[4차산업 바이오⑮] “친환경 바이오”… 플라스틱 개발 현황과 전망

[디지털비즈온 김맹근 기자] 플라스틱은 우수한 기능, 저렴한 가격, 뛰어난 내구성으로 현재 사회의 풍요로움에 큰 공헌을 하였으나, 이제는 이러한 장점이 오히려 심각한 폐자원 문제를 야기하고 있다. 저렴하고 편하다는 이유로 1회용 제품을 남용하게 되었고, 경제성 때문에 재활용에 대한 필요성이 낮았다.

현재까지 발생된 플라스틱 폐기물 63억톤 중 79%가 바다 또는 토양에 폐기되었고 12%는 소각되었으며, 재활용은 9%에 그쳤다. 이 추세대로라면 2050년까지 전 세계 누적 플라스틱 폐기물 발생량은 약 120억 톤이 될 것으로 예측된다.

바이오 플라스틱의 종류

현재 사용 중인 플라스틱 소재 중 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌이 전체 플라스틱 생산량의 대부분을 차지하는데, 이들은 대표적인 난분해성 플라스틱이다. 환경과 인류를 보호하기 위해 분해가 되지 않는 플라스틱을 벗어나 분해가 가능한 플라스틱을 사용해야 한다.

대표적인 생분해성 플라스틱으로 바이오 플라스틱이 고려되는데, 이는 바이오매스와 같은 생물자원을 이용하여 제조된 바이오 소재 기반 고분자를 의미한다. 바이오매스(나무, 풀, 등)가 생장하면서 이산화탄소를 사용하기 때문에, 바이오 플라스틱은 지구 온난화의 주요인인 이산화탄소를 줄일 수 있다고 인식되고 있다.

현재 바이오플라스틱은 생물유래 바이오매스를 사용하거나 생물학적으로 분해되는 것을 포함하는 개념이기 때문에, 바이오매스를 일부만 사용하거나 생분해성이아닌 플라스틱도 포함한다. 바이오플라스틱은 크게 생분해성 플라스틱과 생물 유래(bio-based) 플라스틱으로 나눌 수 있으며, 가장 대표적인 소재로는 PLA, PHA, PBAT, PBS, Bio-PE, Bio-PET 등이 있다.

생분해성 플라스틱

플라스틱의 가수분해 또는 가수분해효소(hydrolyase)의 작용은 주로 폴리머 골격에 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.

생분해 플라스틱은 사용 원료에 따라 천연물(생물)계와 화석원료(석유)계로 나눌 수 있는데, 천연물의 경우 앞서 설명한 바이오매스를 원료로 사용하여 고분자를 생산하는 플라스틱이며, 석유계는 석유를 원료로 사용하는 플라스틱이다. 생물유래 생분해 플라스틱은 바이오매스로부터 전처리, 당화과정을 거쳐 생성된 당을 발효과정을 통해 고분자 단량체(monomer)를 생산하고, 이 단량체를 중합하여 플라스틱을 제조하는 것이다.

생분해성 플라스틱 소재 생산 연구

생분해성 플라스틱 대부분은 에스테르계 중합체이다. 에스테르기는 유기산과 알코올의 반응에 의해 형성되므로, 생분해성 바이오 플라스틱을 위해서는 바이오매스에서 유기산과 알코올을 대량생산하는 시스템의 개발이 필수적이다.

글로벌 생분해성 바이오플라스틱 주요 생산 기업은 신규 바이오플라스틱 소재를 발굴하고, 바이오플라스틱 구성 바이오 단량체를 대량생산하는 기술을 개발하며, 생분해성 바이오플라스틱의 재활용/업사이클링 기술을 중점적으로 개발하고 있다.

국내에서도 다양한 연구진이 내산성 미생물에 대한 연구와 대사공학을 통한 유기산및 알코올의 대량생산 연구를 진행 중이다. 2018년 국내 바이오플라스틱 수요 규모는 약 40,000여 톤 정도였으며, 전 세계 바이오플라스틱 규모는 205만톤 규모로, 세계시장에서의 국내시장 점유율은 약 1.95% 정도로 그 비중이 미미한 수준이다.

생분해 플라스틱의 문제점

생분해성 플라스틱이 과연 환경에 좋은 것이냐는 논란이 있다. 생분해 플라스틱 원료(바이오매스)를 재배하는 과정에서 다량의 비료와 살충제가 사용되고, 생분해플라스틱 제조과정에서 첨가되는 화학물질이 다른 오염원이 될 수 있기 때문이다.

생분해 플라스틱의 구성 단량체에 유기산이 많으므로, 플라스틱이 분해되면 주변을 산성화 시키지 않느냐는 질문도 꾸준히 제기되고 있다. 또한 기존 석유기반 플라스틱 재활용 시스템을 이용할 수 없어 재활용이 어렵고, 생각만큼 자연환경에서 잘 분해가 되지 않는다는 한계도 있다.

결론적으로 우리나라는 다른 나라에 비해서 플라스틱이 주는 편리함을 많이 누리면서도 재활용에 대한 노력은 적은 편이었다. 하지만 더 이상 플라스틱 폐기물 문제를 안이하게 생각할 수 없는 상황에 이르렀다.

플라스틱 문제를 해결할 수 있는 방안은 크게 3가지로 나눠 볼 수 있을 것이다. 무엇보다도 우선적인 것은 일회용 플라스틱 제품을 사용하지 않는 것이다. 두번째로는 현재 생산되거나 폐기된 플라스틱을 잘 활용하는 것이고, 세번째는 자연에 노출되었을 때, 분해가 잘되어 크게 문제를 일으키지 않는 플라스틱을 개발하는 것이다.

우리나라는 다국적 화학회사에 비해 생분해성 바이오플라스틱 개발 기술이 많이 부족하다. 국내에서는 상용화 수준의 소재 개발이 없고, 대부분 해외 수입 소재를 활용하여 가공, 성형하는 제품화 위주의 산업을 형성하고 있으며 이는 시장 규모가 작고, 생분해성 플라스틱의 높은 가격으로 사업화가 활발하지 못한 때문이기도 하다. 하지만 국민적 관심이 높고 개발의 필요성이 부각되었기 때문에, 집중을 통한 기술발전이 가속화될 것이라고 기대한다.

그러기 위해서는 기존의 단편적 연구에서 벗어나 소재, 화학, 생물 등 다양한 분야에서 최고의 연구가 이루어짐과 동시에 한데 어우러져 최종제품을 경제적으로 생산할 수 있어야 할 것이다. 여러 연구자분들이 뛰어난 생분해성 바이오 플라스틱 개발을 위하여 불철주야 노력하고 계시니 머지않아 좋은 소식이 있을 것으로 기대한다.