유에서 추출한 것에 비해 CO2 배출량을 최대 75 %까지 줄입니다.

음식과 음료를 더 안전하게 운반

일반적으로 바이오 플라스틱의 정교함과 구성에는 독성 물질이 사용되지 않습니다. 따라서 그 안에 포함 된 음식이나 음료의 오염 위험이 적습니다.

다이옥신 및 기타 오염 성분을 생성 할 수있는 기존 플라스틱과 달리 바이오 기반 바이오 플라스틱은 무해합니다.

단점

단점은 주로 사용되는 바이오 플라스틱의 유형과 관련이 있습니다. 무엇보다도 우리는 다음을 가지고 있습니다.

저항 감소

대부분의 바이오 플라스틱이 기존 플라스틱과 비교 한 한 가지 한계는 저항이 낮다는 것입니다. 그러나이 속성은 생분해 능력과 관련이 있습니다.

더 높은 비용

어떤 경우에는 바이오 플라스틱 생산에 사용되는 원료가 석유보다 더 비쌉니다.

반면에 일부 바이오 플라스틱의 생산은 더 높은 가공 비용을 의미합니다. 특히 이러한 생산 비용은 세균의 대량 배양을 포함한 생명 공학 공정을 통해 생산되는 비용이 더 높습니다.

사용의 충돌

식품 원료로 생산 된 바이오 플라스틱은 인간의 요구와 경쟁합니다. 따라서 바이오 플라스틱 생산에 작물을 바치는 것이 더 수익성이 높기 때문에 식품 생산 회로에서 제거됩니다.

그러나 이러한 단점은 먹을 수없는 폐기물에서 얻은 바이오 플라스틱에는 적용되지 않습니다. 이러한 폐기물 중에는 농작물 잔해, 먹을 수없는 조류, 리그닌, 달걀 껍질 또는 바닷가 재 외골격이 있습니다.

재활용하기 쉽지 않습니다.

PLA 바이오 플라스틱은 기존의 PET (폴리에틸렌 테레 프탈레이트) 플라스틱과 매우 유사하지만 재활용 할 수 없습니다. 따라서 두 종류의 플라스틱이 재활용 용기에 섞여 있으면이 내용물은 재활용 할 수 없습니다.

이와 관련하여 PLA 사용 증가가 기존 플라스틱 재활용 노력을 방해 할 수 있다는 우려가 있습니다.

바이오 플라스틱으로 생산 된 제품의 예 및 용도

농업 폐기물과 균사체의 바이오 플라스틱으로 만든 와인 용기. 출처 : Mycobond

-일회용 또는 일회용 물체

쓰레기를 가장 많이 발생시키는 품목은 패스트 푸드와 쇼핑백에 연결된 용기, 포장지, 접시 및 수저입니다. 따라서이 분야에서 생분해 성 바이오 플라스틱은 관련 역할을합니다.

이러한 이유로 폐기물 발생 감소에 영향을 미치기 위해 바이오 플라스틱을 기반으로 한 다양한 제품이 개발되었습니다. 그 중에서도 BASF의 Ecovio로 만든 생분해 성 백이나 스페인의 Safiplast가 옥수수에서 얻은 PLA로 만든 플라스틱 병이 있습니다.

물 캡슐

Ooho 회사는 전통적인 병 대신 해초에서 물로 생분해 가능한 캡슐을 만들었습니다. 이 제안은 매우 혁신적이고 성공적이었으며 이미 런던 마라톤에서 테스트되었습니다.

농업

딸기와 같은 일부 작물에서는 잡초를 방제하고 얼지 않도록 흙을 플라스틱 시트로 덮는 것이 일반적입니다. 이러한 의미에서 Agrobiofilm과 같은 바이오 플라스틱 패딩은 기존 플라스틱을 대체하기 위해 개발되었습니다.

-내구성있는 애플리케이션을위한 개체

바이오 플라스틱의 사용은 사용 및 폐기 대상에 국한되지 않고 더 내구성있는 대상에 사용할 수 있습니다. 예를 들어, Zoë b Organic의 회사는 해변 장난감을 생산합니다.

복잡한 장비 구성 요소

Toyota는 에어컨 및 제어 패널 용 부품과 같은 일부 자동차 부품에 바이오 플라스틱을 사용합니다. 이를 위해 Bio-PET 및 PLA와 같은 바이오 플라스틱을 사용합니다.

Fujitsu는 바이오 플라스틱을 사용하여 컴퓨터 마우스와 키보드 부품을 만듭니다. 삼성 회사의 경우 일부 휴대폰에는 주로 바이오 플라스틱으로 만들어진 하우징이 있습니다.

-건설 및 토목 공학

전분 바이오 플라스틱은 전기 설비에서 건축 자재 및 나노 섬유 강화 바이오 플라스틱으로 사용되었습니다.

또한, 그들은 xylophagous 곤충의 공격을받지 않고 습기로 썩지 않는 바이오 플라스틱 가구 목재 생산에 사용되었습니다.

-제약 응용

그들은 천천히 방출되는 약물과 약물 비히클을 포함하는 바이오 플라스틱 캡슐로 만들어졌습니다. 따라서 약물의 생체 이용률은 시간이 지남에 따라 조절됩니다 (환자가 주어진 시간에받는 용량).

-의료 응용

임플란트, 조직 공학, 키틴 및 키토산 바이오 플라스틱에 적용되는 셀룰로오스 바이오 플라스틱은 상처 보호, 뼈 조직 공학 및 인간 피부 재생을 위해 제조되었습니다.

셀룰로오스 바이오 플라스틱은 또한 바이오 센서, 치과 용 임플란트 제조를위한 수산화 인회석, 카테터의 바이오 플라스틱 섬유 등을 위해 제조되었습니다.

-항공, 해상 및 육상 운송 및 산업

식물성 기름 (바이오 플라스틱)을 기반으로 한 경질 폼은 산업 및 운송 장치 모두에서 사용되었습니다. 자동차 부품 및 항공 우주 부품.

휴대폰, 컴퓨터, 오디오 및 비디오 장치의 전자 부품도 바이오 플라스틱으로 생산되었습니다.

-농업

물을 흡수하고 유지하며 천천히 방출 할 수있는 바이오 플라스틱 하이드로 겔은 경작 된 토양의 보호용 담요로 유용하며 습도를 유지하고 건조한 지역과 비가 오는 계절에 농업 농장의 성장에 유리합니다.

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