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		(주)리그넘 박오진 연구소장, 화이트바이오기술과 폐플라스틱 자원화의 연관성
		[플라스틱사이언스] 기사입력 2022-10-12 15:38:50

“우리 사회는 혁신적인 기술을 찾아가되 더 지속가능하며, 평등을 지향하면서, 회복가능성을 가진 경제를 위한 기술인지를 면밀히 살펴야 할 것이다. 이러한 탄소 전환 기술들은 농업, 제조업, 폐기물 관리 등 모든 산업 전반에 걸쳐서 적용될 수 있는 기술이어야 할 것이다.”

지속가능 사회를 위한 탄소의 혁명!

폐플라스틱의 재활용 심층기획 연재 세번째 원고에서 PET의 리사이클링에서 효소를 사용하는 국내와 국외 회사들의 움직임을 소개한 바가 있다. 본고에서는 플라스틱 및 농•산림폐기물의 자원화에 있어서 가스화(gasification)와 화이트바이오기술(미생물 대사공학)을 결합하여 다양한 화학제품의 생산을 가능하게 하는 기술을 개발하여 상업화를 향해 달려가는 「LanzaTech」사를 소개하고자 한다. 개인적으로 2019년 시카고에서 안식년을 보낼 때, 일리노이주의 테크노파크에 위치한 LanzaTech사를 방문하여 Freya Burton 지속가능 홍보 담당을 만나 인터뷰를 할 수 있는 기회가 있었다.

이 기술은 지속가능 사회를 위한 탄소의 혁명이라고 할 수 있다(Eur. Biotech., 2022, vol 21, ‘Biotechnology-driven carbon revolution’, M. Köpke). 「LanzaTech사는 이 기술을 CarbonSmart™ 기술이라고 부른다. 탄소를 순환하는 방법으로서 LanzaTech사의 기술은 혁명적이라고 할 수 있으며, 생물학적 방법을 사용하여 새로운 물질로 변환시키는 기술로서 2022년 3월에 SPAC형의 회사인 AMCI사와 합병되어 미국 증시에 상장되었다(시가총액 2.2 billion USD).

LanzaTech사의 생물공학 기술은 미래의 청정에너지 사회를 구현하는데 핵심기술이 될 수 있을 것으로 보인다. 원유가 아닌 이미 가스 형태로 배출된 가스에 포함된 탄소를 리사이클하여 화학제품을 생산할 수 있는 생물공학(biotechnology) 기술이다. 식물을 포함한 생물 시스템이 이산화탄소를 보다 더 복잡한 화학물질로 전환할 수 있는 능력을 갖고 있지만, 이러한 능력을 성장이 빠르고 엔지니어링 할 수 있는 미생물을 통해서 구현하고자 한다.

이 기술의 장점 가운데 하나는 원료 물질이 좀 복잡하더라도 유연성을 가지고 있어 금속 촉매의 경우 문제가 될 수 있는 원료도 처리가 가능하다는 점이다. 따라서 이 기술을 사용하는 경우, 각 지역에 따라 편재하는 다양한 종류의 폐기물(가스 상태의 폐기물, 농업 폐기물, 도시 고형 폐기물)을 처리할 수 있다. 이산화탄소에 재생에너지로 물 분해에 의해 생산되는 수소를 첨가함으로써 다양한 탄화수소를 만들어 낼 수 있다. 제철소에서 배출되는 폐가스로부터 폴리에스터의 원료를 생산할 수 있다. 이는 공상과학 소설의 이야기가 아니라 진행형의 현재 이야기이다. 지구상의 브랜드오너들은 이렇게 만들어진 화학제품으로부터 플라스틱 필름, 의복, 장난감, 플라스틱 용기, 신발, 그리고 세제의 원료를 만들어내고 있다.

스위스의 스포츠 브랜드인 「On」사는 최근에 세계에서 처음으로 LanzaTech사, Borealis사, Technip Energies사와 함께 공장 굴뚝에서 배출되는 탄소를 전환하여 생산한 CleanCloud™ EVA 폼을 신발의 중창(midsole)으로 사용하여 Cloudprime 러닝화를 출시하였다<그림 1>.

이 각각의 회사들은 바이오화학제품, 공정, 그리고 혁신적인 소재 개발에서의 리더들이다. LanzaTech사는 제철소의 폐가스 일산화탄소를 포집하여 미생물을 이용하여 발효공정을 통해서 에탄올을 생산하고, Technip Energies사는 엔지니어링 회사로서 에탄올을 탈수반응에 의해서 에틸렌을 생산한다(Hummingbird™ 공정). 이 에틸렌은 고분자 반응을 통하여 폴리에틸렌을 생산하는 것을 비롯하여 다양한 화학 반응의 원료가 된다. Borealis사는 CleanCloud™ 브랜드의 EVA 폼을 생산한다. Borealis사 역시 넷 제로의 미래에 맞추어 파트너 관계를 통해서 순환경제를 가속화하기 위한 EverMinds™의 목표를 정하여 노력을 기울이고 있다.

On사의 계획은 지속가능한 기술의 스케일 업을 가능하게 하고 가속화하면서 긍정적인 변화를 추구하고 있다. CleanCloud™ 기술을 보다 많은 소비자에게 제공하고자 하는 노력으로 중창, 밑창, 그리고 신발의 천에 해당하는 모든 소재를 석유가 아닌 대체 원료로부터 생산하고자 한다. 그래서 스위스의 On사는 폴리에틸렌을 분해하여 플라스틱 TPU를 생산하는 플라스틱 재활용(up cycling) 스타트업인 미국의 Novoloop사와 협력하여 CleanCloud™ 밑창을 개발하고 있다. 현재 이 밑창 또한 랩에서 그리고 운동선수들에 의해 테스트가 진행 중이다. 현재 On사는 중창과 밑창 뿐 아니라, 프랑스의 스타트업인 Fairbrics사와 함께 폐가스로부터 만들어진 폴리에스터를 이용해서 신발의 윗부분(upper)까지도 제조하여 탄소발자국을 현저하게 줄이는 노력을 기울이고 있다.

이보다 앞서서 LanzaTech사는 2021년 4월 생활용품 회사인 Unilever사와 함께 세계 최초로 세탁용 고체 세제(capsule)에 들어가는 계면활성제의 생산에 자사의 기술을 적용하였다<그림 2>.

Unilever사는 LanzaTech사, India Glycols사와 함께 협력하여 이 기술을 완성하였다. 먼저 LanzaTech사는 중국 북경에서 LanzaTech사와 Shougang제철회사가 함께 설립한 공장에서 에탄올을 생산한다. India Glycols사는 이 에탄올을 에틸렌 oxide로 전환하고 이를 다시 계면활성제를 합성하는데 사용한다. Unilever사는 이 계면활성제를 이용하여 새로운 배합기술로 OMO브랜드의 고체 세제를 중국의 안휘성 Hefei(合肥)시에서 제조한다.

LanzaTech사는 일찍이 2020년 LanzaJet라는 회사를 통해 폐가스로부터 만들어진 에탄올을 지속가능한 항공유 (Sustainable Aviation Fuel, SAF)로 전환하여 상업화를 진행해 오고 있다. LanzaJet의 투자자로는 All Nippon Airways, British Airways 그리고 마이크로소프트의 기후 혁신 기금이 참여하고 있다.

LanzaTech사는 원래 뉴질랜드에서 2005년도에 시작된 회사로서 혐기성 미생물의 발효를 통해서 일산화탄소와 수소를 여러 가지 유용한 플랫폼 화학제품(platform chemical)으로 전환한다. 이미 LanzaTech사는 자사의 기술인 철강회사에서 배출되는 일산화탄소를 에탄올로 전환하는 공정을 중국 Shougang제철기업과 상업화에 성공하였고, 인도의 다국적 제철회사인 ArcelorMittal사와 협력하여 인도와 벨기에에서도 상업화 공장을 건설하고 있다.

2021년 ArcelorMittal사는 3,000만 USD라는 규모의 XCarb™ 혁신 기금의 네 번째 투자를 탄소 전환 회사인 LanzaTech사에 하기로 결정했다. 2015년도에 벨기에 Ghent에서 LanzaTech사의 탄소포집과 활용기술을 시작으로 관계를 맺기 시작했다. 현재 건설이 진행 중인데 1억8천만 유로화가 투자된 CarbalystⓇ공장은 2022년도 말에 건설이 완공될 예정이다. Steelanol 프로젝트라고도 알려진 이 프로젝트에는 유럽연합의 Horizon 2020 프로그램의 지원을 받으면서 유럽투자은행, 벨기에와 인근 국가 정부들이 투자자로 참여하고 있다. 이 시설에서는 연간 8천만 리터의 바이오에탄올이 생산될 예정이다.

LanzaTech사는 공장 굴뚝에서 배출되는 탄소를 포집하여 이 기술을 이용해 섬유, 고무, 포장재에서 사용되는 다양한 기초 화학제품을 제조할 수 있다. LanzaTech사는 제철소에서 배출되는 일산화탄소와 이산화탄소를 미생물 발효를 통해 에탄올과 2,3-butanediol과 같은 기초 화학제품을 생산하는 기술을 인정받아 2015년 미국 환경국(EPA)이 수여하는 Presidential Green Chemistry Challenge Awards의 청정합성경로 분야에서 수상하였다. 천연가스, 석탄, 그리고 석유로부터 생산되는 공정에 비해서 70%까지 온실가스의 배출을 줄일 수 있기 때문이다.

미국의 PNNL 국립연구소와 함께 지속가능 항공유(SAF)로의 전환에 성공하여 영국 Virgin Atlantic사와 실험 비행을 마쳤다. LanzaTech사의 CEO인 Jennifer Holmgren씨는 일찍이 시카고에 위치한 Honeywell UOP에서 renewable 연료 분야를 담당했던 여성 CEO로서 LanzaTech사 보유기술의 사업화에 있어서 지대한 공을 세웠다. 이러한 공로로 2015년에 산업바이오 분야에서 리더십을 보여준 여성에게 주어지는 Rosalind Franklin Award 상을 수상하였다.

LanzaTech사는 2022년 상반기에 <Nature Biotech> 잡지에 발표된 논문을 통해 혐기성 미생물에 다양한 생물공학기술을 적용한 합성생물학을 통해 아세톤과 isopropyl alcohol을 고생산성으로 생산할 수 있음을 보여줌으로써 합성생물학 회사로서 자리매김하고 있다(Nature Biotech.,vol. 40, 335-344, 2022).

이 연구는 LanzaTech사 그리고 시카고의 노스웨스턴 대학 그리고 테네시의 ORNL국립연구소의 연구자들이 참여하였다. LanzaTech사는 국내 서강대학교에서 주관하는 C1가스 리파이너리사업단에서 주최한 “C1가스 전환기술개발동향파악 및 성과확산촉진”(2017년 6월 30일)을 위해 국내 수요기업이 참여하는 C1 Gas Refinery R&D Center(CGRC) 국제 심포지엄에서 기술을 소개하기도 했다.

폐기물 전환을 통한 에탄올 생산

본고에서는 폐기물 전환을 통해 폐가스의 에탄올 전환 기술을 가진 LanzaTech사가 폐기물의 가스화를 통해서 어떻게 일본의 화학회사 SEKISUI Chemical사(이하 Chemical 생략)와 협력하는지 자세하게 살펴보면서 매립이나 소각이 아닌 새로운 폐기물처리 기술로서의 LanzaTech사의 기술을 살펴보고자 한다.

일본 SEKISUI 사와 실증 평가

일본의 화학회사 SEKISUI사와 LanzaTech사는 2020년 4월 폐기물을 가스화하고 미생물 발효에 의해 에탄올을 제조하는 기술에 관해서 JV를 시작한다고 발표한 바 있으며 Iwate의 Kuji시에서 실증단계의 실험을 진행하였다. 지방 도시와 기업들을 협력 파트너로 참여시키면서 2025년도 상업화를 목표로 달려가고 있다.

이를 위해서 SEKISUI사는 산업혁신기구(일본 정부와 19개 민간기업의 민-관 협력체제로 일본에서 개방형 혁신을 통해 기관을 넘어선 혁신을 이루기 위한 법률의 제정을 통해 신설된 기구로 영문명은 Innovation Network Corporation of Japan-INCJ)와 함께 SEKISUI Bio Refinery Co, Ltd를 출범하였다. 목표는 폐기물을 원료로 하여 에탄올을 생산하는 바이오리파이너리를 운전하고 상업화하기 위해서 실증 단계의 마지막 단계들을 추진하는 것이다. 여기에 사용되는 미생물은 SEKISUI사와 LanzaTech사가 함께 개발하게 될 것이다.

이보다 앞서 2017년 12월 SEKISUI사와 LanzaTech사는 세계 최초로 폐기물을 이용하여 에탄올을 생산하는 기술을 개발하였다. 이 새로운 기술은 연소가 가능한 폐기물을 선별과정 없이 가스화하고 고압이나 고온과 같은 외부의 에너지 공급이 필요 없이 미생물 촉매를 통해 에탄올로 전환하게 된다.

이 기술은 경제성 면에서 산업용 에탄올을 생산하는 기존 공정에 비해서 훨씬 우수하다. 이러한 혁신을 통해서 상업적 수준의 공장에서 폐기물을 에탄올로 전환함으로써 석유에 의존하지 않는 화학제품의 생산을 가능하도록 하는 기술을 개발하게 된 것이다<그림 3>.

폐기물은 폐기물의 소스에 따라 도시고형폐기물(mun-icipal solid waste, MSW)과 산업폐기물(Industrial Solid Waste, ISW)로 크게 구분된다. 일본의 경우 연간 6천만 톤의 연소가 가능한 폐기물이 발생한다. 이를 에너지로 환산하면 200조 킬로칼로리의 열량에 해당한다. 일본에서 연간 플라스틱 제조에 사용되는 원유가 3천만 톤(약 150조 킬로칼로리)임을 생각할 때 폐기물의 양은 방대하다고 할 수 있다. 현재 일본에서 폐기물의 대부분이 소각되거나 매립되고 있다. 폐기물을 재활용할 수 없는 이유는 폐기물의 성상과 조성이 다양해서 산업적으로 원료로 사용할 수 없기 때문이다.

SEKISUI사는 기술적으로 어려운 문제를 해결함으로써 사회의 건강과 지속가능성에 공헌하고자 한다. SEKISUI사는 일찍이 ORIX Environmental Resources Management Corporation과 협력하여 사이타마현의 폐기물처리 시설 안에 파일롯 시설을 건설하였다. 2014년 이후부터 3년에 걸쳐서 SEKISUI사는 매우 높은 효율로 폐기물로부터 에탄올을 생산하는데 성공하였다.

다양한 조성과 성상을 가진 MSW와 ISW의 문제를 해결하기 위해서 SEKISUI와 LanzaTech 양사는 폐기물을 에탄올로 전환하는데 필요한 세 가지의 기초가 되는 기술을 개발하였다<그림 4>.

1) 다양한 조성의 폐기물을 간단한 화학조성을 가지는 단일한 원료로 전환하는 가스화기술: 가스화기술은 폐기물을 낮은 산소농도에서 CO, H2의 혼합물로 전환하는 기존에 있던 기술이다. 가스화를 통해서 원료폐기물에 포함된 에너지의 가치를 잃지 않으면서도 간단하고 보다 더 균일한 원료를 만들게 된다.

2) 가스정화기술과 미생물촉매를 이용한 에탄올 생산기술: 미생물촉매기술은 외부로부터 압력이나 에너지의 공급이 필요 없이 에탄올을 생산하는 진보된 기술이다. LanzaTech사가 개발한 미생물은 천연의 미생물보다 반응속도가 10배정도 빨라져서 생산성이 향상되어 산업화 균주로 사용될 수 있다. 그러나 선별되지 않은 폐기물로부터 전환된 가스에는 불순물이 많이 포함되어 있어서 미생물에게 해로울 수 있다. 따라서 두 단계의 가스정화기술을 통해서 한 종류의 미생물만 사용해서 에탄올 생산이 가능하게 되었는데 전체공정에서 이 기술이 가장 어려운 문제였다. 가스에는 400종류의 성분이 존재하는데 이를 정제하였다. 실시간으로 이 성분들을 모니터링하여 효율적으로 공정을 운전할 수 있다.

3) 폐기물 성분에 있어서 변동에 따라 적응할 수 있는 발효제어 기술:

폐기물이 산업적으로 사용될 수 없는 큰 이유가 폐기물의 조성과 성상이 다양하기 때문인데 두 가지 기술로서 이러한 도전을 극복할 수 있었다. (1) 조성의 변화에 따라 미생물에 필요한 성장조건도 조절하여 안정성을 유지할 수 있으며, (2) 폐기물 처리시설에서 발생할 수 있는 모든 종류(예를 들어 가스화 장치의 막힘이나 가스의 공급중단과 같은)의 리스크를 다룰 수 있는 기술을 확립하였다.

궁극적인 폐기물 리사이클 시스템의 산물 에탄올의 미래

이렇게 폐기물로부터 생산된 에탄올은 그 자체만으로 전 세계시장에서 750,000킬로리터의 시장을 차지할 뿐만 아니라 이로부터 C2의 플라스틱 수지의 원료인 에틸렌(석유로부터 생산되는 화학제품의 60%를 차지함)과 부타디엔(butadiene)으로 전환될 수 있다. 기존에 전분이나 사탕수수 그리고 리그노 셀룰로오스를 원료로 하여 생산되는 바이오에탄올과 비교해서 성능의 차이는 없다.

브라질의 Braskem사가 식량자원인 사탕수수로부터 생산된 에탄올을 에틸렌으로 전환하여 BioPE를 생산하는 기술과 차별화되는 것이다. 다시 말해서 폐기물로부터 에탄올을 생산하는 기술이야말로 “도시의 유전’이라고 할 수 있을 것이다. 이전의 골칫거리가 이제 새로운 수입원이 되는 것이다. SEKISUI사는 석유에 의존하지 않고 플라스틱을 생산할 수 있는 이 기술을 널리 펼쳐나가고자 한다.

이제 실증시설이 이와타(Iwate)현 Kuji City에 세워지고 운전될 표준 실증시설은 표준 MSW시설에서 처리되는 양의 10분의 1에 해당하는 규모(20톤/일)로서 에탄올의 원료를 공급하게 될 것이다. 지방자치단체의 폐기물 수집관련 회사들과 생산시설 설계업자들이 참여하게 될 것이다. 생산된 에탄올은 다양한 산업에서 이 기술에 관심을 갖는 회사들에 공급되어 평가될 것이다. JV는 이 기술을 상업화규모로 전개하는 것을 목표로 하고 있다<그림 5>. 이 JV에 의해서 기술이 입증되고 상업화되게 되면 SEKISUI사와 INCJ는 궁극적으로 리사이클을 위한 사회적 시스템을 만들게 되는 것이며 이를 통해 사회문제의 해결에 공헌하게 될 것으로 기대되고 있다.

선별되지 않고 재활용이 어려운 폐기물을 원료로 새로운 제품을 만들고자 하는 SEKISUI CHEMICAL사의 오랜 노력의 결실이 가시화 되고 있다<그림 6>.

2017년부터 LanzaTech사와 함께 개발된 이 기술은 환경부와의 협조 하에 이루어진 것이다. 협력사들을 모으고 환경부가 지원하는 프로젝트(Carbon Cycle Society Model Demonstration Project)를 활용하여 실제적인 실행과 상업화를 도모하였다.

폐기물을 전환하여 에탄올을 생산하기 위해서는 폐기물처리를 담당하는 지방자치단체와 민간회사들의 밀접한 협력이 없이는 불가능하다. SEKISUI사는 일본의 통산산업성에 의해서 관리를 받는 민-관 협력기구인 INCJ와 함께 이러한 협력체계를 구축하고자 한다. 지방자치단체 폐기물처리기업, 장치제조기업 그리고 에탄올을 사용하는 기업들이 포함된다.

SEKISUI사는 INCJ가 다양한 부처 간의 토론과 조정을 해나가기를 희망하고 있다. INCJ기구는 개방형 혁신을 통해 다음 세대를 위한 부의 창출을 위해 새로운 산업을 육성하고자 산업과 조직 간의 벽을 허물고자 하는 철학을 가지고 있다. SEKISUI사와 함께 시작한 JV가 바로 이러한 철학을 보여주고 있다고 할 수 있다.

폐기물의 가스화를 통하여 에탄올을 생산하는 바이오리파이너리 기술을 상업화하고 전 세계로 확장하고자 하는 노력을 통해서 지역 사회에 공헌하면서 사회적 문제를 해결하고자 하는 것이다<그림 7>. 지속가능한 사회, 순환 경제를 탄소의 리사이클링을 통해서 달성하고자 한다.

SEKISUI사는 회사의 최우선 순위로 ESG경영을 내세우고 있다. 따라서 이 분야에서 활동들을 강화해 나가고 있다. 이를 위해서 관점과 태도를 바꾸면서 얼마 전부터 폐기물을 자원으로 보기 시작한 것이다. 이러한 확신 아래 폐기물을 자원으로 사용할 수 있는 기술이 무엇인지를 살피기 시작한 것이다. INCJ와 함께 다양한 형태의 협력에 참가하면서 사회문제를 해결하는데 공헌하고자 한다. 이 JV는 석유에 의존하지 않는 바이오리파이너리 생태계를 만드는 것이 목적이다. 이 기술을 널리 전파하기 위해서 SEKISUI사는 일본의 행정 관료들을 포함하여 이해관계자들을 교육하고 있다. 일본 정부가 2017년 6월에 발표한 ‘미래전략을 위한 투자 2017’ 에서는 생물공학기술을 이용한 탄소 리사이클링을 성취하고자 하는 전략들이 담겨져 있다.

뉴질랜드에서 개발을 시작한 폐가스의 에탄올 전환 기술이 미국의 시카고로 건너와서 훌륭한 경영진과 연구자들을 만나서 중국, 일본, 유럽 벨기에, 인도에서 가능성을 펼쳐나가고 있으며 브랜드오너들은 이 열매를 실생활의 제품들로 상업화하고 있다. 본고에서 중점적으로 살펴본 SEKISUI사와 INCJ 민관기구의 협력 모델, 그리고 국가를 넘어선 개방형 혁신의 모델은 폐기물의 자원화를 향한 좋은 모델로서, 일본을 넘어서 전 세계 폐플라스틱의 리사이클링에 게임 체인저가 될 수 있을 것으로 전망된다.