2019년 9월 코로나가 일어나기 전 바이오플라스틱뉴스(bioplasticnews.com)의 운영자인 Axel Barrett는 ‘PHA: A Biopolymer Whose Time Has Finally Come: PHA: 드디어 때를 만난 바이오폴리머’ 제목으로 기사를 실은 적이 있다. 코로나의 시기를 거치면서 이제야말로 PHA는 때를 맞은 듯하다. 

2023년 3월 1일 아마존은 여성(CEO, Luna Yu)이 창업한 기업(캐나다 Genecis사)에 투자하는 Female Founder Initiative와 친환경 기후변화 관련 펀드인 Amazon Climate Pledge Fund를 통해 식품 폐기물과 같은 유기물 자원을 원료로 하여 PHA를 생산하는 캐나다의 Genecis사에 투자한다고 발표했다(크기는 알려지지 않았지만). 2023년 3월 1일 중국의 BluePha사는 PHBHx라는 PHA계열의 제품 출시를 온라인으로 전 세계에 생중계했다. 

 

 

Amazon의 기후 서약 기금이 Genecis사와 플라스틱 폐기물 솔루션에 투자하는 이유

Genecis의 CEO인 Luna Yu는 BNN Bloomberg에 합류하여 음식물 쓰레기를 사용하여 플라스틱 포장재의 생분해성 대안인 바이오플라스틱을 만드는 방법에 대해 논의한다. 지구 온난화를 해결하는 데 도움이 되는 혁신을 개발하는 기후 기술 회사에 투자하는 Amazon의 기후 서약 기금(Climate Pledge Fund)의 지원을 받는다.

 

PHA에 대한 관심의 증가

ICI사와 Metabolix사의 초기의 공헌으로 인해서 바이오플라스틱의 혁명이 일어나게 되는데, DuPont, Proctor and Gamble (P&G), 그리고 Exxon도 PHA 연구에 뛰어들게 된다. 그러나 많은 노력에도 불구하고 석유기반의 플라스틱에 경쟁할 수 없었다. 

바이오플라스틱의 생분해성(biodegradability)과 함께 바이오플라스틱의 안정성(stability), 품질(quality)의 문제로 인해 American Society for Testing of Materials (ASTM)과 International Standards Organization (ISO)는 ‘생분해 biodegradable’의 공식적인 정의를 들고 나온다. 바로 생분해란 ‘이산화탄소, 메탄, 물, 무기물바이오매스로 분해될 수 있는 것으로 여기서 주된 메커니즘은 미생물의 효소작용에 의한 것으로 실제 폐기되었을 때의 조건을 반영한 표준적인 테스트에 의해서 일정한 시간 내에 측정이 가능한 것’으로 정의하였다. 

보통, 어떤 회사가 새로운 바이오플라스틱수지를 시장에 내놓을 때는 석유기반의 플라스틱을 대체하는 바이오플라스틱의 가능성에 대해 조사한 독립적인 전 생애주기평가(LCA)를 요청하는 것이 요즘의 추세이다. 잠재적 고객은 LCA(때로는 이산화탄소배출 저감효과도 요청함)를 보고 뛰어난 성질을 가진 제품을 알아보게 된다. 미국 미시건 주립대학(M SU)의 Bruce Dale 교수에 의해 주도된 Metalolix 사의 Mirel 제품에 대한 LCA에서는 다른 점을 발견 못함. Mirel이 석유기반의 플라스틱에 비하여 200% 온실가스저감과 함께 95% 에너지절감이 가능하다고 발표했다. 

이러한 PHA의 생분해성 그리고 뛰어난 LCA 등 장점에도 불구하고 PHA가 시장에서 받아들여지기 까지는 두 가지의 장애물이 있다고 할 수 있다: (1) 석유계 수지에 비해서 비싼 가격,  (2) PHA 재료에 대한 소비자들의 경험부족. 그러다보니 투자가 이루어지지 않고, 응용도 제한되게 되는 것이 현실이다. 

현재 시장에 나와 있는 바이오플라스틱 가운데 어느 것도 양이나 물성 면에서 석유기반의 플라스틱 제품의 필요를 만족하지는 못하지만, 이제 대체하기 위한 경주가 시작된 지 오래되었고, 그 속도는 점점 빨라지고 있다고 하겠다. 유용하고 경제적이며 완전 생분해가 가능한 바이오플라스틱을 향한 경주는 아직도 계속되고 있다. 

바이오플라스틱의 선두 주자격인 PLA(polylactic acid)의 양산을 위한 공장들이 유럽, 미국, 아시아에서 급속도로 확장되고 있다. 최근에 태국 (NatureWorks사가 태국의 나콘사완 바이오콤플렉스에 건설하는 75,000톤 규모), 중국 (Futerro사가 중국Anhui성에서 BBCA사의 합자로 PLA  5만 톤 공장이 지어졌고,  2021년 8월 추가 5만 톤 공장으로 Lactic acid-Lactide-PLA의 수직 계열화)과 유럽의 프랑스 (Futerro사에 의한 프랑스 Port Jerome에서의 75,000톤 규모)에 PLA 공장이 세워지고 있다. 특별히 중국의 BBCA는 자체적으로도 젖산 66만 톤/년, PLA 40만 톤/년으로서 전 세계 1위의 PLA 제조업체가 되며, 한국에서는 (주)어드밴스드머티리얼즈앤케미칼(AMC Corporation)이 공식판매를 하고 있다. 

BBCA Group은 PLA 시장이 빠르게 성장함에 따라 2025년까지 단계적인 추가증설을 통해서 젖산 316만 톤/년, PLA Resin 190만 톤/년의 생산능력을 확충하여 전 세계 시장 수요에 부응할 예정으로 선도적인 바이오재료 공급 업체가 되고자 하고 있다. 2022년 6월, LG화학과 미국 거대 곡물가공기업인 ADM사가 미국 일리노이주에 ‘친환경 바이오 플라스틱’ 공장 건설을 위해 두 개의 합작 법인을 설립하는 본 계약 체결을 발표하였다. 이 발표에 따르면 젖산 생산을 위한 합작법인(GreenWise Lactic; 그린와이즈 락틱)과 PLA 생산을 위한 합작법인(LG Chem Illinois Biochem; LG화학 일리노이 바이오켐, 7만5천 톤 규모)을 설립하는데, 원재료부터 제품까지 통합 생산 가능한 PLA 공장을 짓는 한국 기업은 LG화학이 처음이다. 일리노이주 Dacatur는 원료가 되는 옥수수가 풍부한 ADM사의 옥수수 전분 가공 시설이 있는 곳이다.

PLA가 생분해가 된다고 하지만 어떤 특정한 퇴비화 조건에서만 가능하다. 어떤 바이오플라스틱도 해양환경에서 생분해가 되어야만 한다. 전 세계의 바다와 해양생물은 엄청난 양의 해양플라스틱으로 몸살을 겪고 있다. PLA를 퇴비화에 첨가했을 때 대사속도가 지연되는 것이 관찰되기도 했는데, 이는 PLA가 혹은 그 분해산물이 미생물에 약간의 성장저해효과를 가지거나 독성을 갖기 때문이다. PHA는 해양환경에서 생분해에 대한 ASTM의 기준을 만족하였으나, PLA는 수천 년 해양환경에서 분해되지 않고 남아있을 수 있다. 

바이오플라스틱 가운데서 유독 polyhydroxyalkanoates (PHAs)가 새로운 지속가능한 플라스틱으로 각광을 받는 이유는 환경 친화적인(진정한 생분해성과 무독성) 면과 다양한 고분자의 성질을 구현할 수 있는 가능성이 있기 때문이다.
 

 

nova-Institute의 바이오플라스틱 성장 예측

nova-Institute는 최근 보고서인 “Bio-based Building Blocks and Polymers – Global Capacities, Production and Trends 2022-2027”에서 바이오기반 고분자의 2022년~2027년 사이에  연성장률(CAGR)이 14%에 이를 것이라고 전망했다. 이 보고서에서는 바이오기반 고분자를 ‘드롭인’, ‘스마트 드롭인’, 그리고 ‘바이오 기반으로만 가능한(dedicated)’ 으로 나누어서 분석했다.

 

이 보고서에서는 2022년에 상업적으로 가능한 17개의 바이오기반 고분자의 생산능력과 실제생산데이터를 포함하고 있으며 2027년도를 예측하고 있다. 2022년도에 총생산능력은 490만 톤이었으나 실제생산은 450만 톤이었다. 그러나 여전히 전 세계 석유유래의 고분자의 1%에 불과하다. 

또 다른 보고서인 Tecnon OrbiChem사의 ‘Bio-Materials’ 보고서에 따르면, 2022년도에 전 세계 폴리에틸렌(PE) 생산량은 216백만 톤이었고 에탄올 발효에 의한 PE는 모두 브라질의 Braskem사에 의해 생산되는데 연산 26만 톤 규모이고 2030년까지 백만 톤까지 확장할 계획이다. 비석유계에서(이산화탄소, 열분해오일, 바이오납사, 폐기 식용유를 원료로) 생산되는 에틸렌도 전 세계적으로 성장추세이다. 

바이오기반 폴리머의 생산능력은 14%의 연성장률을 보이며 2027년도에 9.3백만 톤으로 증가할 것으로 보이는데 일반적인 고분자의 성장률인 3~4%에 비해 상당히 높은 수준이다. 그 가운데 PHA 계통은 연성장률이 45%, PLA는 39%, Polyamide(PA)는 37%, 바이오기반 PP는 34% 성장을 보일 것으로 예측했다. 유럽에서 바이오PE는 2027년까지 18% 성장할 것으로 보인다.  

대륙별로 분포를 살펴본다면 아시아는 바이오기반 폴리머의 성장에 있어서 가장 큰 부분을 차지하는데, PLA와 PA로 인해서 전체 바이오기반 폴리머비중에서 41%를 차지한다. 유럽이 27%를 차지하는데 주로 전분기반의 고분자컴파운드, 그리고 PP, PE이다. 북미는 19%를 차지하는데 북미에 PLA와 PTT(Polytrimethylene terephthalate) 생산시설이 있기 때문이다. 바이오기반 PE시설이 있는 남미가 13%를 차지한다.

또한 최근 네덜란드의 Avantium사의 바이오기반 PEF(Poly-ethylene Furanoate)의 상업화, 독일 UPM Biochemicals의 바이오기반의 PET의 모노머 ethylene glycol의 상업 공장 건설, 미국 Origin Materials사의 PET의 또 다른 바이오기반 모노머 terephthalic acid의 상업 공장 건설, 미국 Origin Materials사의 PET의 또 다른 바이오기반 모노머 terephthalic acid 공장의 상업 공장 건설 등으로 느리지만 꾸준한 (slow but steady) 성장을 하고 있다. 

 

 

이 nova-Institute의 보고서에서 더 흥미로운 점은 원료(feedstock)의 경향과 바이오기반 모노머에 대한 업데이트이다. 바이오납사(bio-naphtha)의 경우 매스밸런스(mass balance 방식; SABIC을 비롯한 글로벌 화학회사들과 국내에서는 LG화학을 포함한 대부분의 거대 화학기업들이 이 접근법을 사용하고 있으며, International Sustainability and Carbon Certification-ISCC-에서 인증을 하고 있음)를 이용한 폴리머가 급격히 증가하고 있다는 것이다. 화학적 리사이클이나 바이오기반 원료(feedstock)의 제조 공정에서 혼합되기 때문에 물리적으로 바이오기반 혹은 리사이클 된 양을 실제적으로 그리고 경제적으로 따로 분리해서 생각한다는 것은 현실성이 없다. 따라서 이러한 매스밸런스 접근방식은 가치 사슬에서 순환(리사이클) 혹은 바이오기반의 양과 지속가능성을 추적하고 기록하는 것을 가능하도록 한다. 주로 유럽과 아시아에서 이 방식이 많이 사용되고 있다. 이 보고서에는 매스밸런스와 추적 방식에 대한 전문가 의견을 제공하면서 포장재와 포장재의 폐기물 규정에 대해서도 다루고 있다. 그리고 스타트업과 다국적 기업들 200여개에 대한 자세한 내용이 담겨져 있다. 
 

 

PHA의 성장잠재력과 응용 분야

PHA의 상업화는 아직 초기단계이다. 그러나 전 세계 생산능력에 있어서는 가장 빠르게 성장하고 있다고 nova-Institute는 보고하고 있다(nova-Institute는 2016년도에 같은 제목-Bio-Building Blocks and Polymers-의 보고서를 낸 적이 있다). 상당히 많은 투자에도 불구하고 산업화를 향한 장애물들이 있어서 생산 능력의 성장을 막고 있는 것이 사실이다. 

생산 능력이나 생산 볼륨이 적은 것은 상대적으로 생산가격이 높기 때문인데, 대량생산되는 석유계플라스틱과 가격만으로 경쟁해야 하는 PHA에게는 도전이라고 할 수 있겠다. 그러나 순환경제를 생각한다면 PHA는 시장에서 새로운 고분자로서 독특한 성질과 성능으로 최종 소비자로부터 수용되면서, 특정응용이나 틈새(niche) 시장을 포함하여 시장규모를 키워가게 될 것으로 보인다. PHA가 활용될 수 있는 분야는 소비재제품, 농업, 포장, 가구, 화장품시장 등이 될 것이다.

RCI(Renewable Carbon Initiative)를 주창하고 있는 nova-Institute에서는 생분해성 고분자를 이용한 10가지 분야에 대한 연구를 통해 ‘Bio-Sinn’* 이라는 보고서를 2021년도에 발표했다. 이 보고서는 독일의 식품농업부가 지원하여 이루어졌는데, 사용 후(end-of-life, EOL) 생분해성이 중요한 결정인자가 되는 응용분야와 제품을 조사했다. 선택의 기준은 제품을 다시 수거하기가 어렵거나 다른 유기성 폐기물에서 분리 혹은 재료의 리사이클링이 불가능한 경우, 혹은 수거가 경제적이지 않거나 실제로 수거가 일어나지 않는 경우를 가지고 선정했다.  

또 하나의 기준은 미세플라스틱이 환경에 배출되는 것을 막아야 하는 경우에 생분해성 고분자재료를 통해 이를 방지할 수 있는 경우이다. 이 조사 프로젝트의 결과를 브로슈어 형태로 발표하여 산업계와 정치계에 있는 정책 결정자들 뿐 아니라 일반 대중이 참고할 수 있도록 하였다.  이 소책자에는 25가지의 정보와 생분해에 대한 배경정보가 자세히 수록되어 있다. 

각 제품에 있어서 이 소책자에서 어느 정도까지 생분해성이 고려해야 할 대안이 될지를 설명하고 있으며 보다 더 지속가능한 재료의 사용을 위해서 다른 기술적 대안들이 어떤 것이 있는지도 다루고 있다. 또한 정치적인 정책을 결정할 때, 각 제품에 특정하여 구조적인 조건들과 규제사항들에 대해서도 강조하고 있다. 

처음으로 독일과 유럽에서 시장볼륨에 대해서 조사와 예측이 이루어진 것이다. 25가지 응용에 대해서 살펴보았을 때 독일에서는 17만 톤, 그리고 유럽연합에서는 1백만 톤이었는데 환경으로 배출되는 것이 가장 많은 부분을 차지했다. 이러한 분야에서 생분해성이 중요한 환경적 혜택을 가져다주게 될 것이라고 보고서는 예측하고 있다. 이러한 응용영역에서 PHA가 중요한 역할을 할 수 있을 것이다. 

 

PHA의 종류와 물성

PHA의 물성은 단단한 열가소성 수지로부터 탄력이 있는 엘라스토머에 가까운 물성을 나타내는 종류도 있다. 이러한 물성은 발효에 사용하는 원료, 미생물종류, 발효조건에 따라 조절이 가능하다.  

가장 흔한 PHA로는 poly(3-hydroxypropionate, LG화학) (PHP), poly(3-hydroxybutyrate) (PHB), poly(3-hydro-xyvalerate) (PHV), poly(3-hydroxyhexanoate) (PHH), poly(3-hydoxyoctanoate) (PHO) 등이 있고 이들의 공중합체들도 가능하다. 이 가운데서 가장 주요한 폴리에스터로는 homopolymer인 PHB이다. 이는 높은 결정성을 보이며 polyethylene(PE)이나 polypropylene(PP)과 같은 물성을 보인다. 그러나 PHB는 낮은 핵 밀도를 보이기 때문에 커다란 구정(spherulite)을 가진 미세구조를 가지고 있어서 기계적 성질에 악영향을 주어 쉽게 부서지는 성질을 갖게 된다. 이러한 단점을 공중합체를 통해 극복할 수 있다. 

공중합체로 대표적인 PHA로는  poly(lactate-co-3-hydroxypropionate)(PLH, LG화학이 개발), poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) (PHBV), poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyhexanoate) (PHBHx, Kaneka사가 개발), 그리고 poly(hydro-xybutyrate-co-hydro-xyoctanoate) (PHBO)가 있다.  

PHA는 각 정부에서 매립에 대한 제한을 두고 있는 상황에서 사용 후 폐기에서 장점을 가지며 특별히 유럽에서는 순환경제를 향한 강한 움직임 때문에 독특한 장점을 가지고 있다. PHA는 토양, 민물, 해양에서 퇴비화가 되고 분해가 된다. 다른 생분해성 고분자들은 퇴비화가 되지만 해양환경에서는 수천 년 동안 분해가 되지 않는다. 이러한 성질과 생분해를 위한 조건에서의 독특성은 해양에서의 플라스틱오염에 대한 우려가 높아지는 가운데 주목할 만하다. 그러나 현재 시장에서는 환경에 대한 고려는 없이 오로지 가격에 의해서만 경쟁해야만 되는 상황이다.  

 

GO!PHA 

이러한 변화를 가속화하기 위해서 이제 갓 태어났다고 해도 과언이 아닌 PHA 관련 산업은 연계를 통해 성장을 추구하고 있다.

이러한 PHA의 소재로서의 장점을 살리고 상업화에 있어서의 장애물을 함께 극복하기 위한 협회 형식의 기관도 출범하였다. The Global Organisation for PHA (GO!PHA,  https://www.gopha.org/) 라는 협회로서 비영리, 회원기반의 기관으로서 PHA-플랫폼 산업의 발전을 가속화하기 위해서 출발하였다. 

 

아래 그림은 PHA 관련 산업에 종사하는 기업, 학계, 연구기관들의 협력체인 GO!PHA에서 발표한 PHA 플라스틱의 생산과 사용폐기의 전 과정이 순환경제에서 어떻게 작동하는지를 보여주는 좋은 예이다. 

GO!PHA에는 현재 PHA에 대한 교육, 기술 데이터베이스, PHA 관련 논문, 출판 및 행사 소식 등을 통해서 회원들에게 정보와 편의 서비스를 제공하고 있다.  

PHA의 전문가라고 할 수 있는 Jan Ravenstijn은 GO!PHA의 공동창립자로서 활동에 적극적이다. Ravenstijn에 따르면 PHA의 가능성은 매우 크다. 이 보고서는 바이오플라스틱 특별히 PHA 업계에 종사하는 개발자, 생산자, 누구보다 사용자들에게 최신 정보를 제공한다. 이 보고서에 기술된 회사들에 대한 정보들은 과거 20년간 PHA분야에서 활발하게 활동했던 Jan Ravenstijn 교수의 작품으로 그는 PHA산업계의 연합 모임인 GO!PHA (네덜란드 암스테르담에 본부를 둔 Global Organization for PHA, http://www.gopha.org) 의 공동 발기인이기도 하다. 

 

보고서에서 Jan Raventijn은 앞으로 6년 내에 PHA의 생산량이 10배 증가하게 될 것이라고 예측하고 있다. 다양한 PHA 생산 회사들, 그리고 이를 전환하여 제품으로 연결하는 예들이 최근 들어 급격히 증가하고 있다. 

GO!PHA에서는 PHA 샘플 shop도 운영하고 있다. 이는 네덜란드의 PHA 기업인 Helian Polymers사가 담당하고 있는데 현재는 PHB와 PHBV를 제공하고 있다. 

현재 미국의 Danimer Scientific, RWDC Industries, 프랑스의 Total, 중국의 ENMAT, BluePha, PhaBuilder, 뉴질랜드의 연구소 기업 SCION, 한국의 CJ, 스위스의 고급 필기구 기업인 Prodir, P&G, Kimberly Clark, 펩시콜라와 같은 브랜드오너 기업 등 다수의 PHA 생산기업, 가공기업, 유통기업들이 참여하고 있으며, 스페인의 AIMPLAS, 호주의 Queensland대학, 네덜란드의 Wageningen대학의 University Research (WUR)과 같은 학교들도 참여하고 있다. 

유연한 기계적 성질과 함께 사용 후 환경에 대한 영향이 없다는 것은 PHA에만 유일하기 때문에 바이오 순환경제에 있어서 가장 잘 맞는 생분해성 플라스틱이라고 할 수 있을 것이다. 1980년대 후반에 PHBV에 대한 산업화를 향한 노력이 있었다. 당시 Metabolix사가1990년대에 PHBV에 대한 초기특허를 출원했다. 

 

아래의 그림은 가장 일반적인 PHA인 PHBV와 관련된 지난 40년간의 특허출원 추이와 특허출원인, 그리고 나라별 특허출원상황을 보여준다. 

 

지난 수십 년간 꾸준히 특허출원이 늘고 있으며 Metabolix, Kimberly-Clark, The Procter & Gamble Company (P&G), Monsanto, BASF, Kaneka, Eastman Chemical, Zeneca, PHB Industrial, Arkema, MERCK 등 거대 다국적 회사들도 참여할 뿐 아니라 중소기업들도 참여하고 있음을 보여준다. 

10개의 상위기업들은 소비재, 플라스틱, 일용생활용품, 농업, 화학, 제약회사들이다. 주요한 회사들은 미국, 중국, 일본 회사들이며 캐나다, 한국, 대만, 독일, 프랑스가 뒤를 따르고 있다. 많은 연구개발과 함께 지적재산권의 확보에도 불구하고 생산스케일과 산업화 및 PHA 제품에 대한 시장은 초기단계라고 볼 수 있을 것이다. 

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