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지속 가능한 플라스틱:해양바이오테크(Blue Biotech)와 함께 가는 PHA
플라스틱은 인간의 진보에 필수적이다. 이것은 그다지 변하지 않을 것이다. 그러나 생분해성 플라스틱과 같은 범용의 재료를 현재와 미래의 응용에 대량 생산할 수 있는 기술이 필요하다. 소셜미디어상에서 영향력을 가진 Chris DeArmitt(주로 플라스틱 옹호론자로서 <The Plastics Paradox: Facts for a Brighter Future>의 저자)는 플라스틱이 가진 장점(석유계 플라스틱의 장점)에 대해 이야기하면서 종이 포장이나 유리, 금속이 줄 수 없는 좋은 성질들을 가지고 설득한다. 그러나 장점을 포기하지 않으면서도 플라스틱이 갖는 단점을 해결하는 방법을 찾아가는 혁신적인 기업가들이 있다.
사실 플라스틱이 가장 널리 쓰이는 이유는 성형이 쉽고, 가격이 싸다라는 것이다. 가장 잘 이용되는 플라스틱의 특징 가운데 하나는 분자 조성, 구조, 크기를 조절하여 재료의 성질을 필요에 따라 맞출 수 있다는 것이다. 그리고 단가가 싸기 때문에 현대인의 삶, 거의 모든 측면에서 플라스틱은 어디에서나 유용하게 사용되는 것이다. 이러한 플라스틱의 성질과 매력에 이미 오랜 기간 익숙해져 있는 소비자들을 향해서 환경에 좋으니까 비싸더라도 써보자고 하는 것은 그다지 설득력이 없다. 그러나 생산 가격뿐 아니라 쓰고 난 후(end-of-life, EOL)에 대한 비용 혹은 EOL의 관점에서 폐기물을 자원화할 수 있다는 장점을 잘 살린다면 PHA와 같이 바이오 기반, 생분해성의 플라스틱은 미래를 향해 열린 세계를 가져올 수 있을 것이다.
PHA는 재생 가능한 자원으로부터 생산되는 생분해가 가능하고 생체 적합성이 뛰어난 소재라는 점에서 각광을 받고 있으며 플라스틱 오염이나 석유 의존성을 줄일 수 있는 대안으로 등장하고 있어서 산업적으로 생산하기만 하면 매력적인 소재가 될 수 있다. 그러나 PHA의 높은 생산 단가는 용도를 더 넓히고 산업화하는데 상당한 저해 요인이 되는 것이 사실이다.
상업화의 관점에서, PHA의 생산을 좀 더 경쟁력 있게 할 수 있는 몇 가지 접근 방법들이 제안되었다. 예를들어 PHA 생산 단계에서 경제성을 고려하여 조사해 볼 필요가 있다; 발효공정의 최적화, 사용되는 균주의 선별, 분리, 그리고 유전공학적 변형, 저가의 원료 선정, 생산된 PHA의 경제적인 분리 공정2).
Scl-PHA의 단점(가격과 물성)을 보완할 수 있는 천연 첨가제들
플라스틱 오염이 전 지구적인 문제가 되어가고 있다. 그러나 인류는 항상 이러한 위협을 다각적인 측면에서 극복해 오고 있다. PHA와 같은 플라스틱이 시장에 나올 수 있도록 환경을 열어주고자 하는 방법 가운데 하나는 전통적인 채굴-제조-사용-폐기 (take-make-use-dispose)의 석유화학 기반의 선형적인 패턴에서 벗어나, 의도적으로 재생이 가능한 바이오 기반의 플라스틱을 채택하는 것이며 이러한 접근 방식이 모양새를, 체계(system)를 갖추어가는 모습을 보이고 있다.
이러한 접근에서 정부, 산업계, 학계가 함께 늘어만 가는 탄소발자국을 줄이고 2050년까지 넷제로에 이르고자 하는 결심과 헌신의 선봉에 서있다. 이러한 관점에서 PHA는 성질 면에서 매우 우수하여 비재생 석유계의 플라스틱을 대체할 수 있음이 부각 되며 점점 주목을 받고 있다. 그러나 PHA의 가격 문제와 함께 PHA의 잘 깨지는 성질(brittle)을 해결해야 할 것이다. 특별히 short chain length PHA(Scl-PHA)의 경우가 그렇다. 많은 연구 그룹들이 가격의 문제를 해결하면서 기계적 성질을 조절하기 위해 노력하고 있다. 이러한 두 가지 문제(가격과 물성)를 함께 해결하는 방법으로서 재생 가능한 자원으로부터 얻어지는 충전제(filler) 특별히 식
물성 바이오매스에서 기원하는 충전제를 PHA 복합재에 혼입하는 방법에 대해 기대를 하고 있다. 다양한 응용 분야, 지속가능성 측면에서의 측정(생분해도 등), 그리고 사용 후의 폐기문제 등의 문제를 자세히 다루고 있는 최근 논문을 참고하길 바란다3).
생분해성 플라스틱이 대량 생산과 물성의 두 가지 측면의 도전을 해결하기 전까지는 여전히 석유 기반의 플라스틱이 시장을 지배하게 될 것이라고 전문가들은 예측한다. 이러한 두 가지 문제들을 해결하기 어렵고, 플라스틱 산업의 탈 탄소화를 위한 생산 볼륨 면에서의 상업화에 있어서 문제점을 갖고 있지만 비슷한 물성들을 가진 새로운 폴리머들이 등장하고 있다. Bio-PP, Bio-PE(drop-in) 그리고 PET를 대체하고자 등장하는 바이오 기반의 PEF들이 이러한 노력 가운데 가시화되고 있는데, 이러한 바이오 기반의 플라스틱 개발의 노력도 석유 기반의 폴리올레핀, PET와 경쟁하기는 버겁지만, 새로운 폴리머를 이루는 모노머의 생산에 있어서 탄소발자국이 작으므로 주목을 받고 있다. 그러나 지속가능성의 지표로서 탄소발자국은 사용하는 전주기 평가 방법과 접근법에 달려 있으므로 쉽지 않은 문제이다.
PHB, PHBHV(낮은 3HV 함량), PHB4B(낮은 4HB 함량)와 같은 Scl-PHA들은 높은 이성질체 규칙성과 느린 결정화 속도로 인해서 spherulite가 크고 2차 결정화로 인한 aging이 필요하다. 이러한 Scl-PHA들의 열안정성이 낮은 단점들은 더 넓은 응용에 있어서 장애물이 된다. Scl-PHA들은 mcl-PHA에 비해 생산량이 많아서 석유계 플라스틱을 대체할 수 있을 것으로 예상된다. 예를 들어서 중국 닝보에 있는 Tianan Biologic Materials사는 연간 2천 톤의 PHBV를 생산한다. 생산량이 늘어나면서 PHA, 특별히 Scl-PHA류의 PHA는 경쟁력을 갖추게 될 것으로 보인다. 어떤 Scl-PHA들은 석유계의 isotactic polypropylene (PP)에 비해서 필적하거나 더 나은 기계적 성질을 보이는 탄성계수(Young’s modulus, 3.5 GPa), 인장강도 (43 MPa) 값을 가진다. 또한, PHB는 PP, polyethy lene(PE), polyethylene terephthalate(PET)들보다 좋은 차단(barrier) 특성을 갖는다. 그러나 Scl-PHA들의 차단특성을 희생하지 않으면서도 기존의 석유계 수지의 성능을 맞출 수 있으려면 특성(잘 깨지는 성질과 딱딱한 성질)을 조절할 필요가 있다.
다양하게 Scl-PHA의 특성을 변화시킬 수 있겠으나 PHA의 생산 단가가 이미 상당히 높은 편이기 때문에 생산 단계에서 농업 및 산림 부산물을 사용하여 가격을 낮출 수 있다. 높은 단가의 PHA(2.2–5.0 Euro/kg)에 상당히 풍부한 바이오매스 기반의 충전제(filler)를 사용하면 비용면이나 Scl-PHA 매트릭스를 강화할 수 있다는 측면에서 흥미로운 접근 방식이다. 또한, PHA와 충전제 모두 바이오 기반이고 생분해가 된다면 혐기성 소화에 의해서 메탄을 생성하는 방식으로 순환경제를 이룰 수도 있다5).
PHA 기반 재료의 현재 리사이클 방법들은 자원의 효율 그리고 사용 후 고부가가치 산물의 생산 측면에서 볼 때 비효율적이다. 따라서 천연 섬유(키틴, 키토산, 오렌지 폐기물, 톱밥, 콩 단백질, 전분 등)로 보강된 PHB 기반의 복합재료를 리사이클 하는 방식으로 유기산을 생성하는 방식을 사용할 수도 있다. 이러한 천연 섬유를 첨가함으로써 복합재료의 충격 강도를 높이면서 기계적 성질에 다양한 영향을 주게 된다. 이러한 복합재료와 PHB 만으로 이루어진 재료를 산생성(acidogenic) 소화에 의해 분해되도록 할 때 휘발성 지방산(VFAs)으로 전환할 수 있다. 메탄을 생성하는 것을 저해하기 위해서 pH가 중성과 알칼리에서 수행하였을 때 중성에서 50일이 넘도록 안정적으로 VFAs가 생성됨을 보고하고 있다. 천연 섬유의 존재는 생분해도를 증가시키면서 VFA 의 생성을 촉진했고 pH 10에서는 천연 섬유의 분해가 더 잘 일어났다. 생성된 V FA 는 다시 PHB 생산에 사용될 수 있기에 순환경제의 좋은 예가 되는 것이다.
사실 사용 후(EOL) 다시 순환경제로 들어가서 제품 폐기물이 다시 원료로 쓰일 수가 있는 것은 미생물 때문이다. 미생물은 사실 순환경제에서 드러나지 않는 영웅이다.
바이오 경제에서 점차 각광을 받는 Blue Biotechnology
Blue Biotechnology로 불리는 분야는 해양 생물체와 해양의 바이오매스와 같은 비전통적인 생물 자원을 이용하는 분야이다.
Blue 바이오 경제에서는 해양에서 발견되는 macro-algae, micro-algae, bacteria, fungi 및 무척추동물을 원료로 사용하는 바이오 경제이다. 수상 생물 자원을 사용하여 식품 첨가제, 동물 사료, 제약, 화장품, 에너지의 원료로 사용하는 것과 관련된다. 유럽, 미국, 동남아시아 등 다양한 지역에서 조류에 관한 연구가 활발하다. 유럽에서는 조류와 관련된 산업에 종사하는 이들을 위한 정보와 네트워크를 위해서 European Atlas of the Seas, EU4 Algae와 같은 플랫폼을 통해서 협력의 장을 마련하고 있다.
전통적인 석유 기반의 기술을 대체할 수 있는 바이오 기반의 기술들은 환경적으로 장점들을 갖고 있다. 유럽의 순환경제 실행방안(Circular Economy Action Plan, CEAP)에서는 화학 공정에서 배출되는 이산화탄소의 배출을 줄일 수 있는 것 이외에도 바이오 기반의 플라스틱과 같은 바이오 기반의 소재들의 가능성을 강조하고 있다. 조류(spirulina와 같은 식용 조류)를 생산하는 경우 23국의 회원국(대부분은 프랑스, 스페인, 포르투갈)에서 천만 유로화를 넘은 판매 규모를 보이며, 2019년도에 이 세 국가 외에 아일랜드까지 포함해서 2백6십 톤 이상의 macro-algae를 생산했다.
2015년도에 JRC는 European Commission의 지시에 따라 바이오매스에 관한 연구를 시작했고 해양을 포함한 모든 유래의 바이오매스에 대한 데이터, 모델, 그리고 EU와 전 세계의 공급과 수요 그리고 환경 즉, 사회적, 경제적 지속가능성에 대해서 분석을 제공했다(biomass study).
2017년도에 JRC는 유럽 의회의 바이오 경제를 위한 지식센터(Knowledge Centre for Bioeconomy, KCB)를 시작하면서 바이오 경제의 효과를 분석하는데 필요한 지식 기반을 구축했다. 정책을 세우는 것의 어려운 점과 바이오 경제에 대한 데이터와 정보의 증가와 더불어 이 지식센터는 유럽 연합의 정책을 세울 수 있도록 지식에 대한 지도를 그리고 분석하며 제공 가능한 자료를 압축하면서 바이오 경제를 앞당기기 위한 노력을 해나가고 있다. 또한, 해양 생물체 전체를 배양하는 것과는 달리 세포 배양으로부터 제품을 생산하는 분야(cellular mariculture)는 공중보건, 환경 및 동물 보호와 같은 문제 어류의 세포나 조직배양을 통해서 해산물을 생산하는 방식을 통해 산업적으로 양식업과 어업 방식을 보완하는 공급망의 해결을 위한 방법으로 떠오르고 있다.
미국은 현재 해조류 양식에서 20위에도 들지 못하는 상황이지만 World Wildlife Foundation의 예측에 의하면 2051년도가 되면 해조류 양식이 미국에서 감자를 제치고 4번째의 식량 소스가 될 것이라고 한다. 미국이 생물제조에 대한 대규모 투자와 함께 내놓은 이러한 예측은 우리에게 새롭게 해조류를 식품 원료만이 아니라 일상생활에 쓰이는 화학제품의 원료로서의 가능성을 점검할 필요가 있음을 알려준다. 해조류를 원료로 PHA를 개발하고 있는 두 회사를 소개한다.
호주의 Uluu
Uluu는 해양 양식에 의한 해조류를 발효해 원료로 생산하는 방식을 사용하는 호주의 스타트업이다. 호주의 국가연구기관인 CSIRO에서 기술을 제공하고 있다고 한다. Uluu의 사업 자금으로서 CSIRO의 벤처 기금으로 지원받고 있다. Uluu는 CEO이자 공동창업자인 해양과학자 Julia Reisser가 해양에서 발견되는 플라스틱의 문제를 두고 오랜 시간 고민하면서 해양에서 분해가 되는 바이오 기반 플라스틱 PHA에 주목하면서 시작되었다. 또한, Julia는 인도네시아에서 해조류 양식을 담당하는 인구 가운데 여성이 70%를 차지하는 것을 알게 되면서 Uluu의 공정의 원료의 소싱을 인도네시아에서 하기 위해서 호주 서부의 Perth 도시의 관리들과 함께 인도네시아를 방문하여 원료의 안정적인 공급에 대한 협력을 체결하였다.
해조류를 원료로 하여 바닷물을 배양 배지의 성분으로 생산되는 PHA는 멸균을 하지 않고 배양할 수 있어서 생산비용을 줄일 수 있을 것으로 보인다. 그러나 석유 원료 기반의 PP, PET보다 생산 가격이 비쌀 것이다. 따라서 화장품 용기와 같이 비교적 비싼 가격에 판매되는 플라스틱 수지를 대체하고자 하는 목표를 세우고 사업을 키워가는 중이다. 현재 Univ of Western Australia, 그리고 Deakin University의 Institute of Frontier Materials와 함께 활발히 협력 관계를 이루어 섬유와 다양한 응용을 개척하고 있다. 현재는 PHA 가운데 Scl-PHA에 해당하는 PHBV에 집중하여 개발을 진행하고 있다.
이스라엘의 Biotic
Biotic사는 이스라엘에 근거를 두고 있는 PHA 생산을 목표로 달려가는 스타트업이다. 바이오 분야에서 순환 경제를 이루고자 Bio-Circular Ltd와 함께하고 있다. Biotic사는 최근 미국 메인주의 제2회 Seaagriculture USA 컨퍼런스에 참여하여 CEO인 Adi Goldman이 발표했다. 메인주는 해조류 특별히 홍조류 미역(kelp)에 관심을 가지고 주 정부에서 이 분야를 장려하고 있다.
해조류 산업을 위한 미국에서 가장 큰 컨퍼런스인 Seaagriculture USA 컨퍼런스에서 미국 전체와 외국에서 다양한 분야의 사람들이 참여하여 네트워크를 만들어 가고 있다. 작년에 처음 시작되어 12개국에서 280명이 참여하였다. “해조류 양식과 가치 창출은 메인주에 서 경제적으로 상당한 잠재력을 가지고 있습니다. 업계와 연구자들이 함께 메인주의 주된 산업이 되도록 뛰고 있습니다”라고 메인주의 MENADO를 이끄는 Dana Eidness는 말한다.” 해조류 양식을 하는 수산업자들의 기술들뿐 아니라 해조류를 식품, 섬유, 바이오 플라스틱의 원료로 사용하고자 하는 혁신들이 이루어지고 있어서 해조류를 이용한 제품을 글로벌 시장에서 내놓기 위해서 노력하고 있습니다.”라고 Dana는 덧붙인다.
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이 학회는 메인주 정부, 메인주의 경제 지역 개발부(DECD), 메인주 기술연구소(MTI), 메인주 국제무역센터(MITC), 그리고 메인주대서양개발 사무실(MENADO)이 후원한다.
2023년 컨퍼런스에 참여한 Biotic사의 Adi Goldman는 ’Microalgae is seaweed?’라는 제목으로 강연했는데 산업에서 고부가가치 창출을 위한 원료로써 해양 바이오매스에 대해서 주제발표를 하였다. Adi는 Biotic사의 공동창업자로서 회사경영과 마케팅에 15년이라는 경험이 풍부한 많은 CEO이다.
바이오 기반의 생분해성 플라스틱 PHBV의 생산을 키워가기 위해서 Biotic사는 완전히 바이오 기반으로 대량 생산 화학제품을 목표로 해양 바이오매스를 원료로 발효(precision fermentation)를 통해 석유 유래의 플라스틱을 대체하면서 리사이클의 필요를 제거하고자 한다. 이러한 해조류는 바이오 플라스틱의 원료뿐 아니라, 단백질, 염료, 항산화제, 지질, 그리고 동물 사료, 건강보조제 등의 부가적인 가치를 창출할 수 있을 것이다. Biotic사의 기술은 그 지역에서 생산되는 소재를 원료로 사용함으로써 일자리를 창출하면서 해수를 사용하여 비 식량 자원의 바이오매스에 대한 수요를 늘리고 기존의 공정에서 폐기물로 생산되는 바이오 폐기물을 함께 사용할 수 있으므로 높은 효율을 가져다줄 수 있을 것이다. 실제로 해양의 염 농도에서 자라는 미생물을 이용하여 멸균하지 않은 상태에서 발효를 통해 PHA인 PHB를 생산하는 연구들이 점점 늘어나고 있다6).
추가로 PHA를 이용하여 다양한 제품을 생산하고 있는 회사 두 회사를 소개하고자 한다.
Beyond Plastic
PHA의 Blow molding을 통해서 빨대(straw)를 생산하는 beyond plastic은 미국의 캘리포니아에 소재한 회사이다. 빨대뿐 아니라 3D printing filament와 함께 생산하면서 제품의 범위를 넓혀가고 있다. 캘리포니아주가 미국에서는 다른 주보다 플라스틱에 대해서 엄격한 법을 도입하고 있어서 beyond plastic은 이러한 정책적인 환경에서 PHA를 기반으로 생활용품들을 생산하고자 하는 전략을 사용하고 있다. 이미 CJ Biomaterials사가 NatureWorks사의 PLA와 CJ의 aPHA(PHACT)를 사용하여 다양한 제품을 생산하고 있음을 볼 때 PHA를 이용하여 제품을 개발하는 컨버터(converter)들이 점점 많아지면서 시장의 확대가 예상된다.
Shellworks Vivomer (화장품 용기 등)
최초에 키틴에 관한 연구로부터 Shellworks는 바이오 폴리머로 구성된 플라스틱인 Vivomer를 개발했는데 이는 PHA 원료에 기반
을 둔 재료로서 미생물에 의해 생산된 것이다. 최근에 2023년 지속 가능영역에서 포장 디자인 분야에서 런던디자인 은상을 받았다.
제3회 World PHA Congress
PHA(Poly-Hydroxy-Alkanoates)는 바이오 기반의 폴리에스터이다. 여기에는 polyhydroxyalkanoate를 비롯해 150개가 넘는 다양한 구조의 PHA가 포함되는데 대표적으로 PHB, PHV, PHBV, PHBH가 있다. 이렇게 다양한 구조를 가진 바이오 기반의 PHA는 독자적으로 학회를 가질 만큼 성장했다. 이를 뒷받침하고 있는 GO! PHA는 bioplastics MAGAZINE과 함께 제3회 학회를 미국 조지아주 애틀란타에서 10월 10~11일 공동 개최한다. 독일에서 두 회에 걸쳐 그리고 독일 플라스틱 전시회인 K2019와 K2021에서 아침 식사와 함께 비즈니스를 의논하는 PHA-days 모임이 성공적으로 진행되었고 이번에 3차 컨퍼런스를 개최하게 된다. 이를 통해 GO! PHA는 bioplastics MAGAZINE은 PHA 플랫폼을 구축해나가고 있다. PHA 유형에 따라서 필름, 포장, 의료, 자동차, 소비자 전자제품, 가정용 전자제품 등에 쓰일 수 있고, 완구, 접착제, 페인트, 코팅, 섬유(직조, 부직), 잉크 등에 적용될 수 있다. 따라서 PHA는 다양한 성질과 응용을 망라해 사용될 수 있다. 유형에 따라 대부분의 PHA는 토양, 민물, 해양 등 환경 조건에서 생분해가 되고 산업적 퇴비화 시설이나 가정 퇴비화가 가능하다. 또한, 혐기성 소화(anaerobic digestion, AD)가 가능하다.
3차 PHA Congress에는 Alfa Laval, Beyond Plastic, Bluepha, Circularise, CJ Biomaterials, Colorado State University, Danimer Scientific, Farrel Pomini, GO!PHA, Jungbunzlauer, Kaneka, National Renewable Energy Laboratory, OWS, PHAbuilder, RWDC, TerraVerdae, Tsinghua University, University of Queensland, Wageningen University & Research 등이 참여할 예정이다.
또한, 이번 3차 PHA 컨퍼런스에 앞서 9일에는 GO! PHA의 공동창업자이자 PHA 전문가 Jan Raventsjin이 주관하는집중강좌(Masterclass)가 있을 예정이다-PHA 기초, 다양한 PHA, 생산전략. 산업에 걸친 응용 분야, 사용 후 처리, 미래의 주요 플라스틱으로의 전망 등이 다루어질 전망이다.
이 컨퍼런스를 통해서 새로운 플라스틱 플랫폼의 형성에서 진보와 도전 그리고 시장의 가능성을 살펴보게 될 것이다. 가치 사슬에서의 각 단계와 함께 원료, 폴리머 생산, 컴파운딩, 가공, 응용, 사용 후 처리 등에 대해 각 분야에서 활약하는 회사들이 소개할 것이다.
모든 발표는 녹화되어 나중에 판매 형식으로 제공될 예정이다.
1) Modification and Potential Application of Short-Chain-Length Polyhydroxyalkanoate (SCL-PHA). Polymers, 2016, vol.8(8), 273
2) Polyhydrox yalkano ates Pro duc tion: A Ch allenge for the Plastic Industr y. Ind. Eng. Chem. Res. 20 2 3 W inter burn et al.
3) Recent advances of sustainable Short-chain length polyhydroxyalkanoates (Scl-PHAs) – Plant biomass composites. Eur Polymer J., 2023, vol18 7, 1118 8 2
4) Opportunities and challenges for integrating the development of sustainable polymer materials within an international circular (bio) economy c onc ept. MRS ENERGY & SUS TA IN A BILI T Y, 20 2 2, Vol 9, 28 ~3 4
5) Polyhydroxybutyrate-Natural Fiber Reinforcement Biocomposite Production and Their Biological Recyclability through Anaerobic Digestion. Energies 2022, 15(23), 8934
6 ) From Organic Wastes to Bioplastics: Feasibility of Nonsterile Poly(3-hydroxybutyrate) Production by Zobellella denitrificans ZD1. ACS Omega 2020, 5, 38, 24158–24168
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