바이오매스 활용·자연분해, 바이오 플라스틱 개발 필요

코로나19, 의료 폐기물·배달 용기 등 플라스틱 사용 ↑

50년 세계 누적 폐기물 120억톤, 國 사용 금지 조치 시행

■바이오플라스틱 정의 및 분류

1)바이오 플라스틱의 정의

바이오플라스틱(Bioplastic)은 ‘자연분해 플라스틱’등으로 불리기도 하는데, 정의를 내리자면 탄소중립성 바이오매스를 이용하여 생산된 바이오 기반 고분자 및 자연에서 분해되는 생분해 플라스틱이라고 할 수 있다. 여기서 탄소 중립이란 식물체가 성장할 때 광합성을 통해 이산화탄소를 흡수하므로, 사용 후 폐기될 때 배출되는 이산화탄소를 상쇄한다는 개념이다. 바이오매스(biomass)는 생물 유래 유기체를 말하여, 개발 단계에 따라 1세대(전분계), 2세대(목질계), 3세대(해양 미세조류)로 나뉜다. 최근에는 생물 유래 제품의 폐기물 및 잔류물의 생분해성 물질을 모두 포함하는 뜻으로 쓰이기도 한다.

바이오플라스틱은 <그림 1>에서 보는 바와 같이 생물 유래 자원인 바이오매스를 이용하여 생산한 플라스틱, 자연에서 생명체에 의해서 분해가 되는 플라스틱 모두를 포함한다. 즉, 석유를 이용하여 생산한 플라스틱 중에서 자연에서 분해가 되는 것도 바이오플라스틱이라고 이야기할 수 있다.

▲ <그림1> 생분해성과 원료에 따른 바이오플라스틱 분류 (자료 : https://www.european-bioplastics.org/bioplastics)

비록 생물 유래 자원에서 생산된 바이오플라스틱이지만, 미생물 발효를 통해 생산된 에틸렌을 중합하여 만든 바이오폴리에틸렌(Bio-PE) 등은 자연에서 분해가 되지 않는다. 그래서 보통은 생분해가 가능한 플라스틱을 바이오플라스틱으로 고려하고, 더 좁게는 바이오 기반 생분해성 플라스틱을 바이오플라스틱이라고 한다. 생분해 플라스틱의 가장 대표적인 소재로는 Poly-lactic acid(PLA), Poly-hydroxy alkanoate(PHA), Poly butylene succinate(PBS), Poly butylene adipate-co-terephthalate(PBAT), Bio-polyethylene(Bio-PE), Bio-PET(poly ethylene) 등이 있다. 이와 비슷하게 바이오플라스틱을 생분해 플라스틱, 산화-생분해 플라스틱, 생물 유래 플라스틱 등으로 분류하기도 한다.

생분해 플라스틱은 천연물/미생물 합성계, 화학 합성계로 나뉘는데, 현재 식물체 등 천연물을 활용하여 단량체를 생산하고 축중합시키는 천연물 합성계 생분해 플라스틱으로는은 PLA, AP(Aliphatic polyester), CA(Cellulose acetate), CDA(Cellulose di acetate) 등이 있고, 미생물 합성계로는 PHA 등이 있다. 화학 합성계 생분해 플라스틱은 PBS, PBAT, PCL(Poly capro lactone), PEU(Poly ester urethane), PGA(Ploy glycolic acid) 등이다. 천연물 합성계 생분해 플라스틱은 물성 개량, 생산성 개선, 가격 경쟁력 확보 등 넘어야 할 과제가 많다. 최근에는 생분해 플라스틱 물성 보완을 위해 여러 생분해 플라스틱 원료를 혼합 사용하는 추세이다.

산화생분해 플라스틱은 기존 플라스틱에 바이오매스, 산화생분해제, 상용화제, 생분해촉진제, 자동산화제, 불포화 지방산 등을 첨가한 제품으로 빛, 열, 효소, 미생물, 화학반응 등에 의해 분해가 촉진된다. 기존 설비를 이용하여 생산할 수 있다는 장점과 함께 미생물 생존이 어려운 중동지역 및 자연분해가 빠른 동남아시아를 중심으로 산업화가 되었다. 2014년 아랍에미리트(UAE)는 산화생분해 제품이 아닌 일반 플라스틱 제품의 생산 및 유통을 금지하는 법안을 시행하였다. 하지만 2018년 1월, 유럽위원회(European Commission)는 ‘산화-분해성(oxo-degradable)’ 플라스틱 사용을 제한하였다. 산화-분해성 플라스틱의 경우 인공첨가제가 들어간 일반 플라스틱 소재로 생분해되는 것이 아니라 작은 조각들로 분해되어 환경에 남는 것이므로 산화-분해성 플라스틱은 생분해 플라스틱으로 인정할 수 없다고 밝힌 것이다.

생물 유래 플라스틱은 바이오매스에서 플라스틱 단량체를 생산하고 이 단량체를 중합하는 방식의 중합형 생물 유래 플라스틱과 생분해 플라스틱 또는 식물체 바이오매스를 기존 난분해성 플라스틱과 그라프트(graft) 결합, 가교 결합 시키는 결합형 생물 유래 플라스틱이 있다. 생물 유래 플라스틱은 자연분해보다는 이산화탄소 저감 효과에 조금 더 초점을 맞추고 있다.

▲ 바이오플라스틱의 종류별 특징 (자료 : 한국바이오소재패키징협회 http://www.biopack.kr/)

▲ 난분해성 및 생분해성 플라스틱의 구조 (자료 :(左)https://polymerdatabase.com/polymer%20chemistry/Hydrolysis.html (右)Urbanek et al. Appl. Microbiol. Biotehcnol., 2018(102), pp.7669∼7678 )

2) 바이오플라스틱 기술의 원리

자연계에서 플라스틱의 가수분해 또는 가수분해효소(hydrolyase)의 작용은 물에 민감한 작용기를 가진 플라스틱에서 발생한다. 습기에 노출되면 분해되는 일부 합성중합체에는 폴리에스테르(polyester), 폴리무수물(polyanhydride), 폴리아미드(polyamid), 폴리에테르(polyether), 폴리카보네이트(polycarbonate)가 있다. 가수분해 속도는 작용기의 유형, backbone 구조, 형태 및 pH에 따라

몇 시간에서 몇 년까지 다양할 수 있다. 바이오 촉매인 효소의 존재하에 이들은 더욱 가속화될 수 있다. 현재 개발되거나 사용되는 생분해성 플라스틱의 대부분은 에스테르계 중합체이다. 이는 자연계에 밀납, 지질, 표피 등에 에스테르 중합체가 존재하고 있고, 이를 분해하기 위한 효소가 많이 발달되어 있기 때문이다.

글로벌 생분해성 플라스틱 기술은 상용화 단계이며, 생분해성 바이오 단량체 생산 기술 개발, 신규 바이오 플라스틱 소재생산 공정 및 제품화 기술개발 등이 진행 중이다. 생분해 플라스틱은 분해성이 우수하고 탄소 저감 소재라는 장점은 있으나, 제조 원가가 아직 비싸고 물성 저하, 내수성 저하, 유통 중 분해 가능성이 단점으로 지적되고 있다.

① PLA(Poly Lactic Acid)

PLA(Poly Lactic Acid)는 2001년 미국 Cargill과 Dow chemical이 공동으로 개발했으며, 현재 사업화에 가장 성공한 생분해성 플라스틱이다. PLA는 미생물 발효를 거쳐 단량체인 젖산(lactic acid)을 생산하고, 이를 축합하거나 농축시켜 락티드(lactide)를 얻어 고리열림중합 방식으로 제조한다. 생분해성 고분자 중 PLA는 현재 일회용품을 포함한 포장재와 섬유 외에도, 전자제품 포장재, 생수병, 자동차 내장재, 사무용 가구, 엔지니어링 플라스틱, 섬유 분야 등 광범위하게 사용되고 있다.

▲ PLA 생산과정(左) 및 PLA 소재를 활용한 다양한 제품들(右) (자료 : (左)https://en.wikipedia.org/wiki/Polylactic_acid (右)http://iamgreenmarket.com/)

② PHA(Poly Hydroxyl Alkanoate)

PHA(Poly Hydroxyl Alkanoate)는 영양분이 제한된 상태에서 일부 박테리아의 내부에서 자연적으로 생산되는 중합체이다. 발효를 통해 생산된 PHA는 분리하고 펠렛(pellet) 형태로 가공하여 사용한다. 구조상으로는 폴리프로피오네이트(polypropionate)가 중심이며, 제조 조건에 따라서 다양한 PHA가 제조될 수 있다.

PHA의 일종인 PHB(폴리-3-히드록시 부틸레이트)는 생산성이 높으며 열가소성, 생체적합 소재로 알려져 있다. 내구성 및 안전성이 높은 장점이 있으나 가격이 고가이며, 열분해 되기 쉬워 가공이 어려운 것이 단점이다. 미생물에서 만들어지는 PHB는 생산단가가 기존 플라스틱의 6배에 달하고 생산 공정 중 아세톤, 메틸렌, 클로로포름 등 독성 유기물질이 대량으로 사용되어 오히려 환경을 파괴한다는 비난을 받았으나, 최근 새로운 연구로 중간 분리공정을 제거하고 생산단가를 낮추고 분해기간을 단축시켜, 더욱 효율적인 원료로 개선되고 있다. 포장재, 필름, 섬유, 의료용 봉합사, 농업용 필름 등으로 사용된다.

▲ PHA의 미생물 내 축적, 다양한 종류 및 자연분해 (자료 : (좌) https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780323358248000232 (우) Madison et al. Microbiol. Mol. Biol. Rev. (1999)63 : pp.21∼53)

③ PGA(Poly Glycolic Acid)

PGA(Poly Glycolic Acid)는 1954년부터 단단한 섬유 형성 폴리머로 알려져 있었으나, 가수분해 불안정성으로 인해 사용되지 않다가 1962년에 최초의 합성 흡수성 봉합사 Dexon® 개발에 사용되었다. 생분해성 폴리머 PGA, PLGA(poly lactic-co-glycolic acid)는 단량체 glycolic acid를 이용하여 만들며, glycolic acid는 섬유산업, 식품향료, 보존제, 스킨케어 화장품, 친환경 세정/세척제 등에 이용된다. 국내에서 PGA 소재는 고려대학교와 한국화학연구원에서 연구개발 중이나, 아직 초기 수준이다.

▲ PGA(a) 및 PLGA(b)의 구조 (자료 : Wikipedia (a) Polyclycolide, (b) PLGA)

④ PBS(Poly Butylene Succinate)/PBAT(Poly Butylene Adipate Phthalate)

PBS(Poly Butylene Succinate)는 1,4-부탄디올(1,4-BDO)과 숙신산(Succinic acid)의 다중 축합반응에 의해 생성되는 생분해성 지방족 폴리에스테르이며, 내열성이 높아 LDPE(Low-density polyethylene)와 유사한 물성을 가지고 있다.

. PBAT는 석유계 기반의 생분해성 플라스틱으로 1,4-BDO, 아디프산(Adipic acid), 텔레프탈산(Terephthalic acid)을 중합하여 만든 random copolymer 폴리에스테르이며, 인장 및 인열 강도, 가공성이 높아 LDPE의 대안으로 판매·사용된다.

▲ Random copolymer PBAT 합성 및 자연분해 (자료 : https://en.wikipedia.org/wiki/Polybutylene_adipate_terephthalate )

⑤ PCL(Poly Carpro Lactonate)

PCL(Poly Carpro Lactonate)은 생분해성 폴리에스터 ε-카프로락톤의 개환중합반응 및 축중합에 의해 합성되는 물질로 고열 가공이 가능하고 다른 폴리머와의 혼합이 쉬우며 인장강도 등이 높아 필름, 낚싯줄, 의학용 재료 등으로 사용된다. 미국의 Union Carbide사, 영국의 La Forte사와 벨기에의 Solvay사가 합병된 Interlock사 등의 기업에서 생산한다. PCL과 호화(pre-gelatinized) 전분으로 된 혼합소재는 값싼 재생 가능 자원으로 상당한 주목을 받고 있으며 얇은 필름 제조에 용이하다. 내수성과 기계물성이 우수한 플라스틱이 제조 가능하며 초산 셀룰로오스와 같이 전분을 화학 수식하여 플라스틱 원료로 이용하기 위한 연구도 행해지고 있다.

⑥ 기타

앞서 언급한 생분해성 플라스틱 소재 이외에도 다양한 플라스틱 소재들이 개발, 사용되고 있다. 천연고분자인 셀롤로오스, 키틴, 키토산, 실크 등의 원료를 이용한 소재도 개발되고 있다. 셀룰로오스는 자연계에 가장 많이 존재하는 포도당 중합체로, 생체적합성과 생분해성으로 생의학 분야에서 응용 전망이 높은 소재이다. 키틴은 50% 이상의 N-acetyl-acetyl-glucosamine과 N-glucosamine의 혼성중합체이며 자연계에서 셀룰로오스 다음으로 풍부하게 존재하는 다당류로 생분해성과 생체적합성의 특성으로 생의학 분야에서 성공적으로 이용되었으며, 가공성 키틴 매트릭스는 조직재생을 위해 이용하고 있다. 최근 인공 거미줄을 기반으로 섬유, 플라스틱, 필름, 스펀지, 매트 등의 소재를 개발하기 위한 응용연구도 활발히 이루어지고 있다.

■포스트 코로나 대응 관점 바이오플라스틱의 중요성

미국 캘리포니아주립대(University of California, Santa Barbara)와 조지아주립대(University of Georgia) 공동연구팀은 2017년에 발표된 논문을 통해 1950년~2015년에 전 세계에서 생산된 플라스틱은 83억 톤이며, 그중 79%가 바다 또는 토양에 폐기되었고 12%는 소각되었다고 보고한 바 있다. 이 추세대로라면 2050년까지 전 세계 누적 플라스틱 폐기물 발생량은 약 120억 톤이 될 것이라고도 예측했다. 이런 상황에서 세계 재활용 폐기물의 절반을 처리하던 중국이 자국 내 환경오염 방지대책의 일환으로 2017년 말부터 폐플라스틱을 포함한 고체 폐기물의 수입을 금지함에 따라 2018년 국내 폐플라스틱 수출량은 급감하였으며, 국내 폐플라스틱 수거 중단 사태가 발생하였다.

그래서 2018년 환경부가 2030년까지 플라스틱 폐기물 발생량을 50% 감축하고 재활용률을 기존 34%에서 70%까지 끌어올리기 위한 ‘재활용 폐기물 관리 종합대책’을 마련하였다. 유럽연합은 2030년까지 모든 플라스틱 포장재를 재사용 또는 재활용 가능한 재질로 만들겠다는 목표를 설정하였으며 플라스틱 재활용, 폐기물 발생 감축을 통하여 플라스틱 분리수거 및 재활용 산업 분야에서 20만 개의 일자리를 창출하고자 하였다. 미국 캘리포니아주에서는 2016년 식품 판매점의 비닐 제공을 금지하였으며, 식당에서 플라스틱 빨대 사용을 금지하였다. 뉴질랜드는 2021년부터 일회용 비닐봉지 사용이 전면 금지되었고, 호주 북부지역에서는 플라스틱 봉투 사용이 금지되었다.

플라스틱 문제에 대한 국민적 경각심이 높아진 상황이었으나, COVID-19 팬데믹 사태가 발생하면서 마스크, 장갑 등의 의료 폐기물과 사회적 거리두기로 인한 일회용 플라스틱 포장 용기 등의 사용량이 다시 두드러지게 증가하고 있다. 2020년 4월, 총선 투표에 사용된 일회용 비닐장갑의 양은 63빌딩 7개 높이라고 한다. 투표자들이 사용하는데 채 5분이 걸리지 않는 이 비닐장갑이 자연적으로 분해되려면 500년이 걸린다고 한다. 통계청 2020년 9월 온라인쇼핑 동향에 따르면 9월 온라인쇼핑 거래액은 14조 7,208억 원으로 전년 동월 대비 30.7%(3조 4,594억,원) 증가했는데, 음·식료품은 76.8%(9,465억 원) 증가했으며 음식 서비스는 91.1%(7,740억 원) 증가했다.

감염 예방을 위한 1회용품 사용 및 비대면 생활을 위한 음식 배달이 늘어남에 따라 일회용 수저, 음식 포장 용기 및 비닐 등이 대거 배출되고 있다. 환경부에 따르면 코로나-19로 인한 2020년 상반기 생활폐기물은 5,349톤으로 전년 동기 대비 11.2% 증가했는데, 플라스틱류는 848톤으로 15.6% 증가했고, 비닐류도 951t으로 11.1% 증가했다. 당초 환경부는 카페 내에서 일회용품 사용을 제한하는 제도도 단계적으로 시행하고 있었으나, 코로나-19 이후 중단된 상태다. 현재는 코로나 사태로 인해 위생과 보건이 강조되면서 한편으로는 불가피하게 일회용 제품의 사용을 용인하고 있지만, 추후 심각한 사회 문제가 될 것을 알면서도 현재의 상황이 일회용품 규제 완화의 면죄부가 될 수는 없을 것이다. 따라서 인류의 삶에 영향을 끼치는 플라스틱 문제해결을 위하여 생분해성 바이오플라스틱의 개발이 무엇보다 중요한 시점이다.

▲ 1950년∼2015년 동안 전 세계 플라스틱의 생산, 사용, 폐기 현황 모식도(단위 : 백만 톤)(자료 : SCIENCE ADVANCES19 JUL 2017 : E1700782)

▲ 전 세계 일회용 플라스틱 사용 제한 현황 (자료 : 정진영, 안전한 사회를 위한 플라스틱 유래 문제해결 연구융합클러스터, 국가과학기술연구회)