플라스틱넷

		자원 재순환과 화이트바이오 기술의 접목 (1)
		[플라스틱사이언스] 기사입력 2022-08-22 23:01:51

탄소배출을 줄이기 위한 노력들이 전 방위적으로 진행되고 있다. 태양광, 풍력 등 재생 에너지를 이용하여 산업의 기초인 에너지 인프라를 바꾸는 노력을 민간/정부가 함께 추진하고 있다. 이와 함께, 우리가 일상생활에 사용하는 수송용 연료와 재료들을 기존에 석유에서 생산하던 방식에서 벗어나 재생 가능한 식물성 원료를 이용하여 생산하고자 하는 노력들도 있다. 인간의 산업 활동의 결과로 배출된 이산화탄소를 포집, 활용, 저장하는 연구와 상업화가 또한 활발히 진행 중이며, 오랜 노력의 결과로 가시적인 결과들이 나타나고 있다. 또한 석유로부터 생산되는 엄청나게 많은 플라스틱 폐기물을 재활용하고자 하는 노력들도 있다.

필자는 본고의 지면을 통해서 플라스틱 문제와 이 문제에 대한 다양한 해결책 그리고 이 해결책들이 어떻게 연결되고 있는지를 몇 차례의 연재를 통해서 살펴보고 있다. 플라스틱의 문제는 이것 아니면 저것의 해결책이 아니라 다양성(diversity)이 있으며 이러한 해결책들은 연결성(connectivity)을 갖는다는 것을 주의해 볼 필요가 있다.

글. 박오진 (주)리그넘 연구소장/사업개발 담당

"유명한 에너지, 화학, 브랜드 회사들의 임원들은 함께 파트너십, 공급망, 그리고 다양한 신뢰할만한 선택지들을 찾아서 소비자들에게 제공하려고 노력하고 있다. 소비자들이 지속가능을 추구하는 제품이나 서비스들을 찾고 있기 때문이다."

"폐플라스틱이 기계적 화학적 재활용으로 사용될 수도 있지만 그 용도가 다하면 이제 다른 방법으로 재활용할 수 있는 방법을 찾아야 한다. "

탈 화석원료(Fossil-Free)의 (Bio) Chemical Company를 지향하는 리사이클링 회사들

탄소배출을 줄이기 위한 노력들이 전 방위적으로 진행되고 있다. 태양광, 풍력 등 재생 에너지를 이용하여 산업의 기초인 에너지 인프라를 바꾸는 노력을 민간/정부가 함께 추진하고 있다. 이와 함께, 우리가 일상생활에 사용하는 수송용 연료와 재료들을 기존에 석유에서 생산하던 방식에서 벗어나 재생 가능한 식물성 원료를 이용하여 생산하고자 하는 노력들도 있다(1. 재생, renewable, bio-based). 인간의 산업 활동의 결과로 배출된 이산화탄소를 포집, 활용, 저장하는(CCUS, Carbon Capture Utilization& Storage) 연구와 상업화가 또한 활발히 진행 중이며, 오랜 노력의 결과로 가시적인 결과들이 나타나고 있다(2. 이산화탄소활용, CO2utilization). 또한 석유로부터 생산되는 엄청나게 많은 플라스틱 폐기물을 재활용하고자 하는 노력들도 있다(3. 재활용, recycling).

인간은 지난 한 세기 동안 2조 톤(two trillion ton)의 이산화탄소를 공기 중으로 방출하게 되었고 기후 변화와 위기를 가져오게 되었다. 2020년 9월 독일의 민간 연구 기관인 nova-Institute의 리더십 아래 6개 국가, 11개의 화학회사들이 재생 탄소 사용 운동(Renewable Carbon Initiative, RCI)을 발족하였다. 유럽연합과 전 세계가 야심차게 세워 놓은 기후 목표 달성에 있어서 화학 및 소재 산업이 발 벗고 나서서 이 도전적인 문제들을 해결하고자 하는 것이다. 산업계가 재생 에너지를 사용하는 것 이상으로 해야 할 일이 있다. 화학 소재 산업 분야에서의 탈탄소(decarbonization)이며 이는 선택사항이 아니다. 산업계가 탄소의 사용에 전적으로 의존하고 있으며, 대체 전략이 필요하다. 이 일종의 운동적인 성격을 띤 활동의 목표는 현대 사회의 기반이 되는 연료나 여러 화학제품 재료의 원료가 되는 화석원료에서부터 벗어나 재생 가능한 탄소(renewable carbon)로의 전이(transition)를 지원하고 가속화하기 위한 것이다.

nova Institute의 재생탄소 사용 운동 (RCI)

100명이 넘는 전문가들이 이 운동을 개인적으로 지지하고 있다. 기존의 회사들과 스타트 업, 연구기관들도 이 운동에 회원으로 참여할 수 있다. RCI에서 말하는 재생탄소는 위에서 언급한 배출되는 이산화탄소의 포집 활용, 플라스틱의 리사이클링, 그리고 이산화탄소를 고정하는 조류(algae) 및 식물류에서 유래하는 리그노셀룰로스이다. RCI가 발족되기 전 영국의 한 여성 요트인(Ellen McArthur)이 전 세계를 요트로 횡단하면서 해양에서 플라스틱이 축적되는 환경문제를 이슈화하였고 본인의 이름을 딴 Ellen McArthur Foundation 을 시작하였다. 이 단체는 현재 플라스틱 문제를 다시 한 번 생각하자며(Rethinking Plastics) 플라스틱 문제를 이슈화하고 있다.

이렇게 민간 혹은 개인이 플라스틱 이슈를 들고 나오기 전부터 어떤 회사들은 혁신을 만들어가고 있었다. 꿈을 현실로 만들어가는 이들이다. 문제를 인식하게 만드는 자(Problem Identifier)들이 있는가 하면 이 문제를 해결하려고 하는 자(Problem Solver)들이 있다. 민간, 개인, 그리고 기업들이 참여하는 이러한 공동의 노력(collective-concerted-efforts)들에 희망을 걸어본다.

필자는 이 짧은 지면을 통해서이지만 플라스틱 문제와 이 문제에 대한 다양한 해결책 그리고 이 해결책들이 어떻게 연결되고 있는지를 몇 차례의 연재를 통해서 살펴보고 있다. 플라스틱의 문제는 이것 아니면 저것의 해결책이 아니라 다양성(diversity)이 있으며 이러한 해결책들은 연결성(connectivity)을 갖는다는 것을 주의해 볼 필요가 있다.

먼저 nova-Institute가 주창하는 지속가능한 탄소 사이클을 위한 지침을 살펴보도록 하자.

RCI는 최근 화학과 소재 기업이 석유 원료를 탈피하는 것에 관한 근본적인 전략에 관한 내용을 담은 보고서를 발간하면서 11가지 정책을 제안하였다. 현재 RCI는 화학과 소재 분야의 가치 사슬에 참여하는 잘 알려진 회사들 가운데 30개 이상이 참여하는 관심 그룹이라고 할 수 있다. RCI는 재생탄소 개념이 어떻게 지속가능한 탄소 사이클로의 전환을 위한 원리가 될 수 있는지에 대한 포괄적인 보고서를 발표한 것이다.

RCI는 기후 문제의 핵심을 다루고 있다. 인간 활동으로 인해 발생하는 온실 가스로 인한 기후 변화의 72%는 땅 속에 있는 화석 원료를 채굴하는 것과 직접적으로 관련이 되어 있다. 기후 변화를 급속히 줄이고 온실 가스 배출 감소의 목표를 달성하기 위해서는 추가적으로 화석원료에서 기반한 탄소가 우리의 시스템 안으로 들어오는 것을 가능하면 빨리 그리고 대규모로 줄여야 한다.

nova-Institute가 정리한 플라스틱 리사이클링 기술의 다양성

에너지와 수송 영역에서는, 재생 에너지, 수소, 전기에 기초한 모빌리티의 비중을 높이는 것인데 이것이 바로 이 산업 영역에서의 탈탄소(decarbonization)이다(McKinsey Sustainability, How a ‘materials transition’ can support the net-zero agenda, 2022참조).

유럽 연합은 이미 이를 향한 야심찬 아젠다를 실천하면서 최근에는 유럽의 그린 전이(transition) 계획이 담긴 ‘Fit for 55’ 패키지도 발표하였다. 유럽 그린딜의 일부로서 들어선 유럽 기후법과 함께, 유럽연합은 2050년까지 기후 중립을 달성하겠다는 목표를 세웠다. 이는 현재 온실가스 배출 수준을 앞으로 몇 십년간 현저히 줄이는 것을 요구한다. 이러한 기후 중립을 위한 중간 단계로서 유럽 연합은 2030년 목표로서 2030년까지 적어도 55% 이산화탄소 배출을 줄이는 것이다. 유럽 연합은 소위 'Fit for 55' 패키지 아래 기후, 에너지, 수송과 관련한 법의 수정을 거치고 있는데 현재의 법률을 2030년, 2050년 목표에 맞게 고치고 있다. 여기에는 다양한 제안들이 포함되어 있다.

그러나 지금까지의 정책들이 화석 원료들을 채굴하고 사용하는 기업들을 포함하지 않았었다. 화학 소재 산업들은 탄소에 대한 요구가 높고 탄소에 기반한 원료로만 가능하다. 에너지와는 달리 이들 산업은 분자 자체가 탄소를 포함하고 있기에 탈탄소를 할 수 없다. 에너지 산업에서 재생 에너지를 통한 탈탄소와 비슷한 것이 화학 및 소재 산업에서의 재생 탄소로의 전이라고 할 수 있다. 이러한 산업들에서 지하로부터 화석 원료를 더 이상 탄소 사이클에 집어넣지 않도록 하는 것을 가리켜서 탈화석화(defossilisation)라고 부르고 있다.

RCI가 주창하는 세 가지 탄소원을 생각하면서 탈화석화를 향한 노력의 일환으로서 폐기물의 재활용을 바라볼 필요가 있다. 플라스틱 폐기물은 지속적으로 증가하고 있고 2050년이 되면 전 세계에서 연간 50억 톤의 폐기물이 발생할 것이라고 한다. 폐플라스틱이 기계적 화학적 재활용으로 사용될 수도 있지만 그 용도가 다하면 이제 다른 방법으로 재활용할 수 있는 방법을 찾아야 한다. 최근의 영국 신문 가디언의 최근 보도에 따르면 재활용된 PET에서 발견되는 화학 물질 종류가 새롭게 제조되는(virgin) PET제품보다 많다는 것을 알려주고 있다(가디언지 2022년 3월 18일자, “Recycled plastic bottles leach more chemicals into drinks, review finds”).

다음 몇 가지 기업들의 예들은 이러한 접근법을 사용하는 좋은 본보기가 된다.

가. 다국적 소재 화학 회사 DOW의 프랑스에서의 행보, DOW-Valoregen 협력

DOW는 1) ‘Close the Loop’라는 목표로 2035년까지 포장용으로 판매되는 제품의 100%를 재사용과 재활용이 되도록 하고자 한다. 현재 제품의 85%가 이 영역에 속한다. DOW는 패키징 용도에서 재설계를 함으로써 그리고 재사용, 재활용 솔루션을 제공하는 것에 매진하고 있다. DOW는 2) ‘Protect the Climate’라는 목표로 2030년까지 5백만 톤의 탄소 배출을 줄이고, 2020년 기준으로 15% 감축하는 목표를 가지고 있다. DOW는 파리 협약에 맞추어 2050년까지 탄소중립을 달성하고자 한다. 원료를 덜 사용하고 제품을 제조하는 기술들을 개발하고 있는데 최근 Dow와 Shell은 스팀을 전기로 생산하는 기술을 공동으로 개발하여 화학산업에서 가장 중요한 공정들로부터 이산화탄소 배출을 현저히 줄이고자 한다. DOW는 3) ‘Stop the Waste’라는 목표로 2030년까지 자체적으로 혹은 협력을 통해 백만 톤의 플라스틱을 모아서 재사용하고자 재활용하고자 한다. DOW사는 주요 기술과 인프라에 투자하거나 협력하여 글로벌 리사이클 비율을 현저히 높이고자 한다.

이러한 움직임 가운데서 다국적 소재 화학 회사 DOW는 본거지인 미국이 아닌 프랑스에서 단일 리사이클링 시설로는 가장 큰 시설을 위한 프로젝트를 2023년 1분기 완공 목표로 추진하고 있다고 7월 21일 발표했다.

이는 기계적 재활용(2차적 제품을 만드는데 활용)과 새롭고 더 진보된 재활용 기술(재활용이 어려운 플라스틱을 납사와 같은 액체로 만든 뒤 새로운 고분자 수지를 만드는 기술)을 함께 결합한(hybrid) 프로젝트로서 그 중요성이 매우 크다. Dow는 프랑스의 리사이클링 회사인 Valoregen사와 함께 새로운 시설을 짓는데 합의를 했다. 이 시설은 Valoregen 소유로서 운영이 될 것이다.

Valoregen사는 프랑스 회사로서 탄소중립을 목표로 첨단 리사이클링 기술 개발과 기술이전을 통해 지속가능한 순환경제를 가능하도록 하여 기후 변화에 대응하며 건강한 생태계로 나아가는 과정을 가속화하는 목표를 갖고 있다. 연 7만 톤을 처리할 수 있는 시설을 프랑스 Damazan에 건설할 것이며 1,700만 유로가 투자되었다. DOW는 소비자가 사용한 이후의 리사이클된 플라스틱 수지(PCR)를 독점적으로 공급받게 될 것인데 처리를 거친 후 다시 DOW의 REVOLOOP 제품군으로 판매될 것이다. DOW는 Valoregen사에게 리사이클링 기술의 전문성을 제공하여 Valoregen사의 기술력을 지원하게 될 것이다.

장기적으로는 이곳에서 기계적 재활용과 진보된 재활용 기술을 결합한 형태를 구축하게 될 것이다. 이러한 DOW의 움직임은 유럽과 전 세계에서 혁신적인 새로운 리사이클 기술을 가진다. 다양한 회사와 협력하는 한 예가 된다. 이를 통해 순환경제와 플라스틱 폐기물 문제를 해결하려고 한다. 여전히 리사이클링 비중은 낮은데 유럽에서 이러한 움직임은 기술들을 상업화하는 것을 돕고 플라스틱 폐기물의 실제적인 시장을 창출하게 될 것이다. DOW사는 투자와 기술의 전문성을 제공하면서 유럽에서 순환경제의 솔루션을 제공하게 될 것이다.

Valoregen사의 궁극적인 목표는 모든 종류의 플라스틱 폐기물을 재활용하는 독특한 생태계를 만드는 것이다. 기계적 재활용과 진보된 재활용 기술은 서로 보완적이며 DOW사가 2025년까지 유럽연합에서 10만 톤의 플라스틱 재활용 목표에서 매우 중요하다. 이 두 가지 기술을 통합하여 수율을 80% 이상으로 유지함으로써 스마트 에너지 관리 시스템으로 에너지 효율을 높이게 된다. 이는 기계적 재활용에서 평균인 60~70%에 비해서 훨씬 높은 것이라고 할 수 있다. 또한 Valoregen사는 이러한 과정에서 여러 다른 위치로 폐기물을 운반하는데서 발생하는 탄소 배출도 줄이게 된다.

기계적 재활용은 DOW의 순환경제 전략에서 매우 중요한 축을 이루고 있다. 기계적 재활용이 현재 플라스틱 리사이클링에서 주를 차지하고 있지만 재활용 비율은 여전히 너무 낮다. DOW와 함께 이 하이브리드 기술을 상업화함으로서 Valoregen은 유럽에서 재활용을 높이게 될 것이다.

나. 핀란드 Neste사- 새로운 전처리와 업그레이드 능력

Neste사는 핀란드 Porvoo에서 폐플라스틱의 화학적 재활용을 향한 다음 단계를 준비하고 있다. 이 지역에 있는 정유 시설에서 액화된 폐플라스틱을 가공하는 설비에 투자 결정을 위한 타당성 검토를 하고 있다. 목표는 액화된 폐플라스틱을 처리하는 설비를 스케일 업 하는 것이다. 이 설비는 자체 특허 공정을 통해 액화된 폐플라스틱을 전처리하고 업그레이드하면서 정유 공장 운전 형식으로 통합하는 것이다. 이 설비는 연간 40만 톤을 전처리하고 업그레이드 하는 규모를 갖고 있다. 이러한 노력은 Neste사가 2030년부터 매년 1백만 톤의 폐플라스틱을 처리하고자 하는 목표를 향한 중요한 발걸음이 될 것이다.

폐플라스틱을 처리하여 얻은 액체(열분해 오일, pyro-lysis oil)로부터 drop-in연료를 생산하기 위해서는 중간단계의 정제가 필요한데, 이 과정에서 공정에 해로운 불순물을 제거하면서 동시에 화학적 조성을 최적화한다. 화학적 재활용을 통해서 고분자나 화학 가치 사슬에 있는 협력 기업들에게 경쟁력 있는 상업적 규모의 원료를 제공하기 위해서는 품질상의 차이를 극복해야 한다. 폐플라스틱의 전환을 통해 얻어지는 액체 오일과 고객들의 원료 요구 사항들에는 많은 차이가 있다. Neste사는 폐플라스틱을 액화 하여 석유 산업의 원료로 제공하는 기술과 사업에 있어서는 선두주자라고 할 수 있다. 처리 능력을 확대하면서 재활용하기 어려운 플라스틱 폐기물을 가공하는 능력을 향상시키고 가치 사슬 안에 있는 협력사들이 재활용 플라스틱 원료로부터 고품질의 제품을 상당한 양으로 공급할 수 있게 할 것이다.

폐플라스틱을 가공할 때 유연성의 증대

2021년도에 Neste사는 Porvoo 정유 시설에서 폐플라스틱 액체 오일을 가공하는 첫 테스트를 성공적으로 마쳤다. 더 큰 양을 가지고 테스트를 진행하는 것은 2022년에 계속 진행될 것이다. 처리 되지 않은 액체 오일이 테스트 실험에는 쓰일 수 있겠지만 연속 처리 공정에서는 불순물과 원하지 않는 성분을 제거하기 위한 전처리와 업그레이드 단계가 필요하다.

Neste사의 목표는 2030년까지 유럽에서 가장 지속가능한 정유시설이 되는 것인데, 폐플라스틱의 전환 액체 오일의 전처리와 업그레이드는 목표의 달성에서 매우 중요하다. Porvoo 정유시설에서 능력을 개발하고 축적하기 위해서는 Neste사가 혁신적인 자금 지원을 위한 가능한 선택지들을 평가하게 될 것이며 이 투자가 환경적으로 문제가 없는지 감독하는 지방 정부와도 협력하게 될 것이다. 타당성 검토 후 투자 결정은 2023년에 이루어질 전망이다.

다. UBQ Materials-Mercedes Benz의 폐기물 재활용 협력

UBQ Materials사는 이스라엘에 본사를 둔 복합재료(composite) 회사이다. 최근 독일의 Daimler사와 함께 ‘STARTUP AUTOBAHN’ 이노베이션 플랫폼에 참여하였다. 이 프로그램은 2016년도에 시작되어 유럽에서 모빌리티 분야에서 가장 성공적인 혁신 프로그램인데 스타트 업 엑셀러레이션 플랫폼 Plug and Play사가 함께 참여하고 있다. Daimler는 ‘STARTUP AUTOBAHN’ 혁신 플랫폼을 통해서 차량개발, 모빌리티, 디지털화, 그리고 지속가능을 추구하고 있다.

이스라엘의 스타트업인 UBQ Materials사는 생활폐기물을 재활용하여 100% 재활용된 플라스틱을 생산한다. Mercedes-Benz와의 협력을 통해서 100% 재활용이 가능한 열가소성 소재를 개발하여 자동차부품에 적용한 것이다. 자동차 회사들 가운데 Mercedes-Benz Passenger Cars만이 전생애주기평가(LCA)를 통해서 차량의 모든 제품의 환경영향평가를 하여 환경 친화적인 제품의 디자인을 추구하고 있다. ISO 표준 14040에 따라 LCA 분석을 실시하여 독립적인 기관으로부터 인증을 받고 있다. 이러한 결과와 환경평가를 ‘360도 환경평가(360-degree environmental check)’ 라는 감사 자료로 발표하고 있다.

UBQ Materials-Mercedes_benz의 재활용 플라스틱의 자동차 내장재 부품 협력

“Mercedes-Benz Group이 UBQ를 파트너로 정한 것은 순환경제 분야에서 UBQ사가 독특한 소재와 기술을 갖고 있기 때문이며 이는 Daimler의 지속가능 사업 목표와 잘 맞는다. 순환경제와 폐기물의 업 사이클링을 추구하고 있기에 협력은 자연스러운 것이다.”

이미 공동연구를 시작할 때부터 상당히 기술적 달성도가 높아서 UBQ사가 평가 단계에서 지금까지 잘 해오고 있다. UBQ사의 재료가 쓰이는 분야는 우선 쉬운 판넬, 컵홀더, 콘솔 박스분야부터 시작하였다. 이를 통해 소재에 대해서 더 잘 이해하게 되고 위험을 줄이면서 더 큰 부품에서도 적용할 수 있을지 판단할 수 있을 것이다.

성공적인 적용이 입증되면 프로젝트를 더 확장할 계획이다. 다음 단계로는 Daimler사의 공급사들에게 UBQ Materials사의 소재를 소개하여 공급망에서 탄소발자국을 줄이게 될 것으로 기대하고 있다.

UBQ 소재는 식품 폐기물, 정원 폐기물, 기저귀, 종이, 종이포장재 등과 같은 혼합된 폐기물을 사용할 수 있다. Daimler 공장에서는 운반을 위한 다양한 상자들과 포장 재료들이 사용되는데 UBQ 원료들을 이용해 만들 수 있는 것이다. 자동차부품에만 제한할 것이 아니라 Ambition2039를 목표로 다양한 접근법에 열려있을 때 이러한 목표가 달성될 수 있을 것으로 두 회사는 보고 협력하고 있다. 재활용된 재료들을 이용하면 원료를 절감하면서 온실 가스 배출을 줄일 수 있을 것이다.

이스라엘에서는 분리수거가 거의 없다. 사실 이스라엘은 가정에 하나의 수거함만 있어서 모든 가정 폐기물이 이곳으로 모아진다. 이러다 보니 재활용이 더 어렵고 매립으로 가는 양이 더 많다. 이러한 문제는 이스라엘만이 아니어서 폐기물은 지속적으로 증가하고 있고 2050년이 되면 연간 50억 톤의 폐기물이 발생할 것이라고 한다. 가치 있는 자원이 매립이나 소각되고 있는 것이다. UBQ사는 유기성 폐기물을 포함한 가정 폐기물 전체를 사용하여 열가소성 UBQ소재를 생산하여 목재나 플라스틱을 대체하고자 한다. 이스라엘 내부에서는 폐기물 수집, 회사들, 정부와 플라스틱 원료 판매상들과 협력하면서 지속가능한 경제적 이익 창출이 가능한 방식으로 순환경제를 이루고자 한다.

순환경제 모델

UBQ가 폐기물을 유용한 열가소성 소재로 전환하는 방식은 폐플라스틱을 포함하여 온갖 폐기물 혼합물을 균일한 컴퍼지트 소재로 전환하는 기술이다. 이 가운데는 유기성 폐기물을 구성 단위 물질로 전환하는 기술이 포함된다. UBQ공정은 매우 효율적이어서 낮은 온도에서 진행이 되며 물을 사용하지 않고 전환 공정에서 폐수나 메탄이나 이산화가스와 같은 폐가스가 발생하지 않는다. 6년여에 걸쳐 엔지니어, 과학자들, 공정 개발 협력사들과 투자사들의 공동의 노력 끝에 경제성 있는 공정을 구축하였다.

UBQ재료들이 다른 전통적인 플라스틱과 다른 점은 석유 유래의 원료의 사용 비중을 줄임으로써 보다 더 지속가능한 플라스틱을 생산하는 것이다. 폐기물을 업사이클링(upcycling) 하여 재생가능하고 바이오 기반의 함량을 높이는 것인데 UBQ만이 할 수 있는 독특한 기술이다. 두 회사는 함께 폐기물 제로가 가능하다고 보고 도전하고 있다. 이러한 노력을 인정받아 2021년 자동차 부분에서 Mercedes-Benz AG사와 UBQ사가 스타트 업으로서 자동차 지속가능 분야에서 공동 수상하였다.

UBQ Materials의 열가소성 소재를 이용한 복합재료(컴퍼지트)

라. PET의 효소적 재활용 기술

1) 경북대학교–CJ제일제당의 효소를 이용한 PET재활용

우리나라에서는 폐PET가 29만 톤이 나오는데 이 중 10%인 2만8천 톤이 고품질 PET로 재활용된다. 정부 부처와 회사들은 라벨지 제거와 투명페트병 분리배출 의무화 시행 등 국산 재생 PET 사용량 확대를 위해 노력하고 있다. 현재 대부분의 플라스틱은 분리수거 후 라벨제거-분쇄-세척-원료화를 거치는 ‘기계적 방식’으로 재활용되고 있다. 비용이 적게 들고 탄소배출량과 에너지소모량이 비교적 낮아 보편화 됐지만, 재활용된 소재의 품질이 높지 않아 경제성이 부족하다.

작년 10월, 경북대학교 생명과학부 김경진 교수가 개발한 PET수지의 효소를 사용한 재활용 기술(PET플라스틱 생분해)이 CJ제일제당사에 의해서 기술이전 되었고 공동 연구를 진행하였다. 이 효소 분해 기술은 새로운 것이라기보다는 프랑스의 Carbios사의 기술을 개량한 것이라고 해야 할 것이다. 김경진 교수가 개발한 기술은 자연의 미생물에서 발굴한 효소를 개량하고 이를 통해 생명자원에서 발굴한 효소(열안정성, 기질특이성 등)를 개량하고 이를 이용해 PET 플라스틱을 분해하는 방법이다. 다른 PET 재생 방법보다 친환경적일뿐 아니라, 상대적으로 품질이 낮은 유색(有色) PET 조각까지도 100% PET 원료로 재생이 가능하다.

김 교수는 경북대학교 지주회사 자회사인 (주)자이엔을 통해 CJ제일제당과 추가 기술연구개발(R&D)을 지속하였다. 김경진 교수는 “플라스틱 재활용 문제의 근본적인 해답은 생태계가 플라스틱을 나무와 같이 인지하도록 하는 것이다. “생분해 기술은 그러한 맥락에서 반드시 필요하다. 이번에 이전한 기술은 효소공학기법으로 플라스틱의 분해가 가능한 인공적인 효소를 개발한 결과물 중 하나이다. 생분해를 통해 재활용된 PET 원료는 단순히 부직포나 솜으로 이용되는 데 그치지 않고 시트지나 옷감, 투명한 PET로 되돌아 갈 수 있을 뿐만 아니라 환경에 유리된 폐기물의 분해를 촉진할 수도 있을 것으로 보인다.” 라고 말한다.

CJ제일대당-경북대학교 PET분해 효소 협력 연구

두 회사는 올해 6월 17일, 상용화를 위해 공동 연구계약 체결식을 가졌다. 연구계약을 통해 PET플라스틱 소재를 생분해하는 고효율 효소개량 • 생산과 함께 PET 플라스틱 생분해 및 원료물질 정제공정을 개발한다(플라스틱 고효율 생분해효소 공동 연구계약).

이를 위해 경북대학교와 ㈜자이엔은 효소발굴 및 개량연구를 진행하고, CJ제일제당은 세계최고 수준의 미생물발효기술과 연구개발 인프라를 활용해 효소대량생산기술개발과 PET 플라스틱리사이클링기술의 상용화를 추진한다. 이번 계약으로 추진하는 ‘생물학적재활용’ 기술은 분해과정에서 환경에 미치는 악영향이 거의 없고, 에너지소모도 비교적 적은데다가 재활용된 소재의 품질이 높다는 장점이 있다. 이러한 협업을 통해 CJ제일제당과 (주)자이엔은 플라스틱재활용 방식의 패러다임을 보다 친환경적이고 지속가능한 방향으로 바꿀 수 있는 의미 있는 첫걸음이 될 것이며 플라스틱 생분해 효소 개발을 비롯해 ESG 관점의 신사업 발굴과 육성에 적극 나설 것이다.

또한 산업적수준의 PET 플라스틱 생분해 기술개발을 통해 폐플라스틱의 친환경적 순환 고리를 구현하는 획기적인 전기가 될 것으로 기대하고 있다.

2) Carbios사의 PET분해 효소 기술

일회용 플라스틱은 대부분 석유에서 추출되며, 2050년까지 연간 세계석유의 20%가 플라스틱을 만드는데 쓰일 것으로 예상된다. 플라스틱에 대한 의존도를 낮추고, 이미 쓰이고 있는 플라스틱을 재사용하는 방법을 찾아내야 플라스틱배출량을 크게 줄일 수 있다. 현재 전 세계 플라스틱 중 약 15%만이 매년 수거돼 재활용되고 있다. 연구원들은 재활용 플라스틱을 늘리고자 1990년대부터 플라스틱을 분해하는 새로운 방법을 찾 느라 애쓰고 있다. 여러 회사와 연구원들이 플라스틱 재활용업체인 룹인더스티리(Loop Industries)사가 사용하는 화학기술이나 Carbios사가 사용하는 효소기술을 개발하기 위해 애써 왔으나 최근에 와서야 화학과 효소기술이 본격 상용화되기 시작했다.

PET같은 일부 플라스틱을 재활용하는 기술은 이미 수 십 년에 등장했지만 효소기술을 이용하면 더 순수한 제품을 생산하거나 기존기술로 처리할 수 없는 의류 등을 재활용할 수 있다. 프랑스의 스타트 업 Carbios사가 효소를 이용하여 PET를 이용하는 기술을 2011년부터 개발하였고, 이 기술의 pilot 실험을 통해 화장품 용기의 리사이클에 적용하고 있다. 이 기술을 이용하여 일회용 플라스틱 재활용에 관심을 가진 Carbios사는 자사의 개량된 효소기술을 이용해서 환경에 심각한 피해를 주는 플라스틱재활용에 나섰다. 자연 촉매 역할을 하는 유기물질인 효소를 이용해 재활용이 힘들어 환경에 심각한 피해를 주는 플라스틱재활용에 나선 주인공이 바로 프랑스 스타트업인 Carbios사이다.

Carbios사의 촉매화학용반응기(reactor) 크기는 화물차 크기에 맞먹는 20입방미터규모다. 한 번에, 분쇄된 병약 10만 개에 해당하는 2톤 분량의 플라스틱을 넣어놓으면 10~16시간 안에 PET재료인 에틸렌글리콜(MEG)과 테레프탈산(TPA)으로 분해할 수 있다. 상업공장은 파일럿 시설보다 20배가 큰 규모로 유럽이나 미국의 플라스틱 제조업체 인근에 지어 2025년에 가동할 예정이다. Carbios사의 연구원들은 박테리아가 잎을 분해할 때 사용하는 천연효소를 개량하여 더 효율적으로 PET를 분해할 수 있는 효소를 만들었다.

프랑스 중부 클레르몽페랑에 있는 Carbios의 시범공(Image courtesy of Skotch Prod)

Carbios사의 효소를 이용한 PET재활용 공정은 석유로부터 새로 만드는(virgin) PET 보다는 온실가스배출량을 약 30% 줄여주는 것으로 추정된다. 최근 나온 연구 논문에 따르면 효소재활용기술을 이용해 PET를 만들면 virgin PET를 제조할 때보다 온실가스배출량을 17~43% 줄일 수 있을 것으로 보고 있다.

미국 국립재생에너지연구소(US National Renewable Energy Laboratory, NREL) 연구원이자 논문(‘Techno-economic, life-cycle, and socioeconomic impact analysis of enzymatic recycling of poly(ethylene terephthalate)’, Joule, 5, 2479–2503, 2021)의 공동저자인 그렉 베컴(Gregg Beckham) 박사는 기술 경제 분석(TEA)을 통해서 “새로운 연구와 상업적인 노력이 주로 새로운 효소개발에 집중됐지만, 이 기술이 얼마나 효율적이고 비용효과가 뛰어날지는 재활용 과정의 다른 요인들에 의해 결정될 것” 이라고 말함으로써 PET플라스틱의 재활용에 관여하는 인자가 다양함을 보여준다. 베컴 박사는 “효소가 분해할 수 있도록 플라스틱을 분쇄하는 공정, 그리고 효소가 분해한 MEG와 TPA를 분리 정제하는 것이 에너지와 시간을 소비하고 탄소배출과 비용을 증가시키는 요인이 된다.” 라고 말한다.

따라서 효소 개량만이 아니라 전체 공정에 대한 연구가 무엇보다 중요함을 보여준다. Carbios사 제품가격은 일반 PET에 비해 약 두 배, 기계적으로 재활용된 PET는 50% 정도 더 비쌀 뿐이다. 그래도 전체 PET제조 공정을 놓고 보면 Carbios사는 작고 투명한 플라스틱 병을 만드는데 2센트밖에 들지 않는다는 점을 강조한다. 그 정도면 제조업체들에게는 상대적으로 부담스럽지 않은 비용이란 것이다. 기업들은 그 정도 부담은 기꺼이 질 의사가 있을지 모른다. Carbios사는 연초 배포한 보도 자료를 통해 Carbios사가 재활용한 버려진 플라스틱을 갖고 제조된 PepsiCo와 Nestle 등 파트너 브랜드들의 음료 병을 공개했다.

Carbios사의 효소이용 PET 재활용

또한, 몇 화장품 브랜드가 Carbios사의 효소를 이용한 PET재활용 기술의 상업화에 함께 하고 있다. 최근 화장품 브랜드 Biotherm과 PET를 효소를 이용해 리사이클 하는 전문성을 가진 회사 Carbios사가 협력하여 Caudry에 위치한 혁신적인 파일럿 시설에서 생물공학 특별히 효소공학 기술을 사용한다. 효소를 이용하여 플라스틱을 리사이클링 하여 화장품 용기를 만들려고 하는 것이다. ‘Blue Beauty’ 브랜드는 100% 리사이클 된 플라스틱으로 화장품 용기를 만들었다고 발표하였다. Waterlover Milk라는 제품은 바닷가에서 쓰는 햇빛차단 관련 제품이다. 이는 매우 상징적인 제품이라고 할 수 있다.

Carbios사-Biotetherm사 효소 이용 PET 재활용 용기 공동개발

화학적 재활용의 일종인 Carbios사의 효소를 이용한 PET 리사이클 기술은 몇 가지 단계로 나뉜다.

① PET 폐기물을 분쇄하고 반응기에 넣고

② 물과 효소를 첨가하여 PET를 원래 원료 물질인 MEG와 terephthalic acid로 분해한다. 이 반응은 몇 시간 안에 완료되고 상온과 상압에서 그리고 유기용매가 없이 진행된다.

③ 모노머들로부터 불순물을 제거한다.

④ 기존의 화학 고분자 합성공정을 통해 모노머들이 다시 PET 수지 펠릿으로 만들어지며 이는 virgin PET와 동일하다. 따라서 품질의 저하 없이 물병이나 패키징, 섬유에 사용될 수 있다. 이러한 효소 기술을 통해 10시간에 90%, 16시간에 97%가 분해된다. 지금까지의 어떤 생물학적 플라스틱 재활용 기술보다 10,000배 빠른 효율적인 기술이다.

이 기술은 투명한, 색깔을 띤, 반투명 그리고 여러 층을 가진 다양한 종류의 PET를 리사이클 할 수 있는 기술이다.

2017년에 화장품 브랜드 L’Oréal사는 Carbios사와 컨소시움을 형성하여 효소를 이용한 PET 리사이클 기술의 협력을 시작하였고 그 이후에 Nestlé Waters, PepsiCo, Suntory Beverage & Food Europe가 합류하였다.

2019년에는 L’Oréal사가 Carbios사에 벤처캐피탈 펀드 형태인 BOLD(Business Opportunities for L’Oréal Development.)를 통해 투자하였다. “L’Oréal for the Future” 라는 2030년까지의 지속가능프로그램을 통해 패키징 분야에서 야심 찬 목표를 가지고 비즈니스의 근본적인 변화를 추구하는 조치를 취하게 된다.

첫째, 2025년까지 플라스틱 패키지의 100%를 리필, 재사용, 재활용, 그리고 퇴비화가 가능하도록 한다.

둘째, 2030년까지 플라스틱 패키징의 100%를 재활용(recycled)과 재생자원 기반(renewable, biobased) 원료로 전환하여 화석원료를 이용한 virgin 플라스틱을 사용하지 않는다.

셋째, 2030년까지 화장품에 사용되는 모든 원료들이 무엇인가를 밝히고(traceable) 그리고 지속가능한 원료를 사용한다.

이는 매우 유망한 혁신적인 기술로서 L’Oréal사가 보다 환경 친화적인 제품을 시장에 내놓고자 하는 의지의 표현이라고 할 수 있으며 이미 15년 전에 주창한 순환경제를 위한 노력의 일부이다. L’Oréal사는 Carbios사 이외에도 다양한 전략적 파트너들과 함께 협력하고 있는데 그 가운데 Albéa사가 있다. 이 회사는 FSC(Forest Steward Council)가 인증한 숲에서 나오는 나무를 원료로 얻은 판지로 화장품 튜브를 만들어 출시하였다.(그림 11). 이 화장품 튜브는 종이로 만든 것인데 45% 플라스틱을 줄이고 이를 FSC인증 판지로 대체한 것이다. Albéa와 L’Oréal는 산업계의 주요한 선두주자로의 책임을 공감하면서 화장품 업계에서 순환경제의 원리를 실천하고 있다. 2019년도에는 Purecycle사와 함께 solvolysis 공정을 통한 리사이클 폴리프로필렌을, 2020년에는 LanzaTech사 그리고 Total사와 함께 배출되는 이산화탄소로부터 폴리에틸렌 화장품 용기를 개발하였다.

Albéa와 L’Oréal가 공동 개발한 FSC(Forest Steward Council) 인증 나무 판지로 만든 화장품튜브

결과적으로 효소기술을 이용한 재활용은 옷이나 플라스틱의 혼합물을 재활용 할 수 있어서 기계적재활용으로 할 수 없는 일을 해낼 수 있을지 모른다. 하지만 현재로선 두 가지 방법 모두 같은 여러 가지 문제에 직면해 있다. 전 세계적으로 재활용을 위해 수거되는 일회용 플라스틱이 거의 없다는 문제 말이다. 그리고 효소기술을 이용한 재활용은 플라스틱의 배출과 그것이 환경에 미치는 영향을 의미 있게 줄이는 데 필요한 여러 해결책 중 하나에 불과할 뿐이다.

다음호에 계속 이어집니다.