목재 폐기물에서 친환경소재로 변신한 리그닌, 가능성은 무궁무진

 

리그닌은 목재의 20~30%를 차지하는 물질로 종이를 만드는 과정에서 폐기물로 나오게 됩니다. 바이오 연료나 종이를 생산하는 과정에서 부산물로 나오는 양만 연간 5천만 톤이라고 하니 엄청납니다. 
폐기물일 수 밖에 없었던 리그닌의 특성들을 역으로 생체연료나, 화학제품으로 변신시키며 산업적 활용 방법을 찾고 있습니다. 

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리그닌의 물리적 특성, 그리고 생물학적 기능

 

물리적 특성

• 강도 : 리그닌은 폴리페놀 화합물의 한 종류로, 세포벽을 형성하는 주요 다당류 성분인 세포룰로오스와 함께 나무의 단단하고 견고한 구조를 형성합니다. 리그닌은 세포벽 내부에서 다당류 섬유를 묶어주는 역할을 하며, 이는 식물의 전체적인 구조적 안정성을 제공합니다.

리그닌의 구조 (이미지출처 : National Library of Medicine  https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Lignin)

 

• 점착성 : 리그닌은 세포벽의 다양한 성분을 결합시키는 역할을 합니다. 이는 세포벽의 강도와 안정성을 높이는 데 도움이 됩니다.
• 방수성 : 리그닌은 수송 조직인 세포밖의 기관의 세포벽을 수분과 기타 외부 환경 조건으로부터 보호하는 역할을 합니다.

 

생물학적 기능

• 세포벽 형성 : 리그닌은 세포벽의 주요 성분 중 하나로서, 식물의 세포벽을 형성하는 데 필수적입니다. 리그닌은 세포벽 내부의 다른 다당류와 결합하여 구조적인 강도를 제공합니다.
• 구조 강화 : 리그닌은 식물의 기둥과 줄기를 단단하게 만들어 줌으로써 식물을 지지하고 안정성을 유지하는 데 기여합니다. 이는 식물이 자랄 때 그 구조를 유지하고 외부 환경에 대비할 수 있도록 합니다.
• 병원체 침입 방지: 리그닌은 세포벽의 방수성을 높이고 외부 환경으로부터의 침입을 막는 역할을 합니다. 이는 식물을 병원체나 해충의 침입으로부터 보호하는 데 도움이 됩니다.

 

리그닌을 추출하는 방법 

열 분해(Thermal Depolymerization)

나무 또는 바이오매스를 고온 및 고압에서 가열하여 리그닌을 분해하는 방법입니다. 이 과정에서, 나무 또는 바이오매스가 열분해되어 리그닌과 다른 유기물이 분해되고 추출됩니다. 이후 리그닌을 분리 정제하여 사용할 수 있습니다.

 

화학적 처리(Chemical Treatment)

나무 또는 바이오매스를 화학적 용매나 산을 사용하여 처리하여 리그닌을 추출하는 방법입니다. 예를 들어, 나무를 유기 용매나 강산에 용해시키고, 이후에 리그닌을 분리 정제하여 추출할 수 있습니다.

 

생물학적 처리(Biological Treatment)

나무 또는 바이오매스를 생물학적인 방법을 사용하여 리그닌을 분해하는 방법입니다. 이 과정에서 미생물이 리그닌을 분해하여 추출할 수 있습니다. 생물학적 처리는 친환경적이고 효율적인 방법으로 알려져 있습니다.

 

분리 정제(Extraction and Purification)

추출된 나무 또는 바이오매스에서 리그닌을 분리 정제하여 순수한 상태로 얻는 방법입니다. 이 과정은 여러 단계로 구성되며, 다양한 물리화학적인 방법을 사용하여 리그닌을 정제합니다.

 

 

리그닌의 산업적 활용 방법

리그닌은 다양한 산업 분야에서 중요한 역할을 하고 있으며, 재생 가능한 자원으로서의 가치가 점차 인식되고 확대되고 있습니다.  주요한 산업적 활용 방법은 다음과 같습니다:

 

• 생체 연료 생산 : 리그닌은 바이오매스 재료로부터 추출되어 생체 연료 생산에 사용됩니다. 열 가공 과정을 통해 바이오매스에서 리그닌을 추출하고, 이를 열 분해하거나 화학적 반응을 통해 생산된 바이오연료로 변환합니다. 이러한 생체 연료는 환경 친화적이며 재생 가능한 에너지원으로 활용됩니다. 

리그닌오일 (이미지출처 : KIST) 물보다 점도가 높아 활용이 어려웠으나, 기존리그닌 오일보다 1/7 점도의 산업용 오일을 생산하게 되었다. 동아사이언스 기사https://m.dongascience.com/news.php?idx=37649

• 화학제품 생산 : 리그닌은 화학 산업에서 원료로 사용되어 다양한 화학제품을 생산하는 데 활용됩니다. 리그닌을 열 분해하여 페놀류, 발효된 섬유소, 실리콘 및 나무유로 등 다양한 화학물질을 생산할 수 있습니다. 이러한 화학물질은 접착제, 합성 수지, 표백제, 플라스틱, 합성 섬유 및 의약품 등 다양한 산업 분야에서 사용됩니다.

스토라엔소(Stora Enso)의 바이오 기반의 접착제 Lineo, 리그닌을 원료로 사용 (이미지출처 https://www.storaenso.com/en/products/lignin/lineo)

 

• 환경 보호 : 리그닌은 산업 공정에서 발생하는 폐기물로부터 리그닌을 회수하여 재활용하는 데 사용됩니다. 이를 통해 자원의 효율적인 활용과 환경 보호에 기여할 수 있습니다.
• 재생 가능한 재료 : 리그닌은 재생 가능한 자원으로서의 가치가 높아지고 있습니다. 나무와 같은 식물성 원료에서 추출된 리그닌은 재생 가능한 재료로 사용될 수 있으며, 이는 친환경적인 제품 및 소재의 개발에 기여합니다.

 

새로운 기술과 연구 동향

바이오매스 활용 기술 개발

최근 몇 년간, 리그닌을 포함한 바이오매스의 활용에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 바이오매스 재료를 효율적으로 가공하여 생체 연료, 생분해성 플라스틱, 생분해성 폴리머 등의 친환경적 제품을 생산하는 기술이 개발되고 있습니다.

 

리그닌 분해 및 변환 기술

리그닌은 고분자 화합물이므로 분해와 변환에 어려움이 있습니다. 최근에는 리그닌을 효율적으로 분해하고 변환하는 기술이 연구되고 있습니다. 특히, 생물학적인 접근 방법과 화학적인 접근 방법을 결합한 다양한 전략이 개발되고 있으며, 이를 통해 리그닌을 보다 가치 있는 화학물질로 변환하는 기술이 발전하고 있습니다.

 

환경 보호 및 재생 에너지 기술

리그닌은 재생 가능한 자원으로서 환경 보호 및 재생 에너지 분야에서의 응용 가능성이 큽니다. 최근에는 리그닌을 이용하여 바이오매스 에너지 생산 및 탄소 중립 기술이 연구되고 있으며, 이를 통해 친환경적이고 지속 가능한 에너지 소재 개발이 진행되고 있습니다.

 

리그닌 기반 소재 및 제품 개발

리그닌을 활용하여 다양한 소재 및 제품을 개발하는 연구가 확대되고 있습니다. 특히, 리그닌을 이용한 바이오기술 소재, 바이오컴포지트 소재, 그리고 바이오플라스틱 등의 친환경적인 제품이 개발되고 있으며, 이를 통해 생분해성 및 재생 가능한 소재 시장이 성장하고 있습니다.