바이오 플라스틱, 新소재 및 분해·활용 기술 개발 必

산업 및 연구계 생분해성 플라스틱 집중

미생물 내 효소 연구, 전 세계 활발

■ 바이오플라스틱 연구개발 동향

◇ 바이오플라스틱 소재 개발 및 미생물 활용 소재 생산

생분해성 바이오플라스틱의 개발을 위해서는 새로운 소재에 대한 발굴 및 물성 연구가 중요하다. 대표적인 에스테르계 생분해성 플라스틱은 유기산과 알코올의 축중합에 의해 형성되며, 어떤 유기산과 알코올을 조합하느냐에 따라 다양한 특성을 보인다. 원하는 물성을 위한 다양한 조합 연구가 진행되고 있다.

또한, 바이오매스에서 유기산과 알코올을 대량생산하는 시스템 개발 연구가 수행되고 있다. 미생물 대사공학을 통하여 여러 가지 화학물질의 생산이 가능한 균주가 개발되었으며, 에스테르계 플라스틱의 전구체 생산을 위한 연구도 많이 진행되었다. 에스테르계 플라스틱의 전구체는 크게 다이카르복실산 (dicarboxylic acid), 다이올(diol) 그리고 하이드록시산(hydroxy acid)으로 분류할 수 있다.

현재까지 미생물로 생산된 다이카르복실산의 대표적인 예로는 각각 탄소 3, 4, 5, 6개를 가진 말론산, 숙신산, 글루타릭산, 아디픽산이 있다. 그리고 바이오 기반으로 생산 가능한 다이올에는 에틸렌글리콜, 1,3-프로판다이올, 1,4-부탄다이올, 1,5-펜탄다이올, 1,6-헥산다이올이 있다. 하이드록시산 중에서는 젖산, 3-hydroxypropionic acid, 4-hydroxybutyric acid 등이 바이오 기반으로 생산된 바가 있다. 이러한 단량체를 이용하여 PBAT, PBST 등 생분해성 플라스틱이 제조되었다.

▲ ▲diacid와 dialcohol의 축중합에 의한 폴리에스테르 합성 (자료 : https://www.tuttee.co/blog/chem-condensation-polymer)

1) 국내 동향

국내 바이오플라스틱 기술 수준은 산업화 측면에서는 선진국 수준에 못 미치지만, 여러 연구자가 신규 생분해성 플라스틱 소재 개발 및 생분해성 플라스틱 단량체 대량생산을 위한 연구를 진행 중이다.

한국화학연구원 바이오화학연구센터 황성연 박사 연구팀에서는 생분해성 플라스틱인 PBS 소재에 나노셀룰로오스를 보강재로 포함하는 연구방법을 고안하였다. 소재의 생분해성은 유지하면서도 나일론 수준의 물성을 달성할 수 있는 기술을 개발하여 어망용 소재로의 응용하고자 하였으며, PBS소재의 물성을 높이는 연구를 진행 중이다. 아주대학교 이분열 교수 연구팀은 온실가스인 이산화탄소를 원료로 친환경 생분해성 플라스틱을 생산할 수 있는 기술을 개발해 롯데케미칼에 이전한 사례도 있다.

생물학적 플라스틱 원료 생산 분야에서는 내산성 미생물에 대한 연구와 대사공학을 통한 유기산 및 알코올의 대량생산 연구 등이 진행 중이다. KAIST 생명화학공학과 이상엽 교수 연구팀은 시스템 대사공학을 이용해 세계 최고 효율의 숙신산 생산 균주를 개발하였다. 이를 통해 포도당, 글리세롤, 이산화탄소를 원료로 리터당 134g의 높은 농도로 숙신산을 생산하고 21g의 생산성을 확보하였다.

PLA 관련 연구의 경우 해외 선진기업과 비교하여 lactic acid의 저가·대량생산 기술이 부족하여, 내산성 미생물 균주 선별과 개발을 위한 추격형 연구개발이 진행 중이다. 삼성종합기술원은 효모 대사공학을 통하여 L형-젖산을 142g/L 생산하였고, 한국생명공학연구원은 산성조건에서 154g/L의 D형-젖산을 생산하였다. 한국화학연구원에서는 젖산으로부터 젖산 올리고머를 경유한 락타이드 생산 실증사업을 수행한 바 있으며, 또한, 젖산으로부터 직접 락타이드를 제조하는 연속식 촉매 공정을 실험실 수준에서 개발하였다. 최근에는 국내 석유화학기업들이 lactic acid 대량생산 기술에 관심을 가지고 연구를 진행하거나 기술을 도입하고 있다.

2) 해외 동향

선진국의 경우, 연구계보다는 산업계 중심으로 생분해성 바이오플라스틱에 대한 연구가 진행되고 있다. 미국 벤처기업 Genomatica는 University of California San Diego와의 공동연구로 대장균 대사공학을 통하여 1,4-부탄디올 대량생산 시스템을 개발하였다. 미국의 NatureWorks는 젖산 발효 공정에서 분리정제 비용 최소화를 위해 pH 3 이하의 산성 조건에서 protonated lactic acid를 생산하는 균주를 개발하여 gypsum 생성을 최소화하였고, 생산공정 내 락타이드 및 젖산을 재활용하여 95% 이상의 개별공정 생산수율, 80% 이상 전체공정 수율을 확보하여 매우 높은 경제성을 확보하였다.

생분해성 바이오 폴리머 합성을 위한 단량체인 디카르복실산(dicarboxylic acid) 및 디아민(diamine)의 바이오 기반 생산을 위하여 많은 연구자가 대사공학 및 합성생물학 연구를 진행 중이다. 그리고 BT-IT-자동화가 융합된 바이오파운드리 기술을 활용하여 바이오플라스틱 단량체 생산의 혁신을 위해 노력 중이다.

이외에도 미국 하버드대학교 와이즈연구소(Wyss Institute)는 새우껍질을 활용하여 자연분해 바이오플라스틱을 개발하고, 휴대전화, 식품 용기 등 다양한 일상제품에 적용할 수 있는 방법을 개발하였다. 영국의 스타트업인 쉘웍스(Shellworks)는 갑각류의 껍질을 사용해 바이오 플라스틱을 만드는 기술을 개발하였다.

▲ 재생 가능한 탄소원으로부터 디카르복실산(dicarboxylic acid) 생산 대사의 경로 모식도 (자료 : Metabolic Engineering, Volume 58, 2020, pp.2∼16)

▲ 재생 가능한 탄소원으로부터 디아민(diamine)생산 대사의 경로 모식도 (자료 : Metabolic Engineering, Volume 58, 2020, pp.2∼16)

◇플라스틱 바이오 분해 및 활용 기술

플라스틱 문제 해결을 위한 방안으로 자연에서 분해되는 플라스틱과 함께 기존 플라스틱을 생물학적으로 분해하는 기술도 개발되고 있다. 대표적으로 PET를 친환경적으로 분해하기 위해 미생물이 가지고 있는 효소에 대한 연구개발이 활발히 이루어지고 있다. 2016년 일본 연구진은 PET를 분해할 수 있는 새로운 미생물과 그 미생물이 만드는 PET 분해효소를 발견하여 보고한 바 있다. 해당 연구팀이 발견한 PET 분해효소는 기존 PET 분해효소 보다 활성이 높았다. 이 연구를 시작으로 PET를 포함 다른 플라스틱 종류를 분해할 수 있는 효소와 미생물을 찾고자 하는 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다.

▲ 폐플라스틱의 분해 및 고부가화 기술(자료 : Bob Baldwin, BOTTLE: Bio-Optimized Technologies to keep Thermoplastics out of Landfills and the Environment, Bio Market Insights (2020.04))

1) 국내 동향

경북대학교 김경진 교수팀은 PET를 분해하는 세균 효소(PETase)의 3차원 구조를 규명하고 활성이 증가한 효소를 개발했다. 한국생명공학연구원 류충민 박사 연구팀은 꿀벌부채명나방 애벌레에 폴리에틸렌을 분해하는 능력이 있음을 있음을 확인하였다. 포스텍 차형준 교수 연구팀은 딱정벌레 일종인 산맴돌이거저리 유충이 폴리스티렌을 분해할 수 있음을 밝혔다. 한국생명공학연구원 이용재 박사팀은 PET 플라스틱을 분해할 수 있는 미세조류를 제작하였다. 한국화학연구원 바이오화학연구센터에서는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 화학적으로 분해하고, 생물학적으로 의약품과 플라스틱 원료 등으로 전환하는 기술을 개발하였다.

▲ 폐플라스틱 PET를 이용한 고부가 물질 생산 (자료 : ACS Sustainable Chem. Eng. (2019) 7:19396-19406)

2) 해외 동향

2016년 일본 교토공예섬유대학 연구팀이 에너지원으로 PET를 먹을 수 있는 미생물 Ideonella sakaiensis를 발굴하고, PET 분해에 작용하는 효소 PETase, MHETase를 찾아내었다. 미국 콜로라도의 국립재생에너지연구소(National Renewable Research Laboratory)에서는 이 두 효소를 결합하여 플라스틱 분해속도가 6배 증가된 효소를 개발하였다.

2012년 일본 오사카대학교(Osaka University) 연구팀은 퇴비 더미에서 LLC(Leaf and branch compost cutinase)라고 불리는 PET 분해효소를 발굴하였고, 프랑스 플라스틱 업체인 카르비오(Carbios)는 돌연변이를 통하여 10시간 만에 PET 중합체의 90%를 분해할 수 있는 효소를 개발하였다.

2014년 중국의 연구진은 벌집의 밀랍(wax)을 먹는 왁스웜(waxworm)의 장내 미생물이 폴리에틸렌을 분해한다고 보고하였고, 2017년에는 영국과 스페인 연구진이 꿀벌부채명나방 애벌레가 폴리에틸렌을 빠른 속도로 분해할 수 있다고 보고하였다. 실제 이 애벌레는 12시간 이내에 92mg의 폴리에틸렌을 분해하였다. 또한, 폴리스티렌을 분해하는 여러 미생물이 보고되었다. 2015년 미국 스탠포드대학교(Stanford University)와 중국 칭화대학교(Tsinghua University)의 공동 연구진은 밀웜(mealworm)의 장내 미생물이 스티로폼을 빠르게 먹어치운다는 논문을 발표하였다. 그러나 이들 대부분의 연구는 아직 어떤 효소에 의해 플라스틱이 분해되는지, 분해된 플라스틱은 어떻게 미생물에 의해 이용되는지 명확히 설명하지 못하고 있다.

◇국내외 선도기관

바이오플라스틱 생산 및 분해 기술 관련 국내외 선도연구기관과 주요 연구내용을 다음의 표에 정리하였다.

▲ <표 1> 바이오플라스틱 생산 및 분해 기술 - 국내 선도연구기관

▲ <표 2> 바이오플라스틱 생산 및 분해 기술 - 해외 선도연구기관