지구상에서 가장 풍부한 천연 고분자 중 하나인 리그닌은 혈관 식물의 모든 세포벽에서 발견됩니다. 리그닌의 이름은 나무를 뜻하는 라틴어 리그넘에서 유래했습니다. 리그닌이 차세대 지속 가능한 제품의 핵심 원료로 인식되면서 연구자 및 산업 바이어들의 리그닌 품질에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 아래에서는 기초 생물학부터 산업적 응용까지 리그닌에 대한 지식을 설명합니다.
리그닌은 석유화학 물질의 천연 대체제로서 플라스틱 오염과 탄소 배출에 대한 전 세계적인 우려로 인해 투자와 연구가 증가하고 있습니다.
1. 리그닌이란 무엇인가요?
리그닌은 복잡한 천연 페놀계 생체 고분자의 일종으로, 목재 건조 중량의 15-30%를 차지합니다. 리그닌은 식물의 골격 뼈대 역할을 하여 무게를 지탱하는 역할을 합니다. 또한 뿌리에서 나무 꼭대기까지 물을 효율적으로 운반할 수 있게 해줍니다. 또한 세포벽을 강화하고 수분 손실을 방지하며 박테리아나 곰팡이 감염으로부터 식물을 보호할 수 있습니다.
리그닌은 지구상의 모든 유기 탄소의 약 30%를 차지하는 지구 탄소 순환의 필수 구성 요소입니다. 전 세계 살아있는 식물에는 3,000억 톤 이상의 리그닌이 저장되어 있으며, 이는 지구상에서 가장 풍부한 유기 물질 중 하나입니다.
식물 세포벽은 리그닌과 셀룰로오스로 구성되어 있는데, 셀룰로오스는 구조적 지지력을 제공하고 리그닌은 강성과 내수성을 제공합니다. 천연 복합 구조는 대부분의 인공 복합 재료보다 더 효과적입니다.
2. 리그닌의 출처는 어디인가요?
리그닌은 나무, 대나무, 짚이나 옥수수 짚과 같은 농업 잔재물을 포함한 혈관 식물의 세포벽에 존재합니다. 경목과 연목의 리그닌 함량과 구조는 완전히 다릅니다. 소나무와 같은 연목에는 25-35%의 리그닌이, 참나무와 같은 경목에는 18-25%의 리그닌이 함유되어 있습니다. 초본과 같은 목본이 아닌 식물의 리그닌 함량은 15-20%에 불과하여 가장 낮습니다.
함량과 구조의 차이는 산업적 활용에 직접적인 영향을 미칩니다. 목재 외에도 매년 수십억 톤의 리그닌이 함유된 폐기물이 농업에서 생산됩니다. 왕겨, 사탕수수 사탕수수, 밀짚 등 리그닌의 잠재적 공급원은 현재 충분히 활용되지 못하고 있습니다.
리그닌은 원래 농업 폐기물이기 때문에 추출 비용이 저렴합니다. 연간 7억 톤의 짚이 생산되는데, 리그닌을 효율적으로 추출할 수 있다면 거의 무상으로 원료를 제공할 수 있습니다.
3. 리그닌은 누가 발견했나요?
프랑스의 화학 제조업체인 안셀메 페옌은 1838년 질산과 알칼리성 용액을 사용하여 목재를 처리하다가 우연히 두 가지 다른 물질을 발견했습니다. 그 중 하나는 셀룰로오스라고 불렸고 다른 하나는 코팅 재료로 설명되었습니다. 이 발견의 비밀을 밝히는 데는 한 세기가 걸렸습니다.
1865년 독일의 식물학자 프랑크 슐체는 라틴어 리그넘에서 유래한 리그닌이라는 이름을 코팅 재료에 붙였습니다. 칼 프로이덴베르크와 같은 일부 과학자들은 20세기에 리그닌의 복잡한 화학 구조를 밝혀냈습니다. 최초 발견 이후 완전한 해독에는 100년 이상이 걸렸습니다.
페이엔의 발견은 19세기의 중요한 화학적 혁신입니다. 제지 산업의 토대를 마련하고 식물 세포벽에 대한 체계적인 연구를 시작하여 이후 바이오 연료와 바이오 소재의 개발을 촉진했습니다.
4. 리그닌의 종류
리그닌은 식물 원산지 또는 추출 기술에 따라 분류할 수 있습니다. 순도, 용해도 및 적용 범위를 결정하기 때문에 구매자와 엔지니어는 추출 기술별로 리그닌을 분류하는 것이 더 실용적입니다.
식물 원산지별 분류 |
침엽수 리그닌은 주로 구아이아실(G) 단위로 구성되어 있고, 경엽수 리그닌은 구아이아실(G)과 시린릴(S) 단위로 구성되어 있습니다. 초본 식물에는 p-하이드록시페닐(H) 단위가 추가로 포함되어 있습니다. |
추출 기법별 분류 |
크래프트 리그닌이 가장 일반적이며 전 세계 산업용 리그닌의 85%를 차지합니다. 제지 산업의 부산물이며 주로 전기 생산을 위해 연소됩니다. 리그노설포네이트는 아황산염 공정을 통해 생산되며 물에 잘 녹습니다. 톤당 약 $50의 낮은 가격으로 상용화 가능성이 높습니다. 유기졸브 리그닌은 순도가 가장 높은 리그닌 유형입니다. 탄소 섬유 및 제약과 같은 고급 응용 분야에 적합하지만 톤당 $750의 높은 가격입니다. 소다 리그닌은 짚과 사탕수수 사탕수수와 같은 비목재 식물로 만들어집니다. 유황이 포함되어 있지 않으며 특수 용도에 적합합니다. |
리그닌의 선택은 예산과 용도에 따라 다릅니다. 리그노설포네이트는 콘크리트 첨가제나 동물 사료에 사용하는 경우 경제적인 선택이 될 수 있습니다. 나노 입자 약물 전달 시스템 또는 고성능 복합 재료의 사용에는 순도가 높기 때문에 Organosolv 리그닌이 권장됩니다. 그러나 비용은 10배가 될 수 있습니다.
5. 리그닌의 생산 방법
산업용 리그닌은 제지 산업의 부산물입니다. 가장 널리 사용되는 방법은 크래프트 공정입니다. 수산화나트륨과 황화나트륨을 사용하여 고온에서 목재를 분해한 후 리그닌을 추출하고 제지용으로 셀룰로오스를 남깁니다.
크래프트 공정에서는 연간 약 5천만 톤의 리그닌이 생산됩니다. 그러나 98-99%의 리그닌은 전기 생산을 위해 연소되어 폐기물이 발생했습니다. 이러한 상황은 고순도의 리그닌을 생산할 수 있는 심층 용해 용매 및 이온성 액체 추출로 업계가 변화하고 있습니다. 비용이 많이 들지만 기술의 성숙으로 더 많은 리그닌이 실험실과 시장으로 이동하고 있습니다.
제지 공장에서 리그닌을 연소하는 이유는 합리적입니다. 리그닌은 연소하는 동안 공장에 충분한 증기와 전기를 공급할 수 있는 고에너지 연료이기 때문입니다. 공장은 현재 시스템을 변경하기 위해 추가 추출 및 정제 장치를 투자해야 하는데, 이는 단기간에 충분한 재정적 인센티브를 제공하지 않습니다.
6. 리그닌의 응용
리그닌의 대부분은 연소되었지만, 상업화된 부분은 이미 널리 사용되고 있습니다. 가장 성공적인 사례 중 하나는 리그닌에서 15%의 바닐린을 추출한 바닐린입니다. 바닐린의 추정 시장 가치는 미화 $ 1억 5천만 달러에 달하며 리그닌의 가장 성숙한 상업적 응용 분야 중 하나입니다.
건설 산업 측면에서 리그 노 술포 네이트는 콘크리트 감수제로 사용할 수있어 건설 성능을 향상시킬 수 있습니다. 농업 분야에서 리그닌은 토양 개량제 및 서방성 비료 바인더로 사용할 수 있습니다. 탄소 섬유 분야에서 리그닌 전구체는 탄소 섬유의 비용을 kg당 $20-30에서 kg당 $5-10으로 줄일 수 있습니다. 상용화 후 자동차 및 항공 우주 산업에 도움이 됩니다.
게다가 섬유 산업에도 잠재적인 응용 분야가 있습니다. 리그닌은 천연 염료와 섬유 개질제로 변형될 수 있습니다. 전자 산업에서는 리그닌 유래 탄소 소재가 슈퍼 커패시터와 배터리의 전극 재료로 연구되고 있으며, 이는 향후 리튬 배터리의 지속 가능한 대체재가 될 수 있습니다.
7. 지속 가능성을 위해 리그닌이 중요한 이유
제지 공장에서 매년 약 5천만 톤의 리그닌이 연소되는데, 이는 1조 4천 250억 달러의 잠재적 화학 원료를 낭비하는 것과 같습니다. 석유 기반 플라스틱과 화학물질의 일부만 리그닌 유래 대체재로 대체해도 탄소 배출량을 크게 줄일 수 있습니다.
이 문제는 각국 정부로부터 더 많은 관심을 받고 있습니다. EU 바이오경제 전략과 바이오에너지 기술 사무소는 리그닌을 우선 개발 대상 물질로 선정했습니다. 화석 연료를 단계적으로 퇴출하는 세계적인 추세로 인해 재생 가능하고 생분해성 원료로서 리그닌의 중요성은 계속 커질 것입니다.
일반 소비자에게 리그닌의 개발은 앞으로 석유가 아닌 목재나 농업 폐기물에서 추출한 포장재, 자동차 부품, 의약품 캡슐을 사용할 수 있다는 것을 의미합니다. 리그닌에서 추출한 일부 제품은 이미 시중에 나와 있습니다.
8. 리그닌 기반 소재의 미래
전 세계 리그닌 시장의 예상 시장 가치는 2023년 약 1조 4천억 달러였으며, 2030년에는 1조 4천억 달러로 성장할 것으로 예상됩니다. 연평균 성장률은 약 101%에 달합니다. 가장 높은 성장률을 보이는 분야는 탄소섬유, 바이오플라스틱, 나노입자 약물 전달 시스템입니다.
리그닌 개발의 가장 큰 난제는 구조의 불안정성입니다. 식물 원산지나 추출 기술에 따라 리그닌의 함량이 크게 달라지기 때문에 고급 용도로 표준화하기가 어렵습니다. 품질 관리 문제만 해결된다면 바이오 경제의 핵심 소재 중 하나가 될 것입니다.
현재 대규모 상용화에 가장 근접한 것은 리그닌 기반 탄소 섬유입니다. 오크리지 국립연구소는 리그닌으로 자동차 등급의 탄소 섬유를 성공적으로 생산했습니다. 포드 자동차와 제너럴 모터스 컴퍼니가 이 부품을 테스트하고 있습니다. 대량 생산에 성공하면 차량 무게를 최대 10%까지 줄일 수 있으며, 이에 따라 연비도 개선할 수 있습니다.
