청색기술과 순환경제의 조합, 깃털로 접착제 만든다

접착제는 거의 항상 석유와 같은 화석 원료를 기반으로 만들어지는데, 독일의 프라운호퍼(Fraunhofer) 연구원들은 케라틴(keratin)을 이러한 목적으로 활용할 수 있는 공정을 최근에 개발했다고 밝혔다.

케라틴은 다재다능한 단백질 화합물로, 예를 들어 닭 깃털에서 찾을 수 있다. 케라틴은 다양한 용도의 다양한 접착제를 제조하는 데 사용될 수 있을 뿐만 아니라 공정과 최종 제품도 지속가능하며 바이오에서 영감을 얻은 순환 경제의 기본 원칙을 따른다. 헨켈 AG & Co. KGaA와 함께 개발한 이 프로젝트는 10억 달러 규모의 시장을 겨냥하고 있다.

접착제는 운동화, 스마트폰, 바닥재, 가구, 직물, 포장재 등 거의 모든 곳에서 볼 수 있다. 심지어 자동차 앞유리도 접착제를 사용하여 제자리에 붙인다. 전문가들은 1,000가지가 넘는 접착제 종류를 알고 있다고 한다. 그리고 상상할 수 있는 거의 모든 재료를 다른 재료에 접착할 수 있다. 접착제는 무게가 매우 가볍기 때문에 경량의 디자인에 적합하다. 접착제로 붙인 표면은 나사 고정과는 달리 하중이 고르게 분산되기 때문에 휘어지지 않는다. 접착제는 녹슬지 않으며 습기를 차단하고, 또한 진동에 덜 민감하다. 게다가 접착제는 저렴하고 작업하기도 비교적 쉽다.

가금류 육류 생산 시 나오는 깃털 사용
전통적으로 접착제는 거의 석유와 같은 화석원료로 만들어졌다. 그렇지만 프라운호퍼 계면 공학 및 생명공학 연구소(IGB)는 최근 다른 접근 방식을 채택했다. 이곳의 연구원들은 석유 대신 깃털을 기본 재료로 사용하고 있다. 깃털은 가금류 육류 생산의 부산물이다. 깃털은 폐기되거나 동물 사료에 섞여 주로 사용되지만 구조적 단백질인 케라틴을 포함하고 있기 때문에 버리기에는 너무 귀중하다. 이 생체 고분자는 동물에서 발견되며 발톱이나 발굽 또는 깃털을 구성하고 있다. 또 이들 섬유질 구조는 매우 강하다.

케라틴이 접착제 제조에 적합한 이유
케라틴은 생분해가 가능하여 친환경적인 소재로, 그 구조가 접착제 제조에 특히 적합한 특성을 지니고 있다. 케라틴의 고분자 구조, 즉 매우 긴 사슬 분자와 가교 반응을 일으키는 능력은 다양한 접착제를 제조하는 데 적합하다. 이번 프로젝트를 이끄는 마이클 리히터 박사는 "접착제에 필요한 특성은 이미 어느 정도는 기본 재료에 내재되어 있으며, 단지 잠금 해제, 수정 및 활성화만 하면 된다"고 설명한다.

플랫폼 화학 및 특수 접착제
지난 3년 동안 프라운호퍼 IGB는 헨켈 AG & Co. KGaA와 함께 '케라본드(KERAbond) 프로젝트'를 진행했다.  케라는 케라틴의 줄임말인데 영어 단어 본드와 결합된 단어다. 헨켈은 접착제 분야의 글로벌 시장 선도 기업으로 알려져 있다.

이 프로젝트의 파트너들은 최근 새로운 공정을 개발하고 개선했다. 첫 번째 단계에서는 도축장에서 받은 깃털을 살균, 세척하고 기계적으로 파쇄한다. 다음으로 효소 공정을 통해 긴 사슬(long-chain) 생체 고분자 또는 단백질 사슬을 가수분해하여 단쇄(short-chain) 고분자로 분리한다.

결과물은 특수 배합 접착제의 추가 개발을 위한 기초 재료로 사용될 수 있는 플랫폼 화학 물질이다. 리히터는 "우리는 이 공정과 플랫폼 화학물질을 최종 제품에 바이오 강화 특성을 통합하기 위한 이른바 '도구 상자'로 사용하고 있으며, 다시 말해 경화 시간, 탄성, 열적 특성 또는 강도와 같은 대상 특수 접착제에 대한 매개변수를 지정할 수 있을 뿐 아니라 또한 접착제는 물론 경화제, 코팅제 또는 프라이머(primer)와 같은 관련 물질도 쉽게 제조할 수 있다"고 설명한다.

이들 연구팀은 다음 단계로 깃털을 대규모로 변환하는 작업에 착수했다. 이 공정은 레우나에 소재하는 '프라운호퍼 화학·생명공학공정센터(Fraunhofer Center for Chemical-Biotechnological Processes CBP)에 맡겨졌다. 목표는 케라틴 기반 플랫폼 화학 물질을 산업 규모에서도 비용 효율적으로 제조할 수 있다는 것을 증명하는 것이었다. 이를 위해 수 킬로그램의 닭 깃털을 가공했으며, 생산된 물질은 프라운호퍼 IGB와 헨켈에서 유망한 초기 소재 시험에 사용됐다.

바이오에서 영감 얻은 경제의 토대
이 바이오에서 영감을 얻은 프로세스는 프라운호퍼-게젤샤프트(Fraunhofer-Gesellschaft)에 특히 중요한 의미를 갖는다. 이것이 생분해성 원료나 특히 효율적인 제조 방법이 포함되기 때문만은 아니다. 사실 생명공학은 프라운호퍼-게젤샤프트의 주요 연구 분야 중 하나이기도 하다. 리히터는 "우리는 자연이나 천연 원료에 이미 존재하는 기능이나 특성에서 영감을 얻고 있으며, 그리고 혁신적인 제조 방법을 통해 이러한 특성을 제품으로 구현하려고 한다"면서 "이를 통해 귀중한 원료를 위한 생물학적 영감 사이클을 만들어낸다"고 기본 개념을 설명했다:

프라운호퍼 IGB는 수년 동안 바이오 경제의 모든 측면에서 활발히 활동해 왔으며, 예컨대 케라틴에 관한 독점적인 전문성을 개발해왔다. 이것이 바로 화학 기업 헨켈이 이 프로젝트를 위해 프라운호퍼 IGB에 접근한 이유이다.

이 프로젝트에는 경제적인 측면도 있다. 시장 통계기관 스타티스타(Statista)에 따르면 2019년에 독일에서만 약 100만 톤의 접착제가 제조되었는데, 총 가치는 약 18억 7천만 유로에 달하고 있다.

한편 과학적 성과도 뛰어나다. 새로운 공정에 대한 특허 출원이 이루어졌고 과학 저널에 논문이 게재되기도 했다. 헨켈과 프라운호퍼에서 이 프로젝트에 대한 광범위한 연구를 수행한 박사 과정 학생 2명은 2024년 1분기에 논문을 완성할 예정이다. 이 새로운 케라틴 기반 기술을 통해 다양한 플랫폼 화학 물질을 지속가능하고 생체에서 영감을 얻은 청색기술 적용 방식으로 생산할 수 있게 될 것으로 기대된다.