2,3-Butanediol: 보습&방부에 도움을 주는 자연 유래의 신원료

Ⅰ 서론

2014년 개봉한 인터스텔라라는 영화에서는 모래와 먼지로 가득하여 숨조차 쉬기 어렵고, 작물 경작도 어려워져 유일한 식량 자원인 옥수수도 사라질 위기에 처한 미래를 그리고 있다. 하지만, 매일 뉴스, 인터넷 등을 통해 미세먼지 농도를 주시하고, 맑은 하늘을 보기 어려운 요즘 일상을 보면 영화 속 이야기가 현실로 다가오는 것으로 보인다. 산업 혁명으로 인류는 짧은 시간에 성장과 번영을 이루었지만, 현재는 그 부작용으로 지구와 지구 생명체들이 고통을 받고 있다. 따라서 인류의 번영과 더불어 지구 환경과도 공존할 수 있도록 새로운 패러다임이 요구되고 있다. 산업계에도 지속 가능성(Sustainability), 친환경(Eco-friendliness) 등이 키워드가 되고 있다. 대표적인 예로, 세계 1위 화장품 기업인 로레알은 2013년, ‘Sharing Beauty with All’이라는 캠페인을 새로 론칭하였다. 사업의 모든 측면에서 지속가능성을 향상시키기 위한 아주 중요한 캠페인으로, 2020년까지 로레알에서 새롭게 출시되는 모든 상품이 친환경적이 되도록 하는 목표를 담았다. 새로운 패러다임으로 주목 받는 것들 중 하나가 바이오화학산업이다. 바이오화학산업은 바이오의약, 바이오농업, 융합바이오 등과 함께 바이오산업을 구성하고 있는 것으로 화석연료 기반의 기존 화학산업과 달리 재생가능한 원료인 바이오매스를 사용하여 바이오공정 또는 바이오공정 기반의 화학공정을 통하여 다양한 화학제품을 생산하는 환경친화적인 산업이다.

바이오화학산업의 동향을 살펴보면, 최근 저유가 상황이 지속되면서 석유화학 제품과 경쟁해야 하는 ‘Drop-in Chemical 제품’들보다는 제품 차별화가 가능한 고부가가치 ‘Specialty Chemical 제품’들이 주목을 받고 있다. 글로벌 석유화학기업들이 바이오기업들과 전략적인 파트너십을 구축하여 사업화에 성공하고 있다. Dow와 Cargill은 Natureworks를 설립하여 바이오기반 PLA(Polylactic acid)를 연 14만 톤 규모로 생산하고 있으며, 이중 약 3.2%인 4500톤 정도는 국내에 수입되어 사용되고 있다. Dupont은 Tate & Lyle사와 협업하여 옥수수 기반 1,3-propanediol(1,3-PDO) 생산을 상업화하였으며, 공장을 2011년 약 6.4만 톤 규모로 증설하였고 수요증가로 인하여 최근 설비확장을 계획하고 있다. 1,3-PDO는 섬유소재(PTT, Poly trimethyleneterephthalate), 화장품 원료물질, 식품소재 등으로 사용되고 있다. 이러한 글로벌 석유화학기업들의 적극적인 움직임과 정부 지원에 힘입어 세계경제포럼은 2020년 세계화학시장의 9%를 바이오화학이 점유할 것으로 전망하였다.

GS칼텍스는 ‘Value No.1 Energy & Chemical Partner’라는 비전을 바탕으로 국내 바이오화학산업의 생태계 조성을 위해 지난 10여 년 간 지속적인 노력을 기울여 왔다. 자회사인 GS바이오는 상업용 바이오디젤을 생산하여 공급하고 있으며, GS칼텍스 자체적으로는 바이오 2,3-butanediol(2,3-BDO) 등 바이오 케미칼에 대한 연구 개발을 수행하여 왔다. 그 중 고부가가치 ‘Specialty Chemical 제품’이고 친환경 천연 화장품 원료인 2,3-BDO의 생산과 그 효능 및 적용을 소개하고자 한다. GS칼텍스에서 생산하는 2,3-BDO는 ‘Sustainability’가 키워드가 되고 있는 Mega Trend에 가장 잘 부합하는 원료 중 하나이며, 특히 자연 유래, 친환경 등이 매우 중요한 Trend가 되고 있는 화장품 원료로의 적용이 적합한 물질이다. GS칼텍스는 군산 새만금 국가산업단지 내 7700평 부지에 300톤/년 생산 규모의 2,3-BDO 실증플랜트를 구축하였다.

Ⅱ What is 2,3-BDO?

자연계에 존재하는 안전한 화학물질인 2,3-BDO는 C4 chemical이고, 분자식은 C4H10O2이다. 2개의 –OH기가 탄소에 붙어있는 구조에 따라 자연계에서 (2R,3S)-, (2R,3R)-, (2S,3S)-form (또는 meso-, levo-, dextro-form)으로 구분되는 3가지 이성질체로 존재한다. 2,3-BDO는 보습력, 항균력 등의 효능이 있어 화장품 원료로 적용이 가능하다. 또한, 천연물 추출을 위한 천연 용매 또는 보존제로 활용할 수 있을 것으로 보인다. 그 밖에도 식물에 처리 시 생장, 가뭄 저항성 등을 촉진하고 병해 방제에도 효과가 있어 작물보호제로도 적용이 가능하고, 식품 첨가제, 고분자 합성, 고무 원료, 산업 용제 등에도 활용될 수 있다. 본 원고에서는 화장품 원료로서의 2,3-BDO에 대해서 소개하고자 한다.

Ⅲ Why 2,3-BDO? – Sustainability (Natural & Bio-based)

2,3-BDO는 화장품에 적용이 가능한 Butanediol 중에 유일하게 자연계에 존재하는 자연 물질(Natural Product)이다. 자연계 어디에서나 2,3-BDO를 생산하는 미생물은 존재하고 있으며 우리가 섭취하고 있는 식품들에도 2,3-BDO가 존재하고 있다. 특히, 와인, 맥주, 막걸리, 된장, 간장, 김치 등 미생물 발효에 의해 만들어지는 발효 식품들에는 2,3-BDO가 함유되어 있다. 해당 식품들의 발효에 사용되는 미생물들이 대부분 젖산, 에탄올 등과 더불어 2,3-BDO도 생산하기 때문이다. 즉, 2,3-BDO는 식품, 자연계에 광범위하게 존재하고 있는 안전한 천연물질이다. GS칼텍스는 친환경 바이오공정을 통해 2,3-BDO를 생산한다. 2,3-BDO는 구조적인 특징으로 인해 석유화학공정을 통해 생산하는 것보다 바이오공정을 통해 생산하는 것이 유리한 몇 안 되는 물질이다. 석유화학공정으로도 2,3-BDO를 생산할 수 있지만, 복잡한 고온고압의 공정이고 이성질체를 구분하여 생산해야 한다면 3가지 이성질체가 비선택적으로 동시에 생성되기 때문에 분리정제 비용이 높아지게 된다. 하지만, 상온상압의 바이오공정은 석유화학공정보다 간단하고, 원하는 2,3-BDO 이성질체를 선택적으로 생산할 수 있기 때문에 석유화학공정에 비해 경제적이면서 친환경적인 생산이 가능하다. 석유화학공정의 촉매 역할을 하는 미생물(바이오촉매)은 화학 촉매보다 더 정교하기 때문에 이성질체를 구분하여 생산할 수 있다. GS칼텍스는 지난 10여년 간 연구 개발을 수행하여 경제적으로 2,3-BDO를 생산할 수 있는 기술력을 갖추었다.

GS칼텍스의 2,3-BDO 생산 공정은 친환경적이고 안전한 공정이다. non-GMO(Genetically Modified Organism, 유전자변형생물체)인 바이오매스 원료(카사바나 사탕수수)를 사용하고 있다. 화장품 원료로 사용되어야 하기 때문에 생산 공정에는 일체의 유전자변형생물체가 적용되지 않고 있고, 원료에서 2,3-BDO로 전환되어 생산되는 경로도 인위적인 경로가 아닌 자연 대사 경로(Natural metabolic pathway)를 이용하고 있다. 또한, Solvent 등 유해한 물질을 사용하지 않고 이온교환, 증류 등 물리적인 방법만을 분리정제 공정에 적용하여 고순도 2,3-BDO를 생산하고 있다. 또한, 석유화학공정과 달리 이성질체를 구분하여 생산할 수 있고, 그 중 GS칼텍스는 (2R,3S)-BDO와 (2R,3R)-BDO를 생산할 수 있다. GS칼텍스에서 생산하고 있는 2,3-BDO는 100% 자연 유래 물질이라는 ‘USDA Certified Bio-based Product’ 인증을 받았고, 유럽 시장 진출을 위해 EU-REACH 등록을 진행하였다. 또한, 친환경 화장품 원료 인증인 COSMOS 인증을 2019년 내에 완료할 예정이다. 그 밖에도 다양한 인증·등록을 진행할 예정이다

Ⅳ Why 2,3-BDO? – 안전성

2,3-BDO는 국제적인 화장품 성분명칭인 INCI(International Nomenclature Cosmetic Ingredient)에 등록되어 있고, 중국 화장품 성분 목록인 IECIC(Inventory of Existing Cosmetic Ingredients in China)에도 등록이 되어 있어 화장품 원료로 사용이 가능하다.

식품이나 자연계에 존재하는 물질로 안전한 물질이지만 객관적인 데이터를 통해 입증하기 위해 다양한 안전성 시험을 수행하였다. 화장품 원료에 대해서는 동물시험이 금지되어 있기 때문에 눈 자극, 피부 자극, 피부감작성, 유전독성, 광독성 등에 대해서 동물을 사용하지 않는 in vitro 시험들을 통해 수행하였다. 그 결과, 2,3-BDO는 인체나 환경에 유해하지 않은 물질로 판명되었다. 또한, KOSHA(Korea Occupational Safety&Health Agency), EU-REACH 등을 통해서도 안전성 데이터들을 확보할 수 있었다. 공인기관의 분석을 통해 GS칼텍스에서 생산하는 2,3-BDO에서는 중금속, 파라벤, 포름알데히드, 메탄올, 프탈레이트류 등 유해 물질들이 전혀 검출되지 않는다는 것을 확인하였다.

Ⅴ Why 2,3-BDO? – 효능

2,3-BDO는 화장품 원료로서 보습제로 적용될 수 있고, 방부력에 도움을 줄 수 있다. 또한, 다양한 화장품 성분들을 녹이고 점도를 조절하는 등의 기본 용제로서 역할을 할 수 있다. 2,3-BDO의 화장품 원료로서의 효능을 밝히기 위하여 다양한 실험들을 진행하였다.

먼저 보습력을 살펴보기 위하여 농도 별로 또는 시간에 따른 피부 수분량의 변화를 임상 평가를 통해 살펴보았다. 기존에 화장품 원료로 사용되고 있는 Diol류인 1,3-butanediol(1,3-butylene glycol, 1,3-BDO)과 1,3-PDO와 비교하여 평가하였다. 그 결과, 기존 원료들과 비교하여 통계적으로 동등한 수준의 보습력을 보이는 것을 확인할 수 있었다. MIC(Minimum Inhibitory Concentration) Test, Challenge Test 등을 통하여 2,3-BDO가 화장품 방부에 도움을 줄 수 있다는 것을 확인하였다. MIC는 미생물의 생장을 억제할 수 있는 최소의 농도이며, Test 결과 16% 이상의 농도에서는 미생물의 생장을 억제한다는 것을 확인할 수 있었다.

Escherichia coli 미생물에 적용하여 시간/농도에 따라 생장을 억제하는 정도를 추가로 살펴보았을 때 기존 화장품 원료인 1,3-BDO와 1,3-PDO와 비교하여 동등 이상의 효능을 보인다는 것을 확인할 수 있었다. 2,3-BDO를 포함하는 에센스 크림을 제형하여 Challenge Test(화장품에 미생물 투입 후 시간에 따른 방부 여부 관찰)를 수행하였고, 화장품이 미생물 오염에도 부패되지 않도록 방부력을 유지하는데 도움을 주고, 기존에 사용되던 방부제의 양도 줄일 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 2,3-BDO를 에센스 크림에 적용하여 주름, 각질 등에 대하여 피부 개선 효과가 있는지 그리고 피부에 적용하였을 때 사용감은 어떠한지 임상평가를 진행하였다. 그 결과, 2,3-BDO가 적용된 화장품을 피부에 적용하여 4주 동안 관찰하였을 때, 주름이 개선되고 피부 각질이 개선되는 결과를 얻을 수 있었다. 피부 사용감에 대해서는 기존 화장품 원료인 1,3-BDO나 1,3-PDO와 비교하여 피부에 발려지는 느낌, 흡수되는 느낌 등에서 차별성이 있다는 것을 확인할 수 있었다.

추가적인 효능 발굴을 통한 시장 확대를 위해서 2,3-BDO에 대한 효능 평가를 지속하고 있다. 2,3-BDO가 TNF-α, IL-8 등 염증유발 인자의 발현을 조절한다는 문헌들이 있어 항염 효과가 있을 것으로 예상하고 관련 평가들을 수행할 예정이다. 또한, 2,3-BDO를 천연물 추출을 위한 용매 또는 보존제로 활용할 수 있을 것으로 보인다. 2,3-BDO를 추출 용매로 적용할 수 있다는 추출 성능은 확인하였고, MIC 및 방부력 Test 결과를 볼 때 20% 이상의 농도로 적용된다면 보존제로도 적용될 수 있을 것으로 보인다. 추출 용매나 보존제로 기존 석유화학 유래 물질이 아닌 천연물인 2,3-BDO가 적용이 된다면 진정한 100% 천연물이 될 수 있기 때문에 해당 시장에 파급력이 있을 것으로 예상된다.

Ⅵ 맺음말

GS칼텍스에서 생산하는 2,3-BDO는 Sustainability, 친환경, 안전한 화학물질 등 키워드로 대표되는 Mega Trend에 가장 잘 부합되는 물질이다. 화장품 시장의 특성상 그런 Mega Trend에 대한 Needs가 컸고, 그래서 가장 먼저 화장품 원료로 적용되어 진행할 수 있었다. 신규 화장품 원료로 시장에 진입하기 위하여 수년간 다양한 화장품 및 화장품 원료 업체들과 커뮤니케이션 하였고, 이를 통해 현재의 바이오 생산공정이 확립되었으며 시장에서 요구하는 여러 안전성 평가, 효능 평가, 인증·등록 등을 진행하였다. 그 과정에서 몇 개의 화장품 시제품이 제작되어 배포되었고, 중소업체의 마스크팩 제품에도 적용되어 출시되었다. 2019년에는 300톤/년 규모의 군산 실증플랜트가 완공되어 대량으로 생산이 된다. 조만간 국내외 수많은 화장품, 생활용품 등에 2,3-BDO가 적용되어 많은 사람들의 일상 속에서 사용되길 기대해본다.