[에너지라이프] 순하고 안전한 친환경 화장품 원료, 2,3-부탄다이올

GS칼텍스 - 2020.01.09

천연 무독성의 친환경 물질, 2,3-부탄다이올

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현대 사회는 과거에는 상상도 못 했던 다양한 방법으로 에너지와 유용한 물질들을 만들어 냅니다. 초기에 사용하는 방법을 몰랐던 검은 석유에서 플라스틱, 고무, 의약품 등 석유화학 제품들을 만들어 내는 것은 기본이고, 심지어 눈에 보이지 않는 ‘미생물’을 이용해 쓸모 넘치는 고부가가치 원료를 만들어 내기도 합니다. 오늘 이야기할 고부가가치 원료인 ‘2,3-부탄다이올(이하 2,3-BDO)’도 미생물을 발효 시켜 만든 물질입니다. 원래 실험실에서만 제조되다, 세계 최초로 우리나라에서 친환경 바이오 공정을 통한 대량 생산 기술이 개발된 2,3-BDO, 어떤 물질인지 함께 알아보겠습니다.

이름 앞 붙어있는 숫자, 대체 무엇?!

‘2,3-BDO’, 이름만 들어도 낯설고 어렵습니다. 하지만 겁먹을 필요 없습니다. 이름의 뜻을 알고 나면 2,3-BDO의 화학 구조가 보입니다. 2,3-BDO는 부탄다이올 4종 중 하나입니다. 부탄다이올은 1,2-부탄다이올, 1,3-부탄다이올, 1,4-부탄다이올, 2,3-부탄다이올 이렇게 총 4가지로 모두 탄소 네 개가 연결된 ‘부탄’에 하이드록시기(-OH)가 2개 붙어있는 구조를 가졌습니다.

하이드록시기가 두 개가 붙을 때 다이올(DIOL) 혹은 글리콜이라 부릅니다. 그 중 2,3-BDO는 탄소 네 개 중 가운데 위치한 두 개의 탄소에 하이드록시기가 각각 붙었습니다. 즉, 네 개의 탄소로 이루어진 ‘부탄’에 2번째와 3번째 탄소 팔에 다이올(DIOL)이 붙었다고 해서 이름이 2,3-부탄다이올입니다.

네가지 종류의 BDO, 생김새는 비슷, 쓰임새는 달라

BDO의 종류는 네 가지입니다만 크게 두 분류로 구분할 수 있습니다. 먼저 3종류인 1,2-BDO, 1,3-BDO, 1,4-BDO가 한 분류이고 2,3-BDO가 다른 분류입니다. 무슨 기준으로 구분한 것일까요? 글자만 보면 숫자 1이 있고 없고의 차이처럼 보이지만, 사실은 더 큰 차이가 있습니다. 2,3-BDO는 직접 합성하기 힘들고 자연 상태에서 쉽게 접할 수 있는 ‘천연물질’이지만 나머지 3종은 인위적으로 정제, 가공해서 만들어진다는 것입니다.

사실 현시점에서 부탄다이올 4종의 이성질체(isomer) 중 산업적으로 중요한 비중을 차지하는 것은 1,4-BDO와 1,3-BDO입니다. 1,4-BDO는 용매로 사용되거나 탄성섬유 및 폴리우레탄 제조의 원료물질로도 사용됩니다. 1,3-BDO는 화장품 성분표에서 자주 볼 수 있는 ‘부틸렌글라이콜(뷰틸렌글리콜)’입니다. 수분을 끌어당기는 성질 때문에 보습제로 사용하며, 점도 조절과 물질의 용해를 도와 용매제의 역할도 하므로 화장품의 원료로 사용되고 있습니다. 이 두 가지 이성질체(1,4-BDO와 1,3-BDO)가 가장 많이 사용되는 이유는 화학적으로 저렴하고 쉽게 생산이 가능하기 때문이었습니다. 한편, 화장품의 원료나 식물 성장촉진제 등으로서 큰 가능성이 있는 원료인 2,3-BDO가 산업적으로 쉽게 생산될 수 있다면 어떨까요?

2,3-BDO, 친환경 무독성 무자극 화장품 원료

2,3-BDO는 보습제, 피부 개선제를 비롯해 다른 물질을 녹여 주는 용제로 사용됩니다. 그런데 화장품을 바르는 손을 포함해 수많은 생활용품에는 미생물이 증식할 수 있습니다. 화장품을 안전하고 위생적으로 사용하기 위해서는 미생물을 소독하고 증식을 막아주는 세척할 수 있는 항균제가 필요한데, 2,3-BDO의 사용 농도에 따라 박테리아가 번식하지 않도록 조절할 수도 있습니다.

2,3-BDO는 기존의 화장품 보습제로 널리 사용한 화학 제품인 부틸렌글라이콜을 대신할 수 있으며 동시에 피부 안정성이 뛰어나고, 사용감이 우수한 무독성, 무자극의 친환경 화장품 원료입니다. 이와 같은 특징 때문에 얼굴, 머리카락, 몸에 바르는 로션이나 크림을 비롯해 연고나 약품에도 들어갈 수 있습니다. 즉, 유화제, 습윤제로 이루어진 일상 속 다양한 헬스케어 제품에 들어갈 수 있습니다.

박테리아와 미생물을 방지하는 2,3-BDO는 자연 상태에서 해충이나 곤충을 쫓아내는 특징을 가지고 있습니다. 한 예로, 고추에 2,3-BDO를 뿌리면 고춧잎이 오그라드는 모자이크병에 면역력이 생깁니다. 이처럼 2,3-BDO는 자연상태에서 식물의 면역력을 높여주는 역할도 하기 때문에 식물의 성장촉진제나 농업 제품, 비료, 식품 및 의약품으로 활용할 가능성이 열려있습니다.

2,3-BDO, 뱃속과 음식 속에도 들어있다?!

2,3-BDO는 자연 상태에서 흙과 물, 곡류, 식물, 발효 음식, 심지어 우리 몸속의 장 내에서도 존재합니다. 포도를 발효시킨 와인 속에도, 또 우리나라 대표 발효 식품, 된장 속에도 들어 있습니다. 2,3-BDO는 미생물이 당을 분해하는 과정에서 생기는 부산물입니다. 또 우리 장 속에 서식하는 세균 중 엔테로박터(Enterobacter) ‘속’에 해당하는 세균들이 음식을 먹어 치우고 유기물을 분해시키는 발효 과정(butanediol fermentation)을 통해 장 안에도 젖산이나 BDO와 같은 물질들이 나옵니다.

2,3-BDO는 식물, 발효음식, 인체, 토양 등에 광범위하게 존재하지만, 이를 인공적으로 만들기란 쉽지 않은 일입니다. 2,3-BDO는 탄소의 가운데만 글리콜(혹은 디올)이 붙은 특이한 구조를 가져 일반적인 석유화학 공정으로 생산이 어려웠습니다. 게다가 자연에서 얻는 것과 같이 공장에서 생산하려면 이를 잘 키우고 걸러내는 것도 큰 난관 중의 하나였습니다.

미생물을 찾고, 기르고, 고르고

2,3-BDO를 자연이 아닌 공장에서 만들어 내기까지 오랜 기간 동안 많은 과학자의 실험과 연구가 있었습니다. 가장 먼저 2,3-BDO를 생산할 수 있는 적합한 미생물을 찾고자 토양에서 다양한 미생물을 채취했습니다. 이렇게 찾아낸 미생물은 2,3-BDO 외에도 다른 부산물들을 만들어 냈는데, 이를 최소화하고 2,3-BDO의 양을 늘리기 위해 생장 조건을 최적화하기 위한 연구를 진행했습니다. 아울러 GS칼텍스는 화장품 시장의 수요를 만족시키기 위해 미생물을 non-GMO로 개발했으며, 100% 친환경 공정으로 2,3-BDO를 생산합니다.

미생물 성질을 조작하는 바이오기술의 활약 이후 온도와 PH, 산소 조건 등의 배양조건, 설비의 운전 조건 등을 맞춰나갔습니다. 미생물 역시 하나의 생명체라는 점에서 변이를 일으키거나 오염으로 인해 문제가 발생하지 않도록 만들어야 했습니다. 그리고 미생물이 만들어 내는 2,3-BDO와 그 밖의 다양한 부산물에서 2,3-BDO만을 따로 뽑기 위해 분리, 정제하는 과정을 거칩니다. 마지막으로 제품화를 위해 탈색, 탈취 공정을 거치면 최종적으로 2,3-BDO가 완성됩니다.

미생물을 이용한 바이오 공정의 장점은 무엇일까요? 미생물은 아주 빠르게 증식하기 때문에 생산성이 높고, 바이오 기반의 원료를 사용해 친환경적이라는 장점도 있습니다. 최근 친환경 연료 및 공정의 필요성이 대두되면서 바이오 화학의 수요와 전망도 긍정적입니다.

GS칼텍스의 세계적인 2,3-BDO 친환경 생산 저력

화장품 원료로 기존에 사용 중이던 1,3-Butanediol, 폴리올 (Polyol)은 화학 공정을 통해 만들어졌습니다. 대량으로 생산하기 쉬운 원료들이었죠. 반면에 천연 물질인 2,3-BDO를 단독으로 대량 생산하는 공정은 지금껏 없었습니다. 이를 극복하기 위한 다양한 연구가 진행됐으나 세계적으로 대량 생산하기는 어려웠습니다. 그런데 GS칼텍스가 바이오 공정으로 2,3-BDO를 생산하는 그 어려운 일을 세계 최초로 해냈습니다.

GS칼텍스는 군산 새만금 산업단지 내 25,000㎡ 부지에 2,3-BDO 생산시설을 완공하고, 2019년 6월부터 가동에 들어갔습니다. GS칼텍스의 2,3 BDO 생산 공정은 GMO(유전자조작), LMO(생명체조작), 독성화학물질이 없는 3 Free 공정의 바이오 기반 공정을 자랑합니다. 그리고 GS칼텍스에서 만든 2,3-BDO는 GS칼텍스의 특수 미생물 발효 공정을 통해 친환경적으로 생산되어 미국 농무부나 한국 산자부로부터 제품과 기술의 우수성을 인증을 받기도 하였습니다. 앞으로 산업적으로 화장품 원료, 식물 추출제, 식품/의약품/농업 원료로 응용될 수 있을 것으로 기대됩니다.

현재, GS 칼텍스에서 만든 2,3-BDO를 원료로 만든 화장품 제품이 시장에 시판되기 시작했습니다. 2,3-BDO의 시장규모와 전망은 밝습니다. 향후 농업용과 고분자 원료로 적용된다면 시장규모는 더욱 확대될 수 있습니다. GS칼텍스는 2,3-BDO를 식품 첨가제, 고분자 가소제, 용제, 의약품 첨가제 등으로의 다양하게 활용할 수 있도록 추가 연구개발을 진행할 예정입니다. 성장 가능성이 무궁무진한 2,3-BDO, 이제 여러분의 일상 속에서도 만나 볼 수 있는 날도 곧 올 수 있겠죠? 이상 <에너지 라이프 2,3 BDO> 편, I am your Energy GS칼텍스였습니다.

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