[탄소중립과 혁신III] (5)순환경제 주도하는 생분해성 플라스틱, 새로운 기회와 과제

[남도영 기자]

/사진=테크M

플라스틱 오염은 해양생물, 환경, 인간의 건강을 위협하는 세계적인 위기를 초래하고 있다. 1970년대 이후 플라스틱 생산량은 다른 어떤 물질보다 빠르게 증가해 현재 매년 약 4억톤의 플라스틱 폐기물이 배출되고 있다. 이러한 추세가 지속된다면 2050년 전 세계 1차 플라스틱 생산량은 1100억 톤에 달할 것으로 예상된다.

이같은 자원 소비의 증가로 인한 경제 위기, 환경 위험 증가에 따라 최근 '순환경제'의 중요성이 강조되고 있다. 현재 글로벌 순환경제 시장 규모는 2030년까지 4.5조 달러로 성장할 것으로 전망된다. 이 중 플라스틱 분야는 순환경제 시장에서 가장 먼저 활성화되며 초기시장을 주도 중으로, 2021년 424억달러에서 2027년 638억달러 규모로 성장이 전망되고 있다. 이런 시장을 선점하기 위해 그린테크 업계는 친환경 제품인 생분해성 플라스틱에 주목하며 새로운 기회로 활용하려는 움직임을 보이고 있다.

고속 성장하는 생분해성 플라스틱 시장

생분해성 플라스틱이란 미생물에 의한 분해작용으로 수개월 또는 수년 이내 H2O, CO2 및 CH4 등으로 완전분해되는 바이오플라스틱을 의미한다. 최근 미국 및 EU 등 선진국은 화이트바이오 산업을 주목하며, 정책 및 규제와 함께 생분해 플라스틱 제조 기술경쟁력을 확보하고 글로벌시장 선점에 나서고 있다.

바이오플라스틱 세계 시장 규모는 2020년 약 104억달러에서 연평균 21.7%로 성장해 2025년 약 279억달러가 될 것으로 전망된다. 이 중 생분해성 플라스틱은 2028년 바이오플라스틱 생산량의 62%인 약 460만 톤의 생산 규모를 가질 것으로 예측된다. 특히 PLA(Poly Lactic Acid)와 산업 및 가정에서 퇴비용으로 사용되고 있는 PHA(Poly Hydroxy Alkanoic acid)가 관련 시장의 확대를 주도할 것으로 예상된다.

국내의 경우, 2022년 7월 정부가 경제규제혁신 TF 회의를 통해 생분해성 플라스틱 활용 기반을 마련하는 등의 중소기업 현장 애로 규제를 해소하고 관련 업계에 1조6000억원의 투자를 유도할 예정이라고 발표했다. 또한, 산업통상자원부 '화이트바이오산업 활성화 전략'에는 생분해성 플라스틱의 보급 확대를 통한 순환 경제 실현을 위한 사업 확대 관련 구체적인 방안을 제시하고 있는 상황이다.

생분해성 플라스틱의 조건

최근 생분해성 플라스틱은 실제 다양한 환경조건에서 완벽하게 생분해가 이루어지지 않으며, 미세플라스틱을 발생시킨다는 문제가 제기됨에 따라 '그린워싱' 논란을 겪고 있다. 실제 환경에서의 생분해성은 자연 내 복잡계 조건 및 생분해성 플라스틱의 물리화학적 특성에 의해 달라지게 된다. 이에 따라 현재 상업화된 생분해성 플라스틱 대부분은 자연환경에 방출 시 분해에 오랜 시간이 걸리거나 거의 분해되지 않는다고 보고되고 있다.

실제 네이처웍스(NatureWorks LLC)는 생분해성 소재인 PLA를 개발해 오랜 기간 시장을 주도해왔으나, PLA의 58±2℃의 산업퇴비화 조건 분해 특성으로 인해 그린워싱으로 지탄 받고 있는 상황이다. PLA 등 생분해성 플라스틱 시장은 연평균 20% 이상 초고속으로 성장하고 있으나, '생분해'라는 허울 좋은 신기루에 가려 재활용 플랫폼의 중요성을 인식하지 못해 관련 투자가 국내외적으로 미미한 상황이다. 따라서 생분해 플라스틱 관련 화이트바이오산업이 성장하기 위해서는 회수 및 재활용 과정 등을 포함하는 융복합 기술과 함께, 기술적으로 자원의 재활용이 뒷받침되어야 한다.

생분해성 플라스틱은 대부분 에스테르계 플라스틱이다. 열가소성 고분자의 큰 그룹을 구성하는 폴리에스테르는 모노머 구성에 따라 재활용이 가능하거나 생분해가 가능할 수 있다. 이론적으로 모든 폴리에스테르는 모노머를 연결하는 에스테르 결합이 가수분해 효소의 작용에 민감하기 때문에 생분해성으로 간주된다.

에스테르계 플라스틱의 생분해성은 생분해 조건에서 미생물 균총과 미생물이 분비하는 효소의 해중합 활성에 의해서 결정된다. 하지만, 자연환경 또는 매립지에서는 낮은 적합 미생물 농도 및 해중합효소 비활성화 등으로 효율적 분해에 부적합한 상황이다. 이에 따라, 고효율 효소확보를 통한 해중합시스템 구축은 조건 생분해성 에스테르계 플라스틱의 완전 해중합 및 탄소순환을 위해 필수적인 요소라고 판단된다.

생분해성 플라스틱 처리 통합생물공정 개발 등의 산업적 활용성 제고를 위해서는 적합 미생물의 개발은 가장 중요한 전제조건이 되고 있다. 석유계성 플라스틱 중 에스테르계인 PET의 해중합효소 발굴-상용화가 성공함에 따라, 미생물을 활용, 에스테르계 생분해성 플라스틱의 탄소순환 기술 확보를 타겟팅하고 있는 상황이다. 미생물 기반의 생분해성 플라스틱 리사이클링은 미세플라스틱을 발생시키지 않을 뿐만 아니라, 해중합 산물 대사를 통한 고부가가치의 유용 소재로 업사이클링 또한 가능해져 ESG에 근거한 환경․경제적 파급효과가 클 것으로 기대된다.

생분해성 플라스틱과 바이오 업사이클링

플라스틱 재활용의 주요 과제는 재활용 흐름에서 다양한 플라스틱을 혼합하는 것이다. 교차 오염은 분류 과정에 부담을 가중시키고, 재활용 플라스틱의 가치를 낮추며 특성을 저하시키는 등 심각한 결과를 초래한다. PLA, PBAT와 같은 생분해성 바이오 기반 폴리에스테르는 소비자에게 바람직한 플라스틱이지만, 여전히 재활용이 필요하다. 특히 PLA 시장이 급속히 확대되면서 기존 재활용 공정을 방해하는 오염물질로 PLA가 더 많이 존재할 것이라는 우려가 커지고 있다.

바이오 업사이클링은 기존 재활용 기술을 사용해 효과적으로 처리하기에는 너무 오염되어 있는 광범위한 플라스틱 폐기물 흐름에서 가치를 추출하는 데 초점을 맞춘 새로운 대안 공정이다. 이는 해중합 및 후속 미생물 배양을 통해 플라스틱 폐기물을 고부가가치 제품이나 재료로 생물학적으로 전환하는 과정을 의미한다. 이러한 생물전환은 미생물이 복잡한 혼합물과 재료를 다룰 수 있는 고유한 능력을 갖고 있기 때문에, 재활용이 어려운 고분자 및 복합재에 대한 더 나은 옵션을 제공할 수 있다.

유럽에서는 유럽 연합의 '호라이즌 2020' 연구 및 혁신 프로그램 및 중국 국립 과학 재단의 자금을 지원받는 MIX-UP(MIXed plastics biodegradation and UPcycling using the microbial community) 프로젝트가 2020년에 시작되었다. 해당 프로젝트에서는 고도로 설계된 효소 혼합물과 미생물 군집을 사용하여 혼합 플라스틱 폐기물을 가치 있는 바이오플라스틱으로 전환하는 것을 목표로 하고 있다.

글=김종훈 국립부경대학교 교수
정리=남도영 기자 hyun@techm.kr

김종훈 교수는 서울대학교 농생명공학전공 박사 학위를 취득하고 한국생명공학연구원 마이크로바이옴융합연구센터를 거쳐 현재 국립부경대학교 생물공학과 조교수로 재직 중이다. 김 교수는 생물다양성에 기반한 미생물 실용화 및 현장 적용 관련 연구를 수행하고 있다.

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