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지속가능한 플라스틱① : PHA _박오진 (주)리그넘 연구소장/사업개발 담당
[플라스틱사이언스] 기사입력 2023-01-13 19:35:18

기획연재(企劃連載) ①
지속가능한 플라스틱 : PHA
글. 박오진 (주)리그넘 연구소장/사업개발 담당
 

플라스틱은 현대사회를 가능하게 하는 발견이라고 할 수 있다. 그러나 화석연료에 대한 의존성, 그리고 사용 후 폐기의 문제에 있어서 또 환경적인 문제에 있어서 플라스틱은 그 중심에 있다고도 볼 수 있을 것이다. 플라스틱이 소재로서 갖는 경량성, 심미성, 그리고 뛰어난 성능은 현대 사회를 가능하게 하는데 일조하였다는 것을 부인할 수 없다. 그러므로 현대 사회도 플라스틱이 떠받들고 있는 것이라 해도 과언이 아닐 것이다. 그러나 이제 플라스틱은 심심치 않게 지구 환경과 인류의 건강을 위협하고 있다. 이에 우리는 본 연재를 통해 플라스틱이 갖고 있는 본연의 물질을 이해하고 분석하며 더불어 살고 물려줄 수 있는 지속가능한 플라스틱으로의 해답을 찾아 나가고자 한다.
 
 
생분해가 되는 폴리에스터 기반의 바이오플라스틱 가운데서 PLA, PBAT, PBS, PCL, PHB들은 생분해가 되는 물질들로 일찍이 환경 친화적인 물질로 여겨지고 있다. 그 가운데 자연에 존재하는 PHA류의 고분자들은 미생물이 성장하면서 탄소원이 풍부할 때 저장 물질로 세포 내에 축적하는 폴리에스터류의 고분자이다. 이 PHA 물질은 셀룰로오스, 전분, 단백질과 마찬가지로 재생 가능한 원료 기반(bio based)이면서 생분해(bio degradable)가 가능하다. 
 
20세기는 석유의 시대라고 해도 과언이 아닐 것이다. 반도체, IT정보의 혁명도 석유화학 에너지 기반으로 이루어진 것이라고 볼 수 있을 것이다. 석유 기반의 플라스틱 생산은 1960년대 이후 20배가 증가하였다. 현재 플라스틱은 대량 화학제품 가운데 가장 생산 증가 속도가 빠르고 온실 가스 배출의 4.5%를 차지하고 있다. 지금 조치를 취하지 않는다면 2050년까지 현재에 비해서 생산량이 두 배가 늘어나고 2100년까지는 3배가 늘어날 것이며 이에 따라 이산화탄소 배출도 늘어날 것이라고 예측하고 있다. 생산과 함께 플라스틱 폐기물도 증가하고 있다. 석유계 플라스틱들은 환경에 잔류하여 환경오염의 주범이 되고 있는 것이다. 
이러한 플라스틱에 대한 염려와 위협에 대해서 답을 구하는 가운데 빨대에 코가 걸린 거북이와 같은 주의를 환기시키는 뉴스 기사들이 대중매체에서 심심치 않게 등장하기도 한다. 최근 네이처 잡지의 자매지들에서도 이러한 플라스틱으로 인한 문제와 해결책을 심도 있게 다루고 있다. 
 

 
<Nature Reviews : Materials>에서는 2022년 3월, 그리고 <Nature Reviews : Earth & Environment> 잡지에서는 2022년 11월에 플라스틱 문제에 관한 특집 논문들을 실었다. 소재(Materials)와 지구와 환경(Earth & Environment)이 매우 밀접해서 이 잡지들이 다룬 주제는 다양하여 각각 ‘Focus on Plastics’, 그리고 ‘Plastics in the environment’ 라는 제목 하에 몇 가지 논문들을 실었다. 특별히 <Nature Reviews : Materials> 잡지의 3월호에 발표된 논문들은 아마존(Amazon)사가 후원하는 논문들이었다. 
특히 해양에서 발견되는 플라스틱 섬과 파도에 밀려오는 해안가의 플라스틱에 대한 보도는 우리로 하여금 새로운 대안을 찾도록 요구하고 있다. 연간 900백만 톤의 플라스틱이 해양으로 유입되고 있고 멸종위기에 처한 종을 포함하여 700종의 해양 생물이 이러한 플라스틱을 먹거나 플라스틱으로 인해서 고통 받고 있다고 알려져 있다. 해양에서 유입되는 플라스틱은 2050년까지 3배에 이를 것으로 과학자들은 예측하고 있다. 해양 생태계에 유입되는 플라스틱의 위기는 우리 모두에게 영향을 미치며 지구표면의 생명체와 해양의 생명체를 위협하고 있다. 따라서 이제 대책을 세우고 실천해야 할 때가 왔다. 우리는 함께 우리의 지구를 보호하고 해양을 보전하며 미래 세대에 안전하고 건강한 환경을 물려주어야 할 것이다. 
 
문제해결의 다양한 솔루션
플라스틱의 순환과 폐기를 둘러싼 사회경제학적 측면은 매우 복잡하다. 사람들은 부적절한 폐기가 플라스틱 공해의 가장 중요한 요인이 되고 있다고 널리 인식하고 있으나 소비자들의 잘못된 행동양식 또한 플라스틱 공해에 기여하는 요인이라고 할 수 있다. 대량 생산이 가능한 지속가능한 플라스틱의 생산이라는 대안을 내놓지 않는 이상 소비자들의 잘못된 행동약식을 탓할 수만은 없다. 지속가능한 플라스틱의 생산이야말로 플라스틱 공해를 해결하는데 있어서 필수적인 요소라고 할 수 있다. 
사업가들(entrepreneurs)은 이러한 해양의 플라스틱 문제를 해결하기 위해서 이를 기회로 삼기도 한다. 최근 삼양사-넷스파는 폐어망으로부터 나일론을 재생하는 사업 모델에 관해서 협력을 하기로 했다.
사업가들은 해양 플라스틱 문제를 해결하는데 지속가능하지 않은 시스템 안에서 비즈니스 모델을 개발하는데 어려움을 겪고 있다. 그러나 해양 플라스틱 사업가들은 이러한 문제들을 대하면서 자신들의 비즈니스 모델을 뛰어 넘어 파장이 큰 사회적 변화를 만들어낼 수 있을 것이다.
플라스틱 문제를 해결하는 데는 사회의 여러 측면에서 다양한 솔루션을 요구한다. 그것은 규제에 관한 법률과 정책, 새로운 비즈니스, 소비자들의 소비 행태의 변화 등과 같은 것들이 솔루션이 될 수 있다. 새로운 제품(product)이나 기술(technologies)와 서비스(service)를 가지고 대안적인 미래를 보여주는 개척자들로서 기업가들은 이러한 변화의 주역들이라고 할 수 있다.  
환경 경영을 재정적으로 지원하기 위한 다양한 혁신적인 방법들을 개발한 회사들도 있다. 예를 들어 이산화탄소 오프셋(offset) 시스템이나 플라스틱 크레디트를 통해서 플라스틱 청소제거를 지원하거나 폐기물에 가치를 부여하는 것이 가능해졌다. 어떤 회사들은 플라스틱을 회수하여 건축자재로 사용하거나, 펠릿(pellet)화 하여 에너지로 사용하기도 하며, 드론이나 위성 이미지 기술을 통해서 플라스틱의 거동을 모니터링 하는 새로운 시스템을 구축하기도 한다. 
특별히 해양 플라스틱 문제를 향하여 기술을 개발하는 회사들도 있다. 이러한 회사들 가운데는 세탁기에서 배출되는 미세플라스틱(micro plastics)을 붙잡는 시스템이나 강이나 호수에서 부유하는 플라스틱을 모으는 거대한 설치물을 개발하기도 한다. 
 

 
이러한 플라스틱의 폐기에 있어서 발생하는 환경 문제와 더불어서 좀 더 다른 각도에서 플라스틱 문제를 접근하기도 한다. 최근 네덜란드의 Utrecht 대학의 Martin Junginger 박사 연구팀이 발표한 논문에서 (‘Plastic futures and their CO2 emissions’, Nature, 612, 272–276 (2022)) 플라스틱 생산과 이산화탄소 배출에 대한 미래의 그림에 대해서 예측하였다. 
플라스틱의 생산과 폐기물 관리까지 전체 주기 동안에 이산화탄소 배출을 줄이기 위한 세 가지 방법을 제안하였다. 플라스틱 제품에 bio-based(biomass기반) 물질에 의해서 이산화탄소를 고정하는 것인데 이것은 두 가지로 이루어진다. 바이오매스의 사용과 함께 플라스틱 제품을 퇴비화 하여 다시 에너지나 화학제품을 생산하는 것인데 이를 통해서 장기적으로 볼 때 탄소배출이 오히려 줄어들게 된다. 
순환 경제(circular economy)는 2050년까지 약 30%의 자원 절약을 달성하고 10% 이상으로 이산화탄소 배출을 줄이게 될 것이라고 예측했다. 순환 바이오경제 (circular bio economy) 접근 방식은 더 많은 바이오매스를 사용하고 리사이클링과 결합함으로써 플라스틱 생산과 폐기에 있어서 이산화탄소의 배출이 음의 값(negative)을 갖게 되어 매립과 자원 소비를 줄이게 될 것이라고 전망하고 있다. 
 
지속가능한 플라스틱 : 바이오플라스틱의 현황과 전망
최근 학계와 산업계의 다양한 기관에서 참여한 저자들이 공저한 입문 성격의 논문(primer)인 ‘지속가능한 플라스틱(폴리머)’ (Sustainable Polymers, Mohanty, A.K., Wu, F., Mincheva, R.et al.Sustainable polymers.Nat Rev Methods Primers, 2, 46 (2022))에서, 저자들은 ‘지속가능한 플라스틱’ 이란 생물 기반의(바이오매스 기반, biobased, renewable) 재활용이 가능하고 폐기된 탄소원이나 이들의 결합에 의해서 만들어진 플라스틱이면서 이들은 사용 후에 재활용되거나 생분해되거나 퇴비화 되는 플라스틱이라고 정의하였다. ‘지속가능한 플라스틱’은 생산과 폐기의 전 생애(주기) 동안 또한 환경에 대한 영향이 줄어들도록 설계된 플라스틱이다. 
따라서 지속가능한 플라스틱에 대한 전체 주기(life cycle), 재생 가능한 탄소(renewable carbon)원료로부터의 합성 경로, 생산, 재료의 특성, 응용, 사용 후 폐기, 데이터의 재현성, 한계점을 명확히 할 필요가 있다. 저자들은 플라스틱을 생산할 수 있는 다양한 탄소원료(carbon feedstock)에 대해서 소개하고 있다. 여기에는 이산화탄소, 농업-산림 폐기물(잔류물)도 포함된다. 
여전히 초기 단계이기는 하지만 새로운 ‘지속가능한 플라스틱’은 포장, 자동차 부품, 3D프린팅에 이미 사용되어지고 있다. 그리고 이 primer에서는 ‘지속가능한 플라스틱’을 채택하는데 어려움들에 대해서도 소개하고 있다. 여기에는 리사이클 문제, 퇴비화, 대량생산의 구축, 데이터의 재현성, 데이터의 저장과 기탁(deposition) 그리고 이러한 문제들에 대한 대책에 대해서도 논하고 있다. ‘지속가능한 플라스틱’의 개발은 유한한 자원으로부터 플라스틱(virgin plastics)을 생산하고 사용하는 것을 줄임으로써 플라스틱의 진정한 순환경제를 가속화하게 될 것이라고 결론을 맺고 있다.  
이러한 최근의 플라스틱 문제를 다루는 학계와 산업계의 움직임과 더불어서 실제적인 솔루션을 들고 창업을 하거나 기존의 회사들 가운데 ‘지속가능한 플라스틱’을 개발하고자 플라스틱의 재활용(plastic recycling)을 하나의 해결책으로 생각하며 비전을 가지고 달려가는 기존의 기업들도 있다. 특별히 PHA계열의 고분자와 플라스틱 분야가 연구와 산업화 부분에서 약진하고 있다. 
이러한 회사들과 함께 PHA와 더불어서 자연계에서 분해될 수 있는 소재를 개발하는 회사들도 있다. 대량으로 생산되는 자연계에서 분해되는 플라스틱 소재로는 생물 기반인 (bio based)인 전분(starch), 셀룰로오스(cellulose), 단백질(콩 단백질을 포함한)을 들 수 있다. 또한 생물학적인 발효와 화학합성을 결합한 PLA도 있다. 물론 식물성 오일을 출발물질로 한 플라스틱도 다수 존재한다. 2022년 12월에 유럽 바이오플라스틱협회(EUBP)가 마케팅 전문 기관 nova institute와 함께 발표한 것에 따르면 2022년에 바이오플라스틱은 2.23백만 톤에서 2027년도에 6.3백만 톤으로 증가할 것이라고 예측하고 있다. 
 



 
바이오플라스틱과 생분해 플라스틱 제품의 인증
바이오플라스틱에는 원료 자체가 자연에서 오는 것인지 (biobased, renewable) 그리고 그 원료가 자연에서 오든, 석유에서 오든 심지어 공기 중의 이산화탄소에서 오든 원료의 유래에 상관없이 생분해가 되는지(biodegradable)에 따라 구분이 필요하다. 바이오플라스틱에는 석유계에서 만들어지는 PP, PE, PET 등과 화학 구조에서는 같으나 이러한 플라스틱 수지의 원료가 생물 유래의 탄소를 사용하는 계열들이 있다(위의 EUBP자료 참고). 
미국의 농무성(DOE)에서 주관하는 Bio Preferred Program은 자발적 라벨 프로그램으로 운영하고 있는데 여기에서는 bio based 즉 제품에 포함된 생물에서 기인한 탄소(biogenic carbon)의 양이 얼마인지를 기준으로 인증을 한다. 이 프로그램의 목적은 소비자들이 바이오매스 제품을 손쉽게 시장에서 구매할 수 있다는 것을 소비자들에게 알리는 것이다. 이 프로그램에 따라 제조업자와 판매업자는 프로그램의 요구조건을 충족하면 제품의 포장이나 마케팅 자료에 미국 농무성의 라벨을 부착할 수 있게 된다. 최소 바이오매스 함량은 USDA’s Bio Preferred Federal Procurement Preference Program의 목록에 자세히 나와 있다. 
연방 정부의 우선 구매 프로그램에서는 현재의 목록에 적혀있지 않는 제품들도 최소 바이오매스 함량이 25% 이상이면 자격이 주어진다. 단 주의해야 할 것은 목록에 적혀 있는 모든 품목의 최소 바이오매스 함량은 수시로 바뀐다는 것이다. 미국 농무성은 바이오 제품의 기술 향상에 따라 최소 바이오매스 함량을 계속 높이고 있다. 
미국 농무성의 정의에 따르면, 바이오매스 상품이란 전체 또는 일정한 부분이 생물학적 제품, 재생 가능한 농산물(식물, 동물, 해양 물질 포함), 2002 Farm Bill에 따른 임산물로 된 제품 (식품이나 사료는 제외)을 말한다. 2008년에 개정된 Farm Bill에서는 바이오매스 제품의 정의가 확장되어 바이오 중간재나 주된 물질이 포함되어도 바이오매스 제품이라고 한다.


 
또 하나의 인증으로는 생분해성 인증을 들 수 있다. 이와는 달리 생분해성을 고려하는 인증이 더 많이 이야기되고 우리나라에서도 아직은 그러한 현실이다. 2020년 독일의 nova-Institute는 ‘Biodegradable Polymers in Various Environments’라는 제목의 한 장의 자료를 통해서 여러 생분해 표준과 인증을 통해 다양한 자연 환경에서 생분해가 가능한 플라스틱에 대해서 발표하였다.
예를 들어서, 생분해도 테스트는 이 소재가 본질적으로 생분해된다는 것을 보여주기 위해서  종종 샘플을 분쇄한 후에 진행된다. 그러나 현실에서는 다른 길이의 시간이 주어지면 같은 정도의 생분해도가 얻어질 수 있을 것이다. 
PLA는 52도 이상의 온도에서 호열성 혐기소화에 의해서 생분해가 이루어진다. 어떤 종류의 PBAT의 경우 토양과 가정에서의 퇴비화 조건에서 생분해가 된다고 입증되었다. 리그닌의 함량이 높은 소재의 생분해도는 표준화된 생분해 테스트에서는 쉽게 측정이 어렵다. 그러나 느린 속도로 생분해가 일어나며 분해 산물은 이산화탄소 대신에 humus 물질이 얻어져서 토양에 영양분으로 다시 사용될 수 있다.
 

 
Cellulose acetate(CA)의 경우에는 모든 환경 조건에서는 정해진 폴리머 그레이드만 생분해된다는 것이 입증되었다. 미생물이 생산하는 생분해성 플라스틱의 원료가 되는 PHA류인  P3HB, P4HB, P3HB4HB, P3HB3HV, P3HB3HV4HV, P3HB3Hx, P3HB3HO, P3HB3HD로 다양하여 각각이 다양한 자연 환경에서 분해될 수 있다고 알려져 있다. 여러 종류의 자연환경을 고려한 다양한 테스트 조건들은 다음과 같이 나름의 통과/실패의 기준을 갖고 있다. 
• 해양환경: 온도  30°C, 6개월 내에 90% 생분해(인증: TÜV AUSTRIA OK biodegradable MARINE (ISO 현재 준비 중)
• 민물(FRESH WATER): 온도 21°C, 최대 56일 내에 90% 생분해(인증: TÜV AUSTRIA OK biodegradable WATER)
• 토양: 온도 25°C, 최대 2년 이내 90% 생분해(인증: TÜV AUSTRIA OK biodegradable SOIL; DIN Certco DIN-Geprüft 토양 생분해 인증)
• 가정 퇴비화: 온도 28°C, 최대 12개월 이내 90% 생분해(인증: TÜV AUSTRIA OK compost HOME; DIN Certco DIN-Geprüft 가정 퇴비화 인증)
• 매립(LANDFILL): 이 방법이 폐기의 한 방법으로 바람직한 방법이 아니기 때문에 아직 표준화된 조건이나 인증은 없음 
• 혐기성 소화(ANAEROBIC DIGESTION): 호열성  미생물  52°C / 중온성 미생물  37°C; 아직 표준화된 조건은 없으나, 일반적으로 90% 생분해이면 완전 생분해로 간주함 
• 산업적 퇴비화: 58°C, 최대 6개월에 90% 생분해(표준: EN 13432)


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