토양에서 분해되는 생분해성 고분자 개발
토양에서 분해되는 생분해성 고분자 개발
  • 박원진
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  • 승인 2022.10.19 10:22
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교신저자 이분열 교수
교신저자 이분열 교수

[헬스코리아뉴스 / 박원진] 비료 성분을 이온결합으로 연결하여, 토양의 자연조건에서 분해가 잘되는 생분해성 고분자를 국내 연구진이 개발했다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 아주대학교 분자과학기술학과(응용화학생명공학과) 이분열 교수, 이평천 교수(제1저자 이현주, 조우연 석·박사통합과정) 연구팀이 인산(H3PO4)을 촉매로 하여, 기존보다 생분해도가 높은 신규 생분해성 고분자를 개발하는 데 성공했다고 밝혔다.

플라스틱으로 인한 환경 문제가 전 세계적으로 대두됨에 따라, 국내·외적으로 많은 연구소와 기업들이 생분해성 플라스틱의 개발 및 상용화에 노력을 기울이고 있다.

하지만 기존 생분해성 플라스틱은 인위적인 퇴비화 조건(60℃)에서만 생분해가 되고 토양의 자연조건에서는 생분해 속도가 매우 느려, 실질적으로 자연 토양에서는 생분해되지 않는 플라스틱으로 간주한다.

또한 상용화를 위해서는 고분자 제조과정에서 분자량이 큰 고분자를 합성해야 하는데, 기존 방법으로는 분자량의 크기가 커짐에 따라 생분해 속도가 느려지는 한계점이 있다.

연구팀은 기존 생분해성 고분자를 대체하기 위해, 일반적인 자연환경에서 빠르게 분해되는 생분해성 고분자를 개발했다.

연구팀은 인산을 촉매로 사용하여 생분해성 폴리에스터를 제조하면 고분자 생성 시 인산이 고분자 사슬에 편입되는 현상을 관찰하였고, 이후 금속염을 투입하여 생성된 고분자 사슬을 이온결합으로 연결해 주면, 생분해성이 약 9배 가량 향상된 고분자를 얻을 수 있었다.

[용어설명]

* 이온결합 : 화학 결합의 한 형태로, 하전 된 이온 사이의 정전기적 인력에 기반을 둔 결합.

* 생분해성 고분자 : 토양·해수·하천 등 자연 조건에서 또는 생체 내에서 화학적·생물학적 분해 과정을 통해 일정 기간 내에 이산화탄소·물·무기염류 등 천연 부산물로 완전 전환이 가능한 고분자.

* 고분자 사슬 : 고분자 제조 원료 물질 단량체가 수백 개 내지 수만 개 공유결합에 의하여 연결되어 형성된 사슬 모양의 거대분자.

* 인장강도 측정 : 재료를 당겨봄으로써 그 재료가 얼마나 강하며 얼마나 잘 늘어나는지 알아보는 시험.

* 멀칭필름 : 농작물을 재배할 때 경지 토양의 표면을 덮어주는 비닐

나아가 물성 측면에서도, 이번 연구를 통해 개발한 고분자와 기존 고분자 모두 인장강도 측정* 기기의 연신율 한계점에서 파손되지 않은 상태로 유지되었으며, 기계적 특성이 유사했다.

이분열 교수는 “이온결합에 사용된 인산기 금속염이 비료 성분으로 토양에 방출되었을 때 작물의 생장에 긍정적인 효과를 보일 것”이라며, “이를 활용하여 기존 농업용 멀칭필름과 코팅 비료를 대체하여 환경 문제의 해결에 이바지할 수 있을 것”이라고 기대를 보였다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 바이오·의료기술개발사업 등으로 수행된 이번 연구의 성과는 화학 분야 국제학술지 ‘미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society)’에 8월 8일 온라인으로 게재되었다. 

 

(그림1) 생분해성 폴리에스터의 기존 합성 방법(왼쪽)과 본 연구팀에서 제시한 신규 방법(오른쪽)  - 왼쪽은 PBAT의 기존 합성 방법의 모식도이다. Ti(OR)4 촉매로 에스터 교환 반응 후, 다이아이소시아네이트 화합물을 첨가하여 사슬을 공유결합으로 연결하여 합성한다.  - 오른쪽은 본 연구에서 제안한 합성 방법의 모식도이다. 인산으로 에스터 교환 반응을 진행한 후, 금속염을 첨가하여 사슬을 이온결합으로 연결하여 합성한다.
(그림1) 생분해성 폴리에스터의 기존 합성 방법(왼쪽)과 본 연구팀에서 제시한 신규 방법(오른쪽)
 왼쪽은 PBAT의 기존 합성 방법의 모식도이다. Ti(OR)4 촉매로 에스터 교환 반응 후, 다이아이소시아네이트 화합물을 첨가하여 사슬을 공유결합으로 연결하여 합성한다.
오른쪽은 본 연구에서 제안한 합성 방법의 모식도이다. 인산으로 에스터 교환 반응을 진행한 후, 금속염을 첨가하여 사슬을 이온결합으로 연결하여 합성한다.
(그림2) 자연 토양에서 시간에 따른 신규 PBAT와 기존 PBAT의 누적 CO2 발생량 비교 그래프                       pH=6.8±0.2, 50-55%의 함수량을 가진 자연 토양을 이용해 25℃, 암실 조건의 항온기에서 150-mL/min의 유속으로 공기를 공급하여 신규, 기존 PBAT의 생분해성을 확인하였다. 생분해 약 200일 후, 누적 이산화탄소 발생량을 통해 계산한 생분해도를 비교하였을 때 기존 PBAT 대비 신규 PBAT가 약 9.2배 더 높았다.
(그림2) 자연 토양에서 시간에 따른 신규 PBAT와 기존 PBAT의 누적 CO2 발생량 비교 그래프
pH=6.8±0.2, 50-55%의 함수량을 가진 자연 토양을 이용해 25℃, 암실 조건의 항온기에서 150-mL/min의 유속으로 공기를 공급하여 신규, 기존 PBAT의 생분해성을 확인하였다. 생분해 약 200일 후, 누적 이산화탄소 발생량을 통해 계산한 생분해도를 비교하였을 때 기존 PBAT 대비 신규 PBAT가 약 9.2배 더 높았다.
(그림3) 금속이온에 따른 신규 PBAT와 기존 PBAT의 물성 비교 그래프     비료성분 금속이온을 포함하고 있는 신규 PBAT와 기존 PBAT의 물성을 비교한 그래프이다. 인장강도 비교 그래프로, 기존 PBAT와 유사한 강도를 가짐을 확인할 수 있다.
(그림3) 금속이온에 따른 신규 PBAT와 기존 PBAT의 물성 비교 그래프
비료성분 금속이온을 포함하고 있는 신규 PBAT와 기존 PBAT의 물성을 비교한 그래프이다. 인장강도 비교 그래프로, 기존 PBAT와 유사한 강도를 가짐을 확인할 수 있다.

 


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