4. 개질 리그닌으로 지역 발전의 열쇠가 되는 새로운 산업을 창출

개질 리그닌의 활용 분야로서 기대되는 것은 전자기판이나 터치 센서용 플렉시블 기판 등 전자 부품으로부터 사출 성형품의 각종 복합재나 3D 프린터용 생분해성 필라멘트, 자동차의 보닛(bonnet)이나 도어틀 등 용도는 다양하다. 장래의 시장규모는 실로 30조원 정도로 추정되고 있다. 예를 들어, PC나 스마트폰에 사용되는 폴리이미드막의 원료를 개질 리그닌으로 제조하면 약 3분의 1의 비용으로 제조할 수 있다. 이와 같이 기성품보다 비용 절감이 가능한 제품 또한 많이 있다. 또, 개질 리그닌의 원료로 사용하는 삼나무재는 칩, 대팻밥이나 톱밥 등을 사용할 수 있다. 이 때문에 건축 자재나 목질 바이오매스 발전 등 기존의 목재 산업과 경쟁할 우려도 없다.

삼림총합연구소는 엔지니어링 설계를 위한 변수를 정하고 실제 플랜트 운영을 확인하기 위한 벤치 스케일 플랜트(bench scale plant)를 제작하였다. 원재료의 삼나무 칩이나 톱밥에서 약 36% 상당의 개질 리그닌을 얻을 수 있다. 예를 들어 원재료 가 50킬로그램이라면 18킬로그램의 개질 리그닌이 정제된다.

5. 세계 최초 개질 리그닌 생산 공장 설립

2019년 12월 3일 개질 리그닌의 원료인 글리콜 리그닌을 생산하는 세계 유일의 기업이 일본에서 설립되었다. 회사명은 주식 회사 리그노머테리아(Lignomateria, リグ ノマテリア, https://lignomateria.co.jp/)이다. 지구환경을 개선하고, 일본 경제 발전과 지방 경제 창생에 기여한다는 것이 기업 목표이다. 변화하는 세계 정세 속에서도 환경 문제, 특히 탈탄소의 흐름은 우리 인류가 보다 진지하게 임해야 한다. 글리콜 리그닌(개질 리그닌)은 목질 바이오매스를 출발 원료로 하고, 환경 부하가 적은 프로세스에 의해 생산할 수 있는 순 국산의 새로운 환경 기술보다 태어났다. 그 기초가 된 것은 많은 연구자들이 국가의 지원 하에서 10년 가까이도 노력을 거듭해 온 성과이며 지금 꽃을 열려고 하고 있는 단계이다. 리그노머테리아는 이 개질 리그닌 제품을 판매하는 것으로 일본의 산업을, 특히 목질 바이오매스의 공급원인 산간 지역을 활성화시켜 새롭게 세계에 자랑할 수 있는 비즈니스 모델을 구축하는 것이다. 이 원대한 계획은 국가 프로젝트로서 진행되고 있다. 임야청을 비롯해 산·관·학의 지원에 지지 받으면서 사업을 추진하고 있다. 미래 세대를 위한 사업, 지구 환경 개선에 이바지하는 사업으로 잘 이어져 갈 수 있도록 산학관이 최선을 다하고 있다.

본 실증 플랜트의 시스템은 삼림총합연 구소의 벤치 플랜트에서 얻은 효율화 연구의 성과를 활용하여 설계되었다. 주공정은 대기압 하에서 폴리에틸렌글리콜(PEG) 중의 산분해 반응으로 압력 반응 용기를 사용하지 않는 안전성을 배려한 반응기 시스템이다. 파쇄된 삼나무 목재는 소량의 황산 촉매를 포함하는 PEG와 함께 반응기로 도입되고 교반하면서 140℃로 가열함으로써 분해된다. 이것은 ‘산가용매 분해’라고 불리는 반응으로, 삼나무 재료 중의 리그닌은 분해되는 동시에 PEG와 결합한 형태로 추출 가능한 상태로 변화한다. 반응 후, 약알칼리 수용액을 투입함으로써, PEG와 결합한 리그닌 분해물이 ‘PEG 개질 리그닌(개질 리그닌)’의 상태로 알칼리에 용해한 용액으로서 추출된다. 그 후, 개질 리그닌의 알칼리에는 녹지만 산에는 녹지 않는 성질을 이용하여 산에 녹지 않는 부분으로 침전시켜 고형분(solid content)으로 여과한다. 생성된 페이스트형 고체의 개질된 리그닌은 건조 후 배송된다. 이 플랜트의 개질 리그닌의 생산 능력은 연산 100톤이며, 연속 운전 시험을 진행함과 동시에 산업계에 샘플 공급을 함으로써 개질 리그닌을 이용한 제품 개발을 크게 촉진할 수 있다. 덧붙여 개질 리그닌을 제거한 수용액은 농축기로 수분을 제거하는 것으로 PEG를 회수하여 다시 반응 약제로서 이용할 수 있다. 또, 이 공정에서는, 펄프가 알칼리에 녹지 않는 잔사(residue)로서 생성되는데, 부생(byproduct) 펄프는 나노셀룰로오스 섬유나 복합재 등의 소재로 이용할 수 있는 등 목재 성분의 종합 이용이 가능하다.

개질 리그닌에 사용되는 PEG의 분자량에 대한 선택성이 있다. PEG 리그닌의 예상되는 용도 중 3D프린터용 필라멘트나 사출 성형용 플라스틱 수지로서 이용하는 경우는 비교적 낮은 온도 영역에서 가공하기 때문에 낮은 온도 영역에 Tg(유리전이온도)와 Tf(용융온도)를 나타내는 PEG-600의 개질 리그닌이 적합하다. 한편, 높은 내열성이 요구되는 전자기판용 필름화에 있어서는 비교적 높은 온도 영역에 Tg나 Tf를 나타낸 개질 리그닌이 유리한 데 PEG-200이 적합하다. 또한, 자동차의 부재가 되는 섬유강화재용의 수지나 실링재(개스킷)로 사용하는 경우에는 내열성과 가공성의 밸런스를 취한 온도 영역에서 Tg와 Tf를 가진 PEG-400의 개질 리그닌이 적합하다.

개질 리그닌의 사용 가능한 분야는 ① 식품·화장품 첨가제(항산화 등) ② 각종 전기 부품(절연·방열 등) ③ 각종 수지(resin) 대체 ④ 토목·건축 재료(콘크리트 개질·토양 개량 등) ⑤ 목재 개질재(강도 향상·내열 등) ⑥ 마찰 방지제 등 다른 많은 분야에서 연구되고 있다.