본 연재와 이어지는 연재에서는 PHA의 생산에 사용될 수 있는 다양한 유기성 폐자원을 살펴보게 될 것이다. 이를 통해 순환경제에 있어서 어떻게 PHA가 공헌할 수 있는지를 살펴볼 것이다. 그리고 이어서 생분해가 되는 PHA 고분자를 환경에서 분해되도록 하는 방법이 아닌 회수하여 자원화 하는 방법에 대해서도 알아보며 지속가능한 순환경제를 가능하게 하는 PHA의 잠재력에 대해서 살펴보고자 한다.

 

 

최근 독일의 Renewable Carbon Initiative(RCI)가 발표한 보고서를 통해 Food & Feed Crops (FFC, 식량과 사료를 위해 재배되는 작물들)을 이용해서 바이오케미칼을 생산하는 것이 식량 안보와 충돌된다는 견해에 대해서 반대의 입장을 밝혔다(2023, 6월). 그보다는 오히려 FFC를 이용하여 바이오기반(biobased) 화학제품을 만들 경우에 기후변화 완화, 토지의 생산성 향상, 환경적 이점, 농부들에게 경제적 안정 제공, 시장의 안정화, 사료와 식량의 안전을 확보할 수 있을 것이라는 보고를 하고 있다. European Bioplastics가 2023년 4월에 발표한 자료에 따르면 2027년에 바이오 플라스틱 생산에 필요한 토지는 전체 토지의 0.058%에 불과할 것이라고 밝혔다.

1. 기후변화 완화:

화석원료로부터 바이오 기반의 소재로 전환하는 것은 세계 기아의 주된 원인이 되고 있는 기후변화의 영향을 줄이는데 기여한다.

2. 토지의 생산성 향상:

토지에 대한 경쟁은 어떤 종류의 작물을 심을 것인지가 아니고 토지 자체에 대한 경쟁이다. FFC는 높은 산출율(yield)을 보이며 다양한 제품들을 제공하면서 토지사용의 효율성을 최적화하게 된다.

3. 환경적 이점:

개선된 농업 기술들은 토양의 건강과 생태계를 보호하면서 자원의 효율성과 생산성을 높이면서 환경적으로도 도움이 된다.

4. 농부들에게 경제적 안정 제공:

FFC를 통해서 다양한 시장(식품, 사료, 바이오연료, 바이오소재)의 제품들을 생산함으로써 농부들에게 더 많은 선택권을 부여하면서 경제적 안정과 투자가 늘어나며 경작 가능한 토지가 더 많아지게 될 것이다.

5. 시장의 안정화:

전 세계적으로 FFC의 재배가 더 많아지면서 부족과 투기 현상이 줄어들게 될 것이다. 바이오연료와 바이오기반 소재들이 식품 가격에 대한 의존성도 미미하게 될 것이다.

6. 사료의 안정성:

FFC로부터 단백질이 풍부한 동반 제품들은 사람에게 단백질을 제공하면서 사료의 안정성을 높여주게 될 것이다.

7. 식량의 안정성:

위기에 대비해 저장하고 유통할 수 있는 식량이 늘어나게 되면서 공급 사이클에서 촉발되는 지역의 기아문제들의 위험을 줄여주게 될 것이다.

 

이 보고서의 저자들은 바이오 재료 생산을 위한 어떤 원료의 고려에 있어서 사회적, 환경적, 가격의 효과들(Triple Bottom Line-TBL-People, Planet, Profit, John Elkington, 1994)을 함께 통합적으로 생각하는 방향에 우리가 더 집중해야 하여야 할 것을 주문하고 있다. 저자들은 단순한 주장들에 반대하면서 보다 더 포괄적인 토론을 통해서 식량 안전과 함께 FFC로부터의 바이오기반 소재들의 가능성을 균형 있게 다룰 것을 요구하고 있다.

결국, FFC를 이용해 바이오기반 소재를 생산하는 것은 매우 복잡하기 때문에 상세한 분석을 요구한다는 것이다. 

지나치게 단순한 주장은 진짜 중요한 원인들에 대한 대책을 세우지 못하게 할 뿐 아니라 더 지속가능한 소재와 기후변화 완화에 기여하는 혁신적인 산업들의 가능성을 축소할 수 있다. RCI는 신중하면서도 증거에 기반한 논의를 통해서 식량안전과 바이오기반 소재의 장점을 균형 있게 다룰 것을 권면하고 있다.

현재 바이오플라스틱 PLA나 새롭게 등장하는 PBP들 그리고 에탄올 기반의 바이오 연료들은 식량 자원을 이용하여 생산되고 있다. 그러나 바이오플라스틱 생산에 있어서 토지 의존도를 더 낮추는 길은 리그노셀룰로스 (lignocellulose) 즉 식량부분이 아닌 비 식량 자원을 이용하여 바이오플라스틱을 생산하는 방법이라고 할 수 있다. 이와 함께 유기성 폐기물인 폐수를 이용한 생물제조에 대한 관심도 높아가고 있으며 PHA의 생산에도 이러한 예들이 증가하고 있다. 

 

식품 가공 폐수를 이용하여 생물제조를 도모하는 Hyfé사

최근에 폐기물을 가치 있는 물질로 전환(waste-to-value)하는 회사인 Hyfé사는 환경문제를 해결하면서 경제적 이익을 가져다주는 관점과 기술로 식품 가공 폐수를 지속가능한 원료와 깨끗한 물로 전환하는데 선구자가 되고 있다. 최근에 다양한 투자사들로부터 9백만 달러의 투자를 받게 되었다. 이 투자 금액으로 인력을 보강하고 파일럿 규모의 실증 공장을 짓게 될 것이다. 생물제조 (Biomanufacturing)는 식품, 연료, 소재 및 화학제품을 생산하는데 새롭게 떠오르는 기술이라고 할 수 있다. 

2030년까지 연간 3기가 톤의 탄소 저감을 가져오게 될 것이라고 예측한다. 그러나 화석연료에 지나친 의존성, 가축 사육에 기반한 농업, 그리고 산림파괴 등을 가져오는 기존의 공정들과 비교해서 가격 우위를 보여주는 것이 해결해야 할 과제이다. 넘어야 할 장애물 가운데는 가격과 함께 이러한 생물제조를 뒷받침하는 당 원료(sugar feedstocks)를 어떻게 얻을 것인가? 에 대한 문제가 있다. 앞으로 10~20년간 바이오경제에서 요구되는 포도당의 수요는 공급을 앞지를 것으로 예상되고 있다. 

따라서 가격도 싸면서 경쟁이 덜한 원료로서 미 활용되는 폐기물 안에 있는 탄소원을 들여다보는 것은 기존의 농업시스템에 영향을 덜 주는 방법이 될 것이다. 

Hyfé사의 공동창업자이자 CEO인 Michelle Ruiz는 “생물제조는 많은 지구적인 문제들을 해결할 수 있지만 경제적으로 가능성이 있다는 것을 보여주어야 한다” 라고 강조하면서 “우리의 혁신적인 방법은 바이오경제로 전환하는 시점에서 바이오경제에서 근본적인 문제를 해결할 수 있을 것입니다. 우리는 현재 마치 증기기관의 출현, 과학의 태동과 대량생산, 그리고 디지털 혁명과 같은 역사적인 전환점에 서 있습니다”라고 말한다. 

고체형태의 식품 및 농업 폐기물을 전환하는 다른 회사들과는 달리 Hyfé는 식품 가공 폐수로부터 새로운 원료를 창출하면서 폐수처리와 발효를 이용한 폐기물의 고부가가치화에 전문성을 가지고 있다. 식품 가공 폐수를 이용하게 될 때, 식품 및 음료 회사들은 폐수처리 비용을 줄이고, 물의 재사용 비율을 향상시키면서, 물에 대한 탄력성을 높이면서 전체적으로 공정비용을 줄일 수 있게 된다.

생물제조회사들은 보다 더 지속가능하며 경제성 있는 원료들을 통해서 발효공정의 운전비용을 줄이고 공급망의 안정화를 도모할 수 있을 것이다. 공급 망에 있어서 탄소를 덜 배출하는 제조방법의 장점을 살리면서 높은 유기물 함유 폐수 처리를 해야 하는데서 벗어날 수 있다. 폐수 처리에서 메탄, 이산화탄소, 질소 산화물, 황산화물 형태로 전 세계 온실 가스 배출에서 1.5%를 차지한다.

Hyfé사의 기술은 폐수의 영양분을 생물 공정에서 대사가 가능한 원료로 사용함으로써 대체 원료에 있어서 문제점들 -조성의 변화, 양, 데이터의 부족- 을 해결하고자 한다. “미래의 바이오경제의 규모는 4조 달러에 이를 것으로 예상되며 30조 달러에 달할 수도 있습니 다. Hyfé사는 생물 제조에 있어서 문제가 되는 원료 문제를 해결하고자 하는 선구자로서 역할을 하게 될 것입니다”라고  공동창업자이자  이사회의  일원인  Rosie Wardle는 덧붙인다. 이미 캐나다의 Genecis사, 네덜란드의 Paques Biomaterials는 폐수 처리장의 유기성 폐자원을 생물제조의 한 예인 PHA의 발효 생산을 위해서 실제적인 규모로 가능성을 보여주고자 하는 회사 

들이다.

리그노셀룰로스를 이용한 PHA생산의 기술적 도전

석유자원에 대한 지나친 의존은 환경문제로 귀결되며 이제 어떻게 지속가능한 순환경제로 옮겨갈 것인가에 더 많은 관심을 두어야 할 때이다. 식량 바이오매스가 아닌 비식량 바이오매스인 리그노셀룰로스를 플라스틱 원료로 사용함으로써 폐기물 플라스틱으로 인한 환경문제를 줄일 수 있을 것이다.

영국의 맨체스터 대학의 James Winterburn 교수 연구 그룹은 미생물을 이용한 유기성 폐자원의 고부가가치화 연구와 상업화에 있어서 세계에서 앞서가는 연구팀이다. 이미 Holiferm이라는 회사를 통해서 Sophorolipid라는 생물 계면활성제(biosurfactant)의 상업화 공장을 건설하며 응용을 개척하고 있다. James Winterburn 교수 연구 그룹의 또 하나의 관심 분야는 PHA이다. 

PHA는 재생 가능한 원료 혹은 재활용 폐기물을 원료로 미생물이 생산하는 바이오플라스틱으로 생분해가 가능한  폴리에스터이다. 그러나 효과적이며 지속가능한 PHA 생산 공정의 스케일업은 여전히 도전적인 과제로 남아 있다. James Winterburn 교수 그룹은 폐기물 바이오매스 가운데서 리그노셀룰로스 형태의 바이오매스를 이용한 순환경제 성취의 한 예로서 PHA에  관심을 가지고 있다. 부상하는 환경 친화적인 바이오매스 전환 기술에 있어서 소요되는 에너지, 생산 비용 그리고 지속가능성의 관점에서 리그노셀룰로스에 기반한 바이오리파이너리에서 PHA를 생산하는 것에 대해 집중해서 살펴보고 있다. 더구나 최근의 합성 생물학 

그리고 대규모 발효시설의 건설 등이 이러한 접근 방식의 가능성을 높여주고 있다.

생물반응기의 설계, 분리 공정, 그리고 지속가능한 PHA 생산에 있어서의 일관적이지 않은 원료 등의 문제는 리그노셀룰로스를 원료로 하여 PHA(다른 바이오 소재 생산도 포함하여)를 생산하는데 있어서 극복해야 할 문제로 지적하고 있다(Valorization of Lignocellulose by Producing Polyhydroxyalkanoates under Circular Bioeconomy Premises: Facts and Challenges, ACS Sustainable Chem. Eng. 2022, 10, 16459-16475).

 

다른 바이오기반 혹은 생분해 고분자들과 PHA의 혼합 (블렌딩)

혼합(blending)을 통한 PHA의 물성 변화는 간단하지만 효과적인 방법이라고 할 수 있다. 이를 통해 모체가 되는 성분의 단점을 극복할 수 있다. 고분자 블렌드의 물리적 기계적 성질은 출발물질을 잘 선택하고 블렌드의 조성과 가공조건을 바꾸어줌으로써 조절할 수 있다. 생분해가 되는 혼합은 PHA에 새로운 성질을 부여하게 된다. 이러한 혼합은 많은 관심을 모으고 있다. 

저렴한 비용의 기존 기술을 사용하면서 높은 응용 개발이 가능하여, 환경에서 분해되는 플라스틱 수지 및 생체 내에서 흡수되는 의약용 봉합사까지 다양하게 응용될 수 있다.

최근 CJ제일제당의 PHA 계열의 PHACT와 NatureWorks사의 PLA 혼합을 통한 새로운 응용의 개척의 예에서 이러한 혼합의 가능성을 잘 보여주고 있다. 또한 PLA를 생산하는 Total Energies Corbion사가 중국의 PHA 생산기업 BluePha와 2023년 5월 협력하기로 발표한 것도 이러한 맥락에서라고 볼 수 있을 것이다. PHA와 다른 생분해가 가능한 고분자와의 혼합은 PHA의 성능을 상당히 증진시킬 수 있다. 더구나 다양하게 생산되고 있는 PHA에 지속가능하게 생산되는 천연의 물질이나 생분해가 가능한 합성 고분자를 혼합한다면 사용 후 수거하여 바이오가스의 생산과 같은 물질로 순환시킴으로서 순환경제에도 기여하는 바가 클 것이다.

 

PHA와 리그닌(lignin)의 혼합

여기에서는 PHA와 리그닌을 혼합한 경우를 살펴보고자 한다. 식품 포장에서 생물기반의 고분자를 사용할때 생분해성을 가지면서 필요한 성질과 기능성을 향상시키는 것이 과제이다. 이를 위해서 다양한 천연의 고분자를 첨가하는 것이 한 방법으로 등장하고 있다.

리그닌은 제지 산업에서 발생하는 풍부한 자원으로서 최근 들어 부가가치가 높은 제품으로의 응용이 관심을 모으고 있다. 리그닌은 항균, UV 차단 및 항산화 기능을 가지고 있는 물질이다. 이렇게 리그닌을 생물기반의 고분자에 혼합 (첨가) 했을 때 기계적 그리고 기체 차단 성능이 변화할 수 있을 것이다. 그러나 리그닌을 이러한 목적으로 사용할 때는 리그린의 분자구조가 단일하지 않고 나무(혹은 잘못)의 종류에 따라 복잡한(heterogenous) 리그닌 자체의 성질이 문제가 된다. 그럼에도 불구하고 리그닌을 바이오기반의 고분자의 상업화에 있어서 유용하게 사용하고자 하는 관심들이 점점 증가하고 있다. 이로 인해서 식품 포장 재료로부터 

의 폐기물을 줄일 수 있기를 희망하고 있다. 리그닌은 비결정성의 고분자로서, phenylpropane이 반복되는 구조이며 방향족, 지방족에 결합된 -OH를 다수 보유하거나 carboxylic acid를 가지고 있다.

리그닌은 이러한 작용기들과 함께 비결정의 특성들로 인해서 PHA의 혼합에 있어서 매우 좋은 후보 물질이라고 할 수 있다. 리그닌은 비결정형으로 인해서 커다란 구립(spherulite)의 결정 형성과 2차의 핵형성을 막아준다. 이러한 구립의 구조가 형성될 때 물질이 쉽게 깨어지기 쉽다(PHB가 이러한 성질을 가지고 있음). 

이전의 연구들을 통해서 organosolv lignin이나 butyrate 유도체가 PHB와 잘 섞이면서도 PHB 결정화의 속도를 상당히 늦추는 것을 보여주었다. 리그닌 입자들이 PHB 결정화에 영향을 미치는데 순수한 PHB와 PHB/lignin 혼합한 것을 비교할 때 리그닌이 존재함으로 인해서 결정화 시간이 반으로 줄어드는 결과를 보여주었다. PHB/lignin 혼합을 통해 등온 결정화가 순수한 PHB에 비해서 좋다는 것을 알 수 있다. 이는 리그닌을 첨가함으로 인해서 PHB 구립의 성장이 증가하여 구립의 크기는 감소하며 구립의 숫자가 증가한다. 리그닌 입자를 PHB의 결정화에 영향을 줄 수 있는 새로운 핵제(nucleating agent)로서 사용할 수 있다. 또한 soda lignin을 PHB에 혼합한 경우에 PHB의 열안정성을 향상시키는 결과도 발표되었는데  soda lignin은 PHB의 초기 분해 온도를 줄이는 것으로 보인다. TGA, DSC, SEM 분석들을 통해 40%의 soda lignin을 첨가할 때 PHB와 soda lignin사이의 분자 간 상호작용이 최고 

에 달한다는 것을 보여주었다.

여러 종류의 리그닌들이 각 시스템에서 최적의 농도를 가지고 있기에 함량에 따른 최적화가 필요함을 알 수 있다. 이러한 분자 간 상호 작용은 리그닌 내부의 반응성을 가진 작용기들과 PHB의 carbonyl기(C=O) 사이에 발생하는 것으로 생각되어진다. 이로 인한 혼합 고분자들의 생분해 거동을 살펴볼 때, 순수한 PHB 필름은 12시간 안에 45%의 바이오매스가 감소했다. 그러나 리그닌이 10% 존재할 때는 바이오매스 감소가 12%에 이르러서 리그닌이 생분해의 저해 작용을 일으키는 것을 보여준다. 미생물이 군집을 만들어 작용하는 것을 방해하는 요소로 작용하는 것이다. 추가 분석을 통해서는 리그닌이 PHB와 강한 수소 결합을 형성하여 

혼합물의 빠른 분해를 저해하는 것으로 나타났다. 

최근에는 PHA를 이용한 내구재의 생산을 위한 연구가 활발하다. 재사용은 이제 플라스틱의 순환경제 및 폐기물관리에서 두 번째를 차지하게 되었기 때문이다. 

비록 최근 PHA 상업화를 위해 달려가는 회사들은 PHA의 생분해성을 장점으로 내걸며 나가고 있지만, 탄소 배출의 측면에서 재활용의 문제는 PHA 기반의 플라스틱에도 예외는 아니기 때문이다. 프랑스의 공공 연구기관인 INRAE는 최근 PHA의 일종인 PHBV를 재사용(reuse) 하기 위해서 gallic acid, quercetin과 같은 저분자의 폴리페놀(리그닌도 폴리페놀임)을 첨가하여 세척 조건에서 안전성과 구조적으로 안정하게 사용할 수 있는지를 조사했다. 먼저 생분해 실험에서는 gallicacid, quercetin 첨가로 인해서 생분해가 저해되었다. 

 

식품 접촉-세제 세척-식품 접촉과 같은 전체 사이클에서 그리고 물-세제-NaOH수용액의 순서로 두 가지로 나누어서 실험한 결과, 물의 경우는 10% 에탄올, 그리고 3% 초산에서는 안정하였으나, 1wt% NaOH 수용액에서는 표면이 떨어져 나가는 현상이 발견되었다.

PHA뿐만 아니라 PLA, PBAT와 다양한 리그닌과 그 유도체들의 혼합에 대한 연구도 활발하며 리그닌 외에도 밀집, 대나무 등 다양한 바이오매스를 생분해 고분자의 매트릭스 안에 포함하여 비용을 줄이고 탄소배출을 줄이고자 하는 노력들과 상업화의 예들은 앞으로도 계속 증가할 것으로 보인다.