플라스틱넷

		지속가능한 플라스틱 ⑨ : 순환경제, 바이오경제를 위한 선택, PHA
		[플라스틱사이언스] 기사입력 2023-09-24 23:11:19

진정한 바이오 순환경제로 나아가기 위해서는 이미 경제 안에 활발히 돌아다니는 석유계 플라스틱과 이를 대체하기 위해서 등장한 새로운 바이오 소재들을 잘 관리할 수 있는 인프라 구조가 필요하다. 우리는 이제 재료와 에너지를 덜 사용하는 방향으로 제품을 디자인할 필요가 있으며 사용하고자 하는 소재, 재생 가능한 재료를 먼저 생각하고 디자인해야 한다.

글. 박오진 (주)리그넘 연구소장/사업개발 담당

탄소의 순환경제, RCI 운동
저널 <Chemical Industry Digest> 2023년 6월호에서는 ‘지속가능성’에 대한 연례 특집호를 통해 화학과 공정 산업에 종사하는 엔지니어들과 과학자들에게 독일의 nova-Institut GmbH에서 제기했던 Renewable Carbon Initiative(RCI)의 목표, 비전, 그리고 지난 2년 반 동안의 성과에 대해 다루었다¹⁾저자들은 화학산업에서의 근본적인 변화가 필요하다는 것을 특히 강조했다.

RCI를 시작했고 현재 최고 매니저의 역할을 맡고 있는 Michael Carus는 화학산업에서의 근본적인 변화를 이야기하면서, 에너지 산업이 재생 에너지로의 변화를 이루어가고 있는 것과 같이, 재생 탄소가 화학산업에 있어서 새로운 기초가 될 수 있을 것이라고 전망하고 있다. 또한, 우리가 사용하는 물질 가운데 많은 부분을 차지하는 탄소를 순환하는 모델을 제시하면서 지난 2년 반의 성과 를 공유했다.
산업혁명 이후 처음으로 화학, 플라스틱, 섬유 그리고 다른 소재 산업을 통해 얻어지는 우리가 사용하는 물질 가운데 많은 부분을 차지하는 탄소를, 화석원료에서 유래한 탄소(fossil carbon)를 사용하지 않고 재생 탄소(renewable carbon)를 통해서 얻을 수 있을 것이라고 말한다. 에너지와 물질의 생산에서 디커플링(decoupling)이 기술적으로 가능하게 되고 실제로 그러한 일이 일어나는 시대에 우리는 살아가고 있다. 이것은 근본적인 게임 체인저로서, 기후 보호에 있어서 상당한 효과를 가져 올 수 있는 파급력을 갖게 될 것이다. 전 세계적으로 사용하는 대량 소비 화학제품과 소비자 제품에 포함된 탄소 대부분이 공기 중으로 배출되기 때문이다.

지속가능한 화학산업에서 선두주자들의 네트워크 일부를 만들어가고 싶은가? 재생 가능한 탄소로 이루어진 순환경제를 위한 목소리를 내는데 함께 하고 싶지 않은가? 바이오매스(1), 이산화탄소를 직접 포집하여 사용하는 CCU(Carbon capture & Utilization)(2), 그리고 리사이클링(3)을 통해서 플라스틱, 복합재료, 섬유, 그리고 다양한 화학제품들을 생산할 수 있고 속히 그렇게 되어야 할 것이다.

PHA(PolyHydroxyAlkanoate)의 잠재력이 인정받다
우리는 지난 8번에 걸친 연재와 앞으로 계속 이어질 연재에서 PHA(PolyHydroxyAlkanoate, 폴리히드록시 알카노에이트)가 그러한 좋은 모델이며 이를 위해 여러 크고 작은 회사들이 상업화를 향해 매진하고 있는 모습을 보았다. RCI 운동과 같은 네트워크가 PHA의 산업화에서도 이루어지고 있는데 기업들과 연구기관들의 연합체인 GO! PHA라고 할 수 있을 것이다.
처음으로 바이오 기반 및 생분해성 포장재와 제품의 광범위한 생산과 사용을 위한 현실적인 길이 열렸다. 이는 플라스틱 폐기물을 줄이고 환경을 깨끗하게 하며 새로운 에너지원을 제공하는 혁명이라고 할 수 있다. 현재 미국 의회에서 고려 중인 2023년 농업 법안은 이 과정을 가속화 하는 이상적인 수단이 될 것이다.

주류를 이루고 있는 일회용, 비분해성 포장이 소비자 편의성과 비용에는 도움이 되었지만, 환경에는 해를 끼쳤다. 지난 30년 동안 플라스틱 폐기물 발생량은 3배 이상 증가했고 유엔 환경 프로그램(UNEP)은 매년 전 세계적으로 5조 개의 비닐봉지가 사용되는 것으로 추산한다.
일회용 플라스틱의 약 98%는 화석 연료로 만들어지고 있고, 생산되는 모든 플라스틱의 50%는 일회용이다.
수십 년 동안 과학자들은 퇴비로 만들 수 있고, 바다로 빠져나갔을 때 분해되는 식물 기반의 플라스틱 대체물을 개발하기 위해 노력해 왔다. 하지만 생산 비용이 너무 비싸 상업적으로의 실행은 가능하지 않았다.
이제 상황이 바뀌고 있다. 플라스틱의 주요 사용자인 소비재 브랜드는 변화에 대한 고객의 압력을 느끼면서 가치 사슬에서 주도권을 잡기 시작했다. 그들은 공급망에서 거꾸로 거슬러 올라가서 공급업체와 협력하여 환경에 좋고 소비자에게 가성비가 좋은 퇴비화 플라스틱을 생산하고 있다.
이러한 식물 기반의 플라스틱 대체품은 때로 “바이오 플라스틱”이라고 불리기도 하지만 이는 다양한 제품을 의미할 수 있는 포괄적인 단어이다. 그 한 가지 유형인 PHA는 특히 우수하다. PHA는 재생 가능하며 옥수수, 사탕수수, 폐식용유, 폐가스, 유기성 폐기물 등을 원료로 생산된다(플라스틱 사이언스 2023년 5월호 참조).
자연에서 만들어진 원료를 사용하여 생산되는 것 이외에도 PHA는 사용 후 또는 수명이 다하면 퇴비화(가정 또는 산업) 또는 산소 없이 물질을 분해하는 과정인 혐기성 소화와 같은 생분해 과정을 통해 자연으로 돌아간다. 이로 인해 진정한 순환 제품이 되고 낭비가 없다.
PHA는 컵, 빨대, 쇼핑백, 골프 티, 펜, 화장품 용기 등 다양한 일회용 플라스틱을 대체할 수 있다.

미국 정부는 바이오 기반 제품을 옹호하고 있고 그럴 만한 이유가 있다. 원유 배럴의 약 20%가 플라스틱과 같은 연료가 아닌 화학제품을 생산하는 데 사용된다. 바이오 기반의 대체물로 전환하면 화석 연료 추출, 운송 및 가공의 탄소 영향이 줄어든다. 지난 3월 바이든 행정부는 미국 생명공학 및 바이오제조업을 발전시키기 위한 장기 목표를 세웠다. 이러한 목표 중 하나는 20년 이내에 플라스틱의 90%를 바이오 기반 대체품으로 교체하는 것이다. 지난 10년 동안 대기업과 스타트업 모두 PHA와 같은 재생 가능 소재를 상용화하기 위해 경쟁하는 새로운 물결이 나타났다. 이러한 일종의 운동과도 같은 파도를 타고 60개 이상의 회사가 PHA를 옹호하며 PHA에 대한 교육에 전념하는 조직인 GO! PHA를 결성했다. CJ Biomaterials, Danimer, Kaneka, RWDC 및 Newlight를 포함한 많은 회원사가 이러한 소재를 상용화했으며, PepsiCo, Mars 및 Kimberly Clark과 같은 주요 소매 브랜드와 파트너십을 맺고 있다.

현명한 법률 및 규정을 통해 소비자의 일상사용에서 사용하는 제품을 바이오 기반 및 생분해성 포장재로 생산할 수 있다.
그러나 GO! PHA 같은 좋은 의도의 움직임이 있지만, 정부의 뒷받침이 없이는 좋은 의도로만 끝나버릴 수 있다. 최근 미국의 캘리포니아주와 같은 지방 정부의 리더십은 플라스틱 폐기물 문제를 해결하고 순환성을 추구하는 정책을 도입했다. 캘리포니아주가 SB 54 (플라스틱 오염 방지 및 포장재 생산 책임법, Plastic Pollution Prevention and Packaging Producer Responsibility Act)를 통해 플라스틱에 대한 규제를 고려하는 것을 보고 있다.
입법자들은 플라스틱 폐기물을 제거하고 순환성을 개선하는 법안의 의도와 후속 규제가 잘 연결되어 작동하도록 해야 할 것이다. 미국 연방정부 차원에서는 농업 법안(Farm Bill)이 열쇠를 쥐고 있다. 다년간의 법안으로 광범위한 농업 및 식품 프로그램을 다루며 지출규모는 5,000억 달러에 이른다. 농업 법안을 통해 의회는 바이오 기반 제품 구매를 늘리고 더 많은 이익이 소비자의 손에 돌아가도록 2002년에 설립된 USDA의 BioPreferred 프로그램을 확장해야 할 것을 촉구하고 있다. Farm Bill 503 프로그램을 통해 연구 자금을 확대하면서 확장 가능한 더 많은 파일럿 및 데모 인프라가 가능해지게 될 것이다. 또한, 미국 의회는 이 새로운 분야가 북미 산업 분류 시스템(NAICS)과 같은 연방 분류시스템에 표시되어 정책 입안자가 산업의 성장을 추적 할 수 있도록 함으로써 바이오 기반의 소재 산업을 지원할 수 있게 된다.
또한, 해결해야 할 큰 요구사항 중 하나는 퇴비화 및 혐기성 소화와 같은 바이오 기반 재료를 포함한 유기물 처리를 위해 전국적으로 절실히 필요한 인프라를 구축하는 것이다. 가정의 뒷마당 퇴비화만으로는 충분하지 않다. 이러한 대규모 시설에서는 PHA 및 기타 유기 폐기물을 회수하여 새로운 제품을 만들거나 풍부한 토양 영양분으로 퇴비화할 수 있다. 혐기성 소화는 바이오 메탄을 생성하는데, 이는 포집 되어 에너지원이나 바이오 프로세스에 유용한 공급 원료로 전환될 수 있다.
현재 메탄은 기존 매립지에서 대기 중으로 배출될 수 있으며, 이로 인해 지구 온난화의 잠재력이 이산화탄소의 28배가 된다.
기술은 여기에 이미 (Here & Now!) 개발되어 있고, 소비자도 그것을 원한다. 기업들이 이를 생산하고 사용하고 있다. 이제 정부와 의회가 필요한 규제 프레임 워크와 자금을 구축해야 할 때이다. 플라스틱 오염이라는 재앙에 대한 해결책이 바로 눈앞에 다가왔다²⁾.

바이오 순환경제
미국의 위대한 언어학자인 Benjamin Lee Whorf는 언어(단어)와 사고, 인지의 관계에 대한 가설(Sapir-Whorf Hypothesis)로 유명하다. 어떤 언어의 구조는 그 언어를 사용하는 이들의 사고의 방식을 결정한다는 가설이다. 따라서 서로 다른 언어들의 구조로 말미암아 이들 언어의 사용자들은 세상을 바라보는 방식이 다를 수 있다는 것이다. 언어의 구조뿐 아니라 우리가 사용하은 단어조차도 우리의 사고를 지배할 수 있다.

‘Circular BioEconomy’(CBE, 순환 바이오경제 혹은 바이오 순환경제)라는 단어는 우리에게는 익숙하지 않은 단어이다. 순환경제와 바이오경제라는 두 단어는 개별적으로 한국에서도 흔히 사용되고 있다. 순환경제는 에너지 사용, 환경오염 문제를 놓고 우리가 사용하는 물질의 순환과 관련하여 사용되고 있다. 그러나 바이오경제라는 단어는 적어도 한국에서는 우리가 일상 생활에서 사용하는 화학제품에 관련지어 사용되기보다는 제약, 진단, 의료기기 등 의료 산업에 초점이 맞추어져 있으면서, 우리나라의 신문과 미디어 그리고 학계에서도 이러한 의미로 널리 사용되고 있다.
바이오경제라는 단어는 적어도 한국에서는 우리가 일상생활에서 사용하는 화학제품에 관련지어 사용되기 보다는 제약, 진단, 의료기기 등 의료 산업에 초점이 맞추어져 있으면서, 우리나라의 신문과 미디어 그리고 학계에서도 이러한 의미로 널리 사용되고 있다.
그러나 생물공학 기술을 이용하는 화학, 농업, 의료, 환경, 생물자원, 생물 안전성 등 모든 분야를 망라하는 바이오경제라는 단어가 의료 산업의 규모가 일상생활의 화학제품 생산 매출액의 규모상 훨씬 큰 현재의 우리나라의 상황에서는 주로 의료분야에 맞추어 사용되고 있는 것을 이상하게 생각하는 이들이 많지 않을 것이다.
그러나 유럽과 미국을 비롯한 다른 나라들에서는 우리의 생활에서 사용되는 대량생산과 소비에서의 생물공학의 이용을 지칭하는 부분에 더 초점이 맞추어져 있는 것으로 여겨진다(국회-과총 바이오경제 포럼, 한국산 업연구원, 한국의 바이오경제학회, 한국바이오협회의 활동을 참고하라). 그러나 바이오 순환경제 ‘Circular BioEconomy’라는 용어는 이전에 한국에서 사용되던 바이오경제의 개념을 많이 바꾸어야 할 것으로 요구하고 있다.

바이든 행정부의 행정 명령에 대한 반응과 영향력 / 생물경제가 무엇인가?
화학 경제 분야에서의 정보 조사기관인 TecnoOrbiChem의 바이오 기반 화학제품과 고분자 분야의 분석 담당인 Doris de Guzman은 2022년도에 ‘Bioeconomy: Poised at the crossroads’ 발표에서³⁾ 바이오경제의 COVID-19 이전과 현재에 대해서 언급했다.
COVID-19가 끝나고 미국은 제조업에서의 부흥과 IRA법의 발효를 통해 공급망의 재정비를 목표로 하며 바이오경제를 위한 중요한 이정표를 만들었다. 어떤 이들은 예기치 못한 채 바이든 행정부가 최근에 발표한 생물공학과 생물제조의 발전에 대한 행정 명령(2023년 3월 22일)을 듣고 이러한 정부의 움직임을 두 손 들어 환영했다. 생물공학의 발전과 함께 가능해진 놀라운 효율적인 생물 제조기술로 인해 효과적인 COVID-19 백신을 빠른 속도로 생산할 수 있게 되었다. 이러한 행정 명령은 미국 정부의 전문성과 자원을 활용하여 미국의 제품 개발과 제조에 있어서 획기적인 전환을 위한 길을 닦고자 하는 의도가 깃들여 있는 것이다.
미국 과학자 연합에 따르면 산업계 리더들의 이러한 행정 명령이 미국의 바이오경제를 건설하는데 중요한 첫 단추가 되었다는 데 동의한다. 즉 정부가 생물공학, 생물재료 그리고 바이오 플라스틱과 같은 분야를 잘 지원할 수 있는 초석을 놓은 것이다. 행정 명령의 발표에 앞서서 2022년 9월 14일에는 미국 백악관에서 미국 국가안보 보좌관인 Jake Sullivan의 주도로 ‘생물공학과 생물제조에 관한 최고 회의’(Summit on Biotechnology and Biomanufacturing)를 개최했다. 미국 백악관과 행정부에서는 20억 불의 예산을 생물제조에 어떻게 사용할 것인가를 논의하기 위해서 학계, 산업계 분야에서 전문가를 초청하여 의견을 듣는 시간을 가진 것이다.
산업계에서 참여한 전문가로는 가스 발효(gas ferment-ation)를 이용하여 철강이나 화학제조 공정에서 배출되는 폐가스를 원료로 유용한 화학 물질을 생산하는 LanzaTech사의 CEO인 Jennifer Holmgren, 합성생물학을 이용한 BioFoundry를 구축하여 서비스를 제공하는 비즈니스 모델을 가진 Ginko Bioworks의 CEO Jaosn Kelly, 효소를 이용하여 H2O2를 생산하는 Solugen사의 CEO Gaurab Chakrabarti4), 고래로부터 얻어지던스쿠알렌을 효모 발효를 통해 생산하여 화장품 원료로 개발한 Amyris사의 CEO John Melo도 참여했다.

그렇다면 진정한 생물경제(바이오경제)5)는 무엇이며, 플라스틱과 무슨 관련이 있는가?
(특별히 유엔의 환경프로그램 UNEP의 글로벌 플라스틱 조약)
바이오 플라스틱과 바이오 순환경제(Circular Bioeconomy, CBE)
유엔 환경프로그램의 정부 간 협상위원회의 행정 비서를 맡고 있는 Jyoti Mathur-Filipp는 “플라스틱 순환경제의 세 가지 원칙(퇴출-Eliminate, 혁신-Innovate, 순환-Circulate: EIC)은 지속가능한 미래에 대해서 새로운 비전을 담고 있습니다. 이것은 우리가 필요로 하지않는 플라스틱은 퇴출하고, 우리에게 필요한 모든 플라스틱은 안전하게 재사용하고, 재활용하고 퇴비화할 수 있도록 혁신해야 하며, 우리가 사용하는 모든 것을 우리의 경제 안에 순환되도록 하며 우리 주위 환경으로부터 버려지지 않도록 해야 합니다”라고 말한다. 바이오 순환경제의 개념은 우리 경제 활동에서 사용하는 소재에서 순환성, 지속가능성, 그리고 바이오 기반의 원료를 포함하도록 하는 경제 모델을 말한다.

2022년 12월에 발표된 Nature 잡지에 발표한 논문에서⁶⁾ 네덜란드의 연구자들은 모델링을 통해 탄소 배출을 억제할 수 있는 다양한 방법들의 잠재적인 영향들을 비교하면서 바이오 순환경제가 탄소 배출을 현저하게 줄이는 방법이라는 것에 주목했다.
이 연구에서 연구자들은 LCA(생애전주기 평가)와 비슷한 평가 모델에서 플라스틱의 원료 생산과 플라스틱 수지 생산, 가공과 전환, 그리고 여러 산업 분야에서 사용, 폐기(end of life, EOL)에 이르는 전 과정에서 배출되는 탄소를 계산했다. 2100년까지 지구의 온도 상승을 2도 이내로 상정한 이 모델은 리사이클링을 촉진하는 탄소세를 올릴 때의 효과(1), 석유(화석 원료) 기반의 플라스틱에서 바이오 플라스틱으로 전환함으로써 얻는 효과(2), 그리고 생산에서 사용되는 에너지의 효과(3), 또 플라스틱 폐기의 효과(4)를 예측하고자 했다.
제시된 4가지의 모델에서 바이오 순환경제(circular bioeconomy, CBE)7) 모델이 최대의 리사이클, 소각의 제거, 매립의 감소, 전체적인 소비의 감소, 그리고 바이오매스를 최대한 혼용할 수 있는 방식으로서 전체적으로 이산화탄소 배출 측면에서 가장 우수함을 보여주었다.
이제 시대의 흐름을 보여주는 교과과목들이 등장하고 있다. 전통적인 화학공학의 커리큘럼에서는 4학년에 공정(장) 설계(Process Design, Plant Design)라는 과목을 포함했던 적이 있다. 이제 이러한 전통적인 커리큘럼에서 벗어나서 일찍이 Cambridge 대학에서는 ‘Product Design 제품 설계’ 과정이 개설되었고, 최근에는 네덜란드 Delft 공대에서 ‘Circular Product Design’이라는 온라인 과목이 생겨났다⁸⁾.

바이오 기반과 석유 기반의 혼합: ‘Mass Balance’
신소재는 개발비용이 비싸고 상업화에 수십 년이 걸린다. 화학회사들은 바이오 플라스틱을 석유계 플라스틱 제조에 통합하여 재생 가능한 원료를 이용해 화학 제품을 생산하기 위해서 두 가지를 혼합하는(blend) 방식을 채택하기도 한다. 이러한 접근방식의 예를 든다면 hemp(마)나 셀룰로오스 부산물과 같은 바이오매스 원료를 석유계 플라스틱과 혼합하는 것이다. 혹은 재생 가능한 원료를 정제하여(refining, fractionating) 화학 원료로서 투입하는 예도 이에 해당한다. 어떤 경우에는 생분해나 저독성 혹은 무독성과 같은 유용한 성질을 가진 석유계 원료를 바이오 플라스틱과 함께 사용하여 퇴비화가 가능한 필름이나 봉지와 같은 일용 제품을 만들 수도 있다.
브랜드오너들은 이러한 ‘mass balance’라고 불리는 소재를 이용해서 자신들의 최종제품에 어느 정도의 재생원료를 함유하고 있다고 말을 한다. 어떤 응용에서는 이러한 ‘mass balance’와 같은 접근법이 화학제품 생산업체들에는 석유를 탈피할 수 있도록 하면서 동시에 바이오 플라스틱 업체들에는 규모를 키워갈 수 있도록 해주는 방법이다. 그러나 확실한 것은 ‘Mass Balance’ 방식은 바이오 순환경제로 나가기 위한 단기적인 중간 단계라고 할 수 있을 것이다.

플라스틱에 대한 수요 예측을 볼 때9), 플라스틱 가운데서 일부만 바이오 기반의 플라스틱을 도입함으로써 오일에 대한 의존을 장기화하면서 석유산업의 확장을 확대하게 될 것이며 생명을 위협하는 화학제품의 생산은 계속될 것이며 매립에 대한 의존도 계속될 것이다.

사용 후
우리는 대략 우리가 사용하는 플라스틱 가운데 40%를 포장에 사용하는데 그중 대부분이 1년 안에 폐기된다.
포장에 사용하는 플라스틱은 가볍고 사용 후 더러워지게 되며 대부분 여러 소재가 함께 사용되게 된다. 플라스틱 사용량의 9%만이 리사이클 되는데 나머지는 소각되며 매립되거나 환경으로 방출된다. 이러한 문제에 대응하기 위해서, 바이오 플라스틱 가운데 사용 후 퇴비화가 될 수 있는 플라스틱으로 2000년대 초반 PLA라는 플라스틱이 시장에 등장했다. PLA는 상대적으로 안정한 플라스틱으로 현재 식물에서 유래한 전분을 원료로 만들어진다. PLA는 상업적 퇴비화 시설에서만 분해할 수 있는데 특별한 온도와 습도 조건에서만 90일 안에 미생물에 의해서 분해가 된다.
초기에는 폐기물을 해결할 수 있는 기적의 소재로 시장에 들어왔지만, 퇴비화가 가능한 바이오 플라스틱은 일회용 포장 분야에서는 골칫덩어리로 등장했다. 왜냐하면, 퇴비화 전문 업체들이 비표준화된 유입물과 부정확한 라벨로 인해 힘들어하기 때문이다. 한편, 미국이 수백만 톤의 플라스틱 폐기물을 외국으로 수출하면서 미국의 재활용 프로그램은 실패로 돌아갔다. 한편 패러다임의 전환이 요구되고 있다: 플라스틱의 소비를 현저하게 줄여야 하며 우리가 사용하는 플라스틱이 순환될 수 있도록 디자인할 필요가 있다.

투명성과 인증제도의 장점
미국은 원료 소재의 신빙성(바이오 기반인가?)과 제품의 사용 후에 폐기 문제(퇴비화가 되는가?)를 확인할 수 있도록 각각에 대해 바이오 플라스틱들의 인증제도를 도입했다. 원료가 바이오 기반의 제품인지를 인증하기 위해서 미국 농무부(USDA) 산하의 BioPreferred 인증제도가 있는데 100% 바이오 기반인지를 인증한다. 퇴비화 인증을 위해서는 ASTM 표준들이 있어서 일반적으로 유럽과 호주의 표준을 반영하고 있으나 미국의 실험 인프라가 개선되어야 할 필요가 있다.
미국에는 BPI(Biological Products Institute)가 있는데 독일의 Din Certco와 협력하여 제품에 상업적 퇴비화 인증을 부여하고 있으며, 가정 퇴비화 인증은 외국의 인증기관인 Din Certco, TUV를 통해 얻을 수 있다. 인증을 얻기 위해서는 제품이 적외선을 이용해 인증 기간 동안 검사를 수행하며 인증이 나가기 전에 소재 자체도 실험실에서 중금속이나 P FA 와 같은 독성물질에 대한 분석도 필요하다.
BPI와 같은 단체들은 지방 정부의 퇴비화 시설들 그리고 미국 퇴비화 위원회(US Composting Council)와 네트워크를 통해 실시간 제품의 테스트를 시행하여 주장하는 내용과 실제 퇴비화 시설에서의 경험이 일치하는지를 점검한다. 예를 들어서 퇴비화 시설 연합(The Compost Manufacturing Alliance)은 미국 전역의 민간 및 지방정부의 퇴비화 시설의 연합체로서 아이템별 퇴비화 가능 제품 브랜드와 함께 현장 테스트를 실시하며 각 퇴비화 방법의 인증을 제공한다.
이러한 과정들이 번거롭게 보이지만(실제로 번거롭다), 이러한 인증제도들과 연합체들의 활동은 바이오 기반 제품들과 소재들에 대해 석유계 플라스틱이 시작되었을 때는 없었던 모니터링을 제공함으로써 신뢰성을 부여하게 될 것이다. 퇴비화가 되는 제품이 매립되지 않고 퇴비로서 재순환되도록 제삼자에 의한 퇴비화 인증을 받는 것은 어렵게 만들 필요가 있다.

예기치 않은 결과들
바이오 기반 제품은 석유 제품의 성능과 가공에서 요구조건들이 다르며 석유 플라스틱에 대한 실질적인 보조금 및 로비 인프라가 부족하다. 오늘날 바이오 플라스틱은 석유 기반 플라스틱보다 더 비싼 경향이 있다.
또한, 우리는 생산성을 높이고 비용을 줄이기 위해 독성 화학 물질과 첨가제를 사용하는 공장에서 수십 년동안 석유 플라스틱을 사용해 온 기계를 통해 바이오 기반 재료를 사용한다.
PFA (Polyfluoroalkyl, Per라고도 불림)가 이러한 문제점을 보여주는 좋은 예이다. 2013년 테플론이라는 이름으로 불리던 물질이 금지되면서, P FA 제조업체는 물질을 약간 변형하여 새로운 이름을 붙이고, 달라붙지 않는 첨가제와 코팅제로 시장에 엄청난 제품들을 출시했다. 식물성 섬유로 된 용기와 종이 제품은 전통적으로 새는 것을 막기 위해 석유 플라스틱으로 안쪽을 코팅하여 사용해왔다. 바이오기반의 용기 브랜드와 고객들은 식품에 담긴 기름으로 인해 변색 되지 않고 액체가 스며들지 않는 플라스틱을 요구했다. 이러한 제품을 제조하는 업자들은 이를 위해서 PFA 를 찾게 되었다. ‘카운터(The Counter)’라는 단체(공식적으로 New Food Economy)가 퇴비화 가능한 식품 용기 재료를 조사하면서 P FA 에 대한 문제가 다시 뉴스에 등장하게 되었다. 오늘날 주와 연방 차원 모두에서 PFA 에 대한 금지, 소송 및 제거처리가 진행되고 있다.
PFA 는 소방용품, 여성용 패드, 두꺼운 마커 및 방수의류에 포함되어 있지만, 퇴비화가 가능한 바이오 기반 식기류에 대한 면밀한 조사로 인해 공중 보건 문제에 대한 이슈로 더욱더 확대되게 된 것이다.

오늘날의 바이오 플라스틱 어디까지 왔는가?: PHA를 통해 알아보자!
Natureworks와 같은 PLA 생산기업들은 시장에 초기 진입자(first mover)들로서 혜택(고생도 했지만)을 입었다. 바이오 플라스틱 분야의 혁신기업들은 다양한 방면에서 연구를 시작했었다 (조류, 곰팡이, 우유 단백질, 거미 실크, 키틴(새우 같은 해양식품의 껍데기), 견과류의 껍질, 바이오매스의 분해 산물, hemp(마), 발효, 셀룰로오스). 발효를 통해 몇 분야에서 대량생산이 가능하게 되었다. 그 가운데 PHA가 있는 것이다. PHA는 거의 모든 환경에서 분해가 되는 독특한 바이오 폴리머로서, 세균을 이용하여 탄소가 풍부한 원료(먹이와 원료)를 발효하여 (주로 식물성 오리) 생산된다. PHA는 일종의 탄소 저장 매체로서 수백 가지 이상의 폴리에스터 분자 구조를 가질 수 있어서 독특한 성질과 유용성을 제공한다. 과거 2016년 독일의 정밀 화학 회사인 Evonik은 다양한 구조의 폴리에스터를 다양한 구조의 diol과 diacid, 혹은 hydroxy acid, lactone류로부터 합성하여 의료용 고분자로 상업화하고자 했다¹⁰⁾.
Metabolix사는 미국에서 처음으로 PHA를 상업화 했고 2014년 ADM과 제휴했으나 2016년에 중단되었다. 고객이 없다는 것이 이유였다. 그러나 한국의 식품기업인 CJ제일제당(CJ Biomaterials)이 Metabolix사의 PHA 사업을 인수했다. 7년이 지난 지금 미국의 바이오 플라스틱 시장 PHA 사업은, 조지아주의 Danimer Scientific사(P&G사의 NodaxTM)와 RWDC Industries사가 PHA를 생산하고 있으며 텍사스주에는 PHBH를 생산하는 Kaneka Biopolymers사가 있고, 캘리포니아주에는 PHB를 생산하는 Mango Materials사와 Newlight Technologies사가 있다. 캘리포니아주의 이 두 회사는 모두 PHB 수지를 상업화하고 있는데 세균에 메탄가스를 주입하여 처음부터 순환경제를 추구하고 있다.
초기에 브랜드 오너들이 PHA를 가지고 제품을 개발했던 것은 빨대이다. 2017년 BBC방송에서 Blue Planet II 시리즈의 에피소드에서 등장한 빨대는 본질에 대해서 시선을 돌리는 훈제 청어의 역할을 했다. 그야말로 해양의 골칫거리로 등장했다.
PHA가 적용되면 좋을 대상의 제품으로는 섬유, 타이어, 화장품, 낚시나 어업에서 쓰이는 기구들, 농업용 멀칭 필름들이다. 실제로 상업화가 된 제품들 가운데 소규모 고가의 응용으로는 화장품에 쓰이는 입자들의 코팅, 멀칭 필름, 섬유 다발, 의료용 봉합사와 임플란트, 어망, 필터 성분들이 있으며, 컵이나 식품 포장, 빨대와 같이 일회용 제품이나 제한된 사용 횟수를 가지는 대량 소비 제품들도 있다.
한편, PLA는 미국과 전 세계에서 상업적으로 성공하여 이제 꽤 자리를 잡은 바이오 폴리머가 되었다. PLA와 PHA를 섞어서 PLA의 성능과 PHA의 생분해성의 장점을 모두 살린 컴파운드의 제조가 가능하게 되었다(CJ제일제당의 PHACT^® PHA와 NatureWorks사의 PLA의 연합, Total Energies사의 PLA와 중국의 PHA 생산기업 Blue Pha사의 연합의 예가 있다).
COVID-19로 인한 이동의 제한으로 인해서 전 세계의 공급망에 의존해야만 했던 나라들은 이러한 의존성으로 인해 많은 고생을 했다. 미국의 제조업자들에게 있어서는 새로운 재료를 가지고 도전할 기회를 얻은 것이기도 하다. 셧다운의 기간에 Better for All 기업은 중국의 제조에 의존하던 방식에서 벗어나 미국에서 생산되는 PHBH를 가지고 컵을 제조하기 시작했다. 그 이후 지리적으로 가까이에 위치한 PHBH 제조업자들과 함께 그리고 iMFLUX사의 사출 기계에서 사출 시 실시간으로 압력을 제어할 수 있는 소프트웨어-하드 웨어업데이트를 통해 기술적 혁신을 이루어 바이오 플라스틱 가공에 있어서 에너지를 줄이고 재료의 소모를 줄일 수 있는 등 상당한 진전을 이루었다.

바이오경제를 끌어안고 미래를 향하여 (혁신을 향한 디자인식 사고가 요구됨 - Design Thinking for Innovation!!)
진정한 바이오 순환경제로 나아가기 위해서는 이미 경제 안에 활발히 돌아다니는 석유계 플라스틱과 이를 대체하기 위해서 등장한 새로운 바이오 소재들을 잘 관리할 수 있는 인프라 구조가 필요하다. 우리는 이제 재료와 에너지를 덜 사용하는 방향으로 제품을 디자인 할 필요가 있다. 그리고 제품 디자인에 사용하고자 하는 소재를 먼저 생각하고 디자인해야 한다11). 또한, 재생 가능한 재료를 사용해야 한다. 우리는 미국에서 제조산업의 베이스를 튼튼히 만들어서 에너지 효율, 자동화, 폐기물을 버리는 방식이 아닌 순환시키는 시스템을 통합하는 기반을 만들어야 한다. 우리는 생물학자들과 화학자들이 우리 자연 안에 있는 세포들의 발전소가 어떻게 돌아가는지를 이해하고 발견할 수 있는 세대를 길러야 한다. 그리고 이러한 생물체들로부터 힌트를 얻어서 모든 것이 자기 위치를 찾고 폐기물이 되지 않는 시스템을 만들어야 한다.
마지막으로, 우리는 일회용 포장의 사용을 획기적으로 줄여야 하며 작동 가능한 재사용 시스템을 만드는 방법을 찾아야 한다. 이를 위해서는 식품, 음료, 일용 및 위생용품을 배달하고 소비하는 방식에 있어서 새로운 사고가 필요하다. 이러한 경제 활동은 순환적인 방식이어야 하며 다양한 바이오 기반의 원료, 소재 그리고 기술에 기반을 두게 될 것이다¹²⁾.

- PHA Updates

1. 네덜란드의 PRO-PHBV 프로젝트에 대하여

보다 더 자연 친화적인 접근방식을 향하여
PRO-PHBV 프로젝트는 단지 소재에 대한 프로젝트가 아니다. 이 프로젝트는 우리의 소비 생활 방식에서 자연에 더 의존하는 사회를 희망하며 만들어진 프로젝트이다. 소재가 폐기물을 이용하며 바이오기반의 소재가 되도록 하는 것으로 화석 원료에 대한 의존성을 줄이고자 하는 것이다. 실험이 더 진행되면서, 재료와 자연의 복원에 있어서 더 지속가능한 미래에 대한 혜안을 제공하게 될 것이다. 이 프로젝트는 네덜란드의 AMS Institute, Delft공대, Paques Biomaterials, NPSP, Waardenburg Ecology, Material Sense LAB, Ahrend가 함께 참여한다.
이 프로젝트에서는 PHA의 일종인 PHBV 수지 기반의 바이오 컴퍼지트 복합재료가 자연환경에서 얼마나 잘분해되는지를 이해하는 것을 목표로 한다. PHBV와 바이오매스의 비율을 조절하거나 프레스 온도를 바꾸어서 제조한 복합재료의 다양한 샘플을 물속에 넣고 관찰하는 것이 포함되는데 중량감소와 사진 관찰을 통해 연구진들은 이 물질이 자연에서 어떻게 분해되는지를 알게 될 것이다.

2. 네덜란드의 Paques Biomaterials사, Senbis사와 협력
네덜란드의 Paques Biomaterials사와 Senbis Polymer Innovations사는 전략적 파트너십을 맺고 플라스틱의 모든 장점을 갖고 있으면서도 단점은 가지지 않은 바이오 폴리머의 새로운 응용들을 찾기 위해 협력하기로 했다. 10년 이상 동안 Paques Biomaterials사는 유기성 폐기물을 원료로 세균이 바이오 폴리머 PHA를 생산하는 새로운 가치 사슬을 만들어가고 있다. “우리는 생물공학에 대한 배경을 가지고 있는데, 이러한 협력 관계를 통해 생물공학과 화학이 힘을 합쳐 바이오 폴리머의 성공을 위해 함께 노력할 것입니다. 우리는 곧 석유계 플라스틱을 대체할 수 있는 높은 물성의 소재를 생산할 수 있을 것으로 기대합니다. 이러한 플라스틱은 널리 사용되면서 미세플라스틱의 문제를 막아주게 될 것입니다”라고 이 회사의 창업자인 Joost Paques는 말한다.

Senbis Polymer Innovations사는 화학분야의 연구 개발(R&D)에 집중하는 회사로서 바이오 폴리머에 대해서 전문성을 가지고 있다. Senbis사의 총괄 매니저인 Gerard Nijhoving는 “우리는 Paques Biomaterials가 다양한 응용에 맞는 PHA 그레이드를 개발하는 것을 도울 것입니다. Paques Biomaterials사가 PHA를 개발하지만, 개발의 방향성을 제시하며 평가를 하는 것은 우리가 될 것입니다”라고 말한다. Paques Biomaterials사는 Caleyda라고 불리는 유망한 PHA 계열의 바이오 폴리머를 가지고 있다. 이는 바이오 기반이며 거의 모든 환경에서 매우 생분해성이 높다. 이 회사 제품은 폐기물에서 만들어진다는 점에서 차별성을 가지고 있고 유전자 조작을 하지 않은 세균으로 생산한다. 이로 인해 지속 가능하며 모든 측면에서 자연 친화적인 면을 갖고 있다고 하겠다. 그러나 플라스틱 가공에 있어서 순도가 열쇠를 쥐고 있으므로 Paques Biomaterials사에게는 PHA 제품의 품질을 일정하게 유지하는 것이 도전적인 문제라고 할 수 있을 것이다.
“Senbis사는 모든 상업적으로 판매되는 바이오 폴리머를 가지고 있으면서 이에 대해 연구를 해오고 있다. 우리는 어떤 바이오 폴리머가 어떤 응용에 맞는지를 알고 있다. 많은 PHA는 다른 바이오 플라스틱과는 달리 기계적 열적 특성에 있어서 개선의 필요가 있다. 우리가 이러한 성질들을 Paques Biomaterial사와 함께 개선할 수 있다면 그들의 PHA Caleyda가 시장에서 매우 중요한 바이오 폴리머가 될 것이다. 우리는 이 소재가 소위 컴파운드에 있어서 좋은 소재가 될 잠재력을 보고 있다. 이것은 PHA를 다른 바이오 폴리머와 혼합하는 것을 의미한다. 사출이나, 섬유, 3D프린팅이나 필름과 같이 어떤 응용에서는 바이오 플라스틱을 혼합하여 쓸 때 원하는 기계적 물성이나 생분해의 속도를 조절할 수 있게 된다.”라고 Gerard Nijhoving은 말한다. 이어 “이러한 지식을 통해 Paques Biomaterials사는 Caleyda를 필요한 대로 최적화할 수 있으며 우리는 고품질의 PHA를 개발하기 위해 협력할 것이다. 더 나아가서, 이러한 컴파운드를 이용하여 새로운 응용에 대응할 수 있다.
우리는 또한 우리의 고객의 포트폴리오에서 그리고 심지어 우리의 제품 개발에서 가능성을 보고 있다.”라고 말한다.
이러한 새로운 순환 가치 사슬은 이미 상당히 진전된 단계에 있다. Paques Biomaterials사는 이미 한국의 Kolon Industries, Kolon Global과 MOU를 체결했다(플라스틱 사이언스 2023년 6월호 참조). 이를 통해서 식품 폐기물로부터 PHA를 대량생산하고자 한다. 유럽에서는 산업 폐수, 오수, 유기성 폐기물(채소/과일 폐기물)로부터 세균이 PHA를 생산하는 첫 상업화 공장이 개발 중에 있다. 네덜란드의 다섯 개의 물 관련 기관, 그리고 폐기물과 에너지 회사인 HVC사와 함께 Paques Biomaterials사는 지난 몇 년 동안 데모 공장을 통해 공정을 최적화하고 있다. 세균 속의 PHA는 현실이 되어가고 있으며, 다음 가치 사슬에서는 이를 추출하고 정제하여 깨끗한 바이오 폴리머인 Caleyda라고 부르는 PHA로 만들어질 것이다. 이 단계를 위하여 Senbis와의 협력은 매우 중요하다. 그들의 지식과 전문성을 통해서 Caleyda 바이오 폴리머는 자연 친화적이며 높은 품질의 장점을 가지면서 단점은 없앤 플라스틱으로 거듭날 것이다.