PLA/PBAT 상용화: 생산 비용 절감을 위한 경쟁

EU의 탄소국경조정제도(CBAM) 시행과 중국의 ‘이중 탄소’ 전략에 따라, 기존의 석유화학 생산 방식은 점점 더 큰 압박에 직면하고 있습니다. PLA와 PBAT가 실험실 개발 단계에서 상업적 규모의 생산 단계로 넘어감에 따라, 점점 더 많은 기업들이 이 시장에 진입하고 있습니다. 이제 문제는 생분해성 소재를 생산해야 하는지 여부가 아니라, 누가 먼저 생산 비용을 낮출 수 있는지가 되었습니다.

재료 개요

PLA (폴리젖산)
PLA 이 물질은 옥수수 전분과 같은 재생 가능한 바이오매스를 발효시켜 얻은 젖산에서 유래한 락타이드의 고리 열림 중합을 통해 생산됩니다. 이는 바이오 기반이며 생분해성 고분자로, 현재 전 세계에서 가장 널리 생산되는 바이오플라스틱 중 하나입니다.

PBAT (폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트)
PBAT는 아디핀산, 테레프탈산(PTA), 1,4-부탄디올(BDO)의 공중합을 통해 합성됩니다. 현재 PBAT의 원료 대부분은 석유화학 기반입니다. 엄밀히 말해, PBAT는 생분해성 고분자 완전한 바이오 기반 소재라기보다는.

PLA와 PBAT는 원료는 다르지만, 포장재, 농업용 필름, 연성 제품 등 하류 응용 분야에서 적용 범위가 매우 중복됩니다. 또한 이 두 소재의 분리, 정제 및 하류 가공 과정에서 직면하는 과제도 놀라울 정도로 유사하므로, 본 기사에서는 이를 함께 다루고 있습니다.

절대 간과해서는 안 될 4가지 생산 병목 현상

1. 고순도 단량체 생산은 기존의 석유화학 공정보다 훨씬 더 까다롭다.

젖산, 락타이드, 바이오 기반 글리콜, FDCA 및 기타 재생 가능 단량체를 분리 및 정제하려면 폴리머 등급의 순도(≥99.5%)가 필요합니다. 이를 달성하기 위해서는 일반적으로 단거리 증류, 분별 증류, 용융 결정화 등 여러 공정 단계를 거치게 됩니다.

2. 발효액은 성분이 복잡하고 열에 민감하다

발효액에는 수많은 불순물과 열적으로 불안정한 화합물이 포함되어 있습니다. 기존의 증류 방식은 상당한 에너지를 소모할 뿐만 아니라, 심각한 중합 및 열분해 손실을 초래합니다.

3. 고점도 고분자 용융물에서 잔류 단량체를 제거하는 것은 매우 어렵다

중합이 완료되면 용융 점도는 수십만 센티포이즈에 달할 수 있습니다. 잔류 단량체의 효율적인 탈기 과정은 최종 제품 품질에 영향을 미치는 가장 중요한 요소 중 하나가 됩니다.

4. 일괄 처리 방식으로는 상업적 생산 요건을 충족할 수 없다

일괄 생산 방식으로는 1만 톤 규모의 공장에 필요한 생산성과 비용 효율성을 달성하기 어렵습니다. 연속 공정은 전체 생산 라인에 걸쳐 정교한 시스템 통합을 요구합니다.

모노머 정제부터 폴리머 후가공에 이르기까지, 장비의 성능은 대규모 PLA 및 PBAT 상용화를 가로막는 주요 제약 요인 중 하나가 되었습니다.

장비와 관련된 세 가지 주요 과제

열에 민감한 단량체는 기존 증류 과정에서 중합 및 분해 반응을 일으킨다

젖산은 일반적인 증류 온도에서 분자간 탈수 반응과 자가 중합이 쉽게 일어나며, 이로 인해 올리고머 불순물이 생성됩니다. 락타이드 역시 마찬가지로 취약하여, 고온에서는 고리 열림 분해와 변색이 발생합니다.

전통적인 증류 방식에서는 대개 과 10% 제품 손실 아직도 폴리머 등급의 순도(≥99.5%)를 달성하는 데 어려움을 겪고 있는 가운데,.

가장 바람직한 해결책은 다음을 결합하는 것입니다. 고정밀 정제를 동반한 저온 전처리. 단거리 증류 공정에서는 먼저 극히 낮은 압력과 매우 짧은 체류 시간 하에서 중질 성분을 제거하고 원료를 농축합니다. 그런 다음, 해당 물질은 분별 증류(액체 단량체의 경우) 또는 용융 결정화(락타이드와 같은 고체 단량체의 경우)를 통해 정제됩니다.

권장 장비

단거리 증류 / 박막 증발기 (전처리 및 중질 성분 제거)

↓

증류 시스템 / 용융 결정화 (최종 정제: ≥99.5% 폴리머 등급)

고점도 고분자 용융물이 잔류 단량체 제거를 제한한다

PLA의 고리 개방 중합 및 PBAT의 용융 중축합 과정에서 용융 점도는 수십만 cP를 초과할 수 있다.

기존의 교반식 반응기는 표면 갱신 효율이 낮고 기체-액체 간 질량 전달이 원활하지 않아, 잔류 BDO, 아디핀산 및 기타 단량체를 제거하기 어렵습니다. 이러한 잔류물은 기계적 특성, 냄새 성능 및 식품 접촉 안전성에 직접적인 영향을 미칩니다.

산업 현장에서는 탈휘발화 과정을 두 가지 점도 범위로 구분합니다:

• 수평형 박막 증발기 중~고점도 용융물용
• 탈휘발유 압출기 초고점도 폴리머용

이 두 기술의 결합은 PLA, PBAT 및 이와 유사한 고분자 시스템에 있어 가장 선호되는 산업용 솔루션으로 자리 잡았습니다.

권장 장비

수평형 박막 증발기 (1차 탈기 공정)

탈휘발성 압출기 (2차 심층 탈휘발성 공정)

연속 생산을 위해서는 완벽한 공정 통합이 필요합니다

생분해성 소재는 일괄 생산 방식을 사용하는 석유화학 플라스틱과 경제성 면에서 경쟁할 수 없다.

연속 생산 방식으로의 전환은 단순히 개별 장비를 교체하는 것 이상의 과정을 수반합니다. 증류, 반응, 분리 및 휘발성 물질 제거 장치는 모두 통합된 공정으로 운영되어야 합니다.

이로 인해 엔지니어링 설계, 시스템 통합 및 시운전 역량에 훨씬 더 높은 요구 사항이 부과됩니다.

권장 해결 방법

고급 증류 내부 구조

통합 연속 공정 패키지

(공정 시뮬레이션, 시스템 통합 및 현장 시운전 포함)

세 가지 핵심 기술 해설

단거리 증류: 필수적인 전처리 단계

단거리 증류(분자 증류라고도 함)는 증발면과 응축면 사이의 거리를 분자의 평균 자유 행로만큼으로 줄이는 방식입니다. 작동 압력은 최대 1 Pa, 반면 체류 시간은 여전히 ~ 미만인 반면 10초.

이러한 조건은 열 노출을 현저히 줄여, 젖산의 중합과 락타이드의 분해를 효과적으로 최소화합니다.

모노머 정제 과정에서 단거리 증류는 최종 정제보다는 주로 전처리 및 중질 성분 제거에 사용됩니다. 이 공정은 원유 젖산을 농축하고, 락타이드 잔류물 흐름에서 유용한 성분을 회수하며, 후속 정제 단계에 앞서 올리고머와 중질 부산물을 제거합니다.

성능 비교

성과 지표	기존 증류	단거리 증류 (DODGEN 산업 데이터)
수율 (조젖산 농도 / 락타이드 잔류물 회수율)	≤90%	≥97%
중합 및 열분해 손실	높음 (>10%, 일반적)	80% 이상 감소
작동 진공도	수백 명의 파	최저 1 Pa
물질 체류 시간	회의록	<10초

이 데이터는 다음 기관이 수행한 원유젖산 농도 및 락타이드 잔류물 회수율에 대한 산업 현장 시험 결과를 바탕으로 한 것입니다. 도겐.

증류와 용융 결정화: 두 가지 정밀 정제 방법

전처리가 완료되면, 폴리머 등급의 순도(≥99.5%)를 확보하기 위해서는 적절한 정제 기술을 선택해야 합니다.

증류

액상 모노머에 적합

젖산, 바이오 기반 글리콜 및 이와 유사한 액상 단량체는 비등점이 매우 가까운 성분들을 분리할 수 있는 고효율 컬럼 충전재를 사용하여 정제됩니다.

증류는 또한 원유 락타이드의 초기 정제 단계로도 활용됩니다.

용융 결정화

고체 단량체에 선호되는

락타이드에는 명확하게 정의된 녹는점이 있기 때문에, 용융 결정화 고체-액체 평형을 활용하여 화학적 순도와 광학적 순도를 모두 달성합니다.

이는 여전히 해당 산업에서 생산에 가장 널리 사용되는 기술로 남아 있습니다. 광학 순도 ≥99.51%인 L-락타이드 TP3T, 이는 광이성체를 분리할 수 없다는 점 때문에 기존 증류 방식으로는 달성할 수 없는 성능입니다.

표면 장력이 낮거나 거품이 잘 생기거나 열에 민감한 물질을 처리할 때는 컬럼 내부 구조가 특히 중요해집니다.

도겐 구조화된 충진재와 첨단 액체 분배기의 조합을 최적화하여, 다음과 같은 검증된 산업적 성능 향상을 달성했습니다:

• 20%+의 이론적 판 효율 증가
• 15–25%의 단위 에너지 소비량 감소

수평형 박막 증발기 + 비휘발성 성분 제거용 압출기

고점도 고분자의 휘발성 성분 제거에는 극도로 점도가 높은 조건 하에서 효율적인 기체-액체 물질 전달이 필요하지만, 기존의 교반식 반응기는 이를 충족시킬 수 없다.

산업 현장에서는 이 공정을 두 단계로 나눕니다.

수평형 박막 증발기

적합한 점도:

30,000–200,000 cP

로터는 액체 막을 지속적으로 갱신함으로써, 제어 가능한 체류 시간을 유지하면서 질량 전달을 크게 향상시킵니다.

여러 상용 PLA 및 PBAT 생산 시설에서 실시된 산업 현장 검증 결과, 잔류 단량체 제거율이 99% 1차 탈휘발 과정 중에.

탈휘발유 압출기

적합한 점도:

200,000 cP 이상 (최대 약 500,000 cP)

이러한 점도 수준에서는 증발기 내부에서 막이 형성되는 것이 점점 더 어려워집니다.

탈휘발성 압출기는 강제 스크류 이송 방식과 고전단 박막 형성을 통해 잔류 단량체 농도를 제품 규격 한도 이하로 낮춥니다.

권장 산업용 구성

수평형 박막 증발기

↓

탈휘발유 압출기

이 조합은 중·고점도부터 초고점도에 이르는 전체 점도 범위를 효과적으로 커버하며, PLA, PBAT, PBS 및 이와 유사한 생분해성 고분자의 상업적 생산을 위한 가장 성숙한 공학적 솔루션 중 하나로 자리 잡았습니다.

시스템 통합: 상용화 뒤에 숨겨진 진정한 과제

생분해성 소재 제조에서 가장 큰 과제는 대개 단일 장비 한 대에서 비롯되는 경우가 거의 없다.

오히려 그 핵심은 공정 유닛 간의 통합에 있다.

단량체 정제부터 고분자 탈휘발 과정에 이르기까지, 어느 단계에서든 발생하는 편차는 후속 공정으로 이어져 궁극적으로 최종 제품의 품질을 저하시킬 수 있습니다.

따라서 공정 시뮬레이션과 설비 설계부터 제조, 설치, 시운전에 이르기까지 포괄적인 솔루션을 제공할 수 있는 역량은 프로젝트 위험을 줄이는 데 결정적인 역할을 합니다.

여러 공급업체로부터 개별 장비를 구매할 경우, 통합에 따른 부담이 종종 공장 소유주에게 직접 전가되곤 합니다.

프로젝트 완료 기간 단축

도겐 연간 생산 능력이 수만 톤에 달하는 다수의 연속식 생분해성 소재 생산 라인을 성공적으로 납품했다.

분산된 조달 방식과 비교했을 때, 통합된 수행 방식 덕분에 전체 프로젝트 일정이 약 30%.

장비 선정 가이드

원료 전처리 및 중금속 성분 제거

장비

단거리 증류 / 박막 증발기

주요 매개변수

• 작동 진공도: 약 1 Pa
• 체류 시간: 10초 미만

선정 우선순위

단순히 증발 능력만 평가하기보다는 열에 민감한 물질의 보호 효과를 평가해야 합니다.

정밀 정제 (폴리머 등급)

장비

고효율 증류 시스템 (액체 단량체)

용융 결정화 (락타이드 및 유사 고체 단량체)

주요 매개변수

• 화학 순도 ≥99.5%
• L-락타이드 광학적 순도 ≥99.5%

선정 우선순위

락타이드(Lactide)는 용융 결정화법을 통해 정제해야 합니다. 증류만으로는 요구되는 광학적 순도를 달성할 수 없습니다.

고분자 탈휘발성 처리 (중~고점도)

장비

수평형 박막 증발기

주요 매개변수

잔류 단량체 제거율 >99%

선정 우선순위

로터 설계는 표면 재생 효율과 전반적인 성능을 좌우합니다.

고분자 탈휘발성 처리 (초고점도)

장비

탈휘발성 압출기 (일반적으로 박막 증발기와 결합됨)

주요 매개변수

잔류 단량체 함량이 제품 사양 기준보다 낮습니다.

선정 우선순위

나사 구조와 배기구 설계는 심층 탈기 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.

완전한 프로세스 통합

필수 역량

공정 시뮬레이션 → 설비 설계 → 제조 → 시운전

참조 데이터

통합 프로젝트 수행 방식은 분산된 조달 방식에 비해 프로젝트 일정을 약 30% 단축할 수 있습니다.

선정 우선순위

유사한 바이오 기반 소재 프로젝트의 성공적인 납품 실적을 바탕으로 공급업체를 평가하십시오.

주요 내용

① 열에 민감한 단량체는 단거리 증류 전처리를 거쳐야 하며, 이를 통해 중합 및 열분해 손실을 80% 한편, ~에서 유래하는 젖산 생산량을 늘리면서 ≤90% ~ ≥97%.

② 용융 결정화는 락타이드의 정제에 선호되는 기술인 반면, 증류는 젖산 및 바이오 기반 글리콜과 같은 액체 단량체의 경우 여전히 주요 해결책으로 남아 있다.

③ 고점도 폴리머의 휘발성 성분 제거는 수평형 박막 증발기와 휘발성 성분 제거용 압출기를 함께 사용할 때 가장 효과적으로 이루어지며, 이를 통해 잔류 단량체 제거율이 99%.

④ 시스템 통합은 상업적 규모의 생분해성 소재 생산에 있어 진정한 걸림돌입니다. 분산된 조달 방식에 비해, 통합 프로젝트 수행 방식은 프로젝트 일정을 약 30%.