해조류를 이용한 바이오플라스틱 생산 연구동향
Date 2022-04-08 22:06:51 페이스북으로 보내기 트위터로 보내기 hit 26
정규열 / 우성화
교수 / 박사과정
포항공과대학교 화학공학과
gyjung@postech.ac.kr / marswok@postech.ac.kr

1. 바이오 플라스틱의 중요성

  플라스틱은 가볍고 내구성이 있으며 가공이 편리하여 다양한 산업에서 쓰이고 있지만, 석유 기반 공정을 통해 생산되는 플라스틱은 막대한 폐해를 내포하고 있다. 석유 기반의 플라스틱 생산 공정에서 배출되는 다량의 이산화탄소는 지구온난화의 주요 원인 중 하나이며, 분해가 어려운 기존 플라스틱 쓰레기는 미세플라스틱이 되어 생태계를 파괴하고 인체에 해로운 피해를 주게 된다. 그럼에도 플라스틱 생산량은 줄지 않고, 연 5%씩 성장하여 1950년 200만 톤에서 2015년 3억 8,000만 톤으로 190배 이상 증가하였으며 [1], 그 성장세는 계속 유지되고 있다 (그림 1). 따라서 석유 기반 플라스틱의 생산 및 후처리 과정에서 발생하는 수많은 환경 문제를 해결하기 위해 바이오 플라스틱의 생산은 필연적으로 달성되어야 하는 과제이다.

 

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그림 1. 1950-2015년 전세계 플라스틱 생산량 증가 추이 [1]. 

 

  바이오 플라스틱은 친환경성을 위해서 고안된 플라스틱을 총칭하는 말로서 바이오 기반 플라스틱 (bio-based plastics)과 생분해성 플라스틱 (biodegradable plastics)으로 구분한다 (그림 2). 바이오 기반 플라스틱은 전분, 목재와 같이 재생 가능한 바이오매스 원료를 일정 성분 이상 포함하는 플라스틱으로서, 그 예시로는 Bio-polyethylene (Bio-PE), Bio-polypropylene (Bio-PP), Bio-poly(ethylene terephthalate) (Bio-PET) 등이 있다. 생분해성 플라스틱은 사용 후 폐기 시 일정 조건에서 메탄 혹은 기타 바이오매스로 완전히 분해되는 플라스틱으로서, 제품 수명 주기가 기존 플라스틱 제품보다 매우 짧다는 특징을 가진다. 생분해성 플라스틱은 다시 석유 기반 생분해성 플라스틱과 바이오 기반 생분해성 플라스틱으로 나뉘는데, 석유 기반은 polyglycolic acid (PGA), polybutylene succinate (PBS), polybutylene adipate terephthalate (PBAT) 등이 대표적이며, 바이오 기반으로는 polylactic acid (PLA), polyhydroxyalkanoates (PHA), thermoplastic starch (TPS) 등이 있다. 바이오 플라스틱은 석유 기반 플라스틱 생산 공정 중 배출되는 다량의 이산화탄소 및 연간 수백만 톤에 달하는 플라스틱 폐기물, 그리고 그로부터 발생하는 미세플라스틱에 의해 발생하는 환경 오염 문제를 해결할 수 있는 친환경 소재로 주목을 받고 있다. 전 세계적으로 플라스틱 재활용 및 바이오 플라스틱 사용 확대에 대한 법령이 제정되고 있고, 국내 환경부 또한 2050년까지 기존의 석유 기반 플라스틱을 바이오 플라스틱으로 100% 대체하기 위한 장기 대책을 발표한 바, 바이오 플라스틱의 상용화를 위한 노력이 필요하다.

 

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그림 2. 바이오 플라스틱의 정의와 분류. 

 

2. 바이오 플라스틱 경제성 향상을 위한 해조류 바이오매스의 활용

  바이오 플라스틱은 수요와 생산량이 지난 수년간 증가일로에 있고, 향후 더더욱 가속될 것으로 예측되지만 지금까지 그 경제성이 걸림돌이 되어왔다. 바이오 플라스틱의 시장규모는 2027년에 1,000억 달러이상 성장할 것으로 예상되고 [2] 2018년 바이오 플라스틱 생산능력은 201만톤에 달하지만, 여전히 총 플라스틱 생산량의 0.56%에 그치는 실정이다 [3]. 바이오 플라스틱의 상용화에 있어 큰 제약 중 하나는 바이오 기반 플라스틱 생산 공정에 사용되는 바이오매스 원료의 높은 가격이다. 현재 상용화된 바이오 기반 플라스틱 생산 공정은 주로 육상계 바이오매스를 원료로 사용하는데, 그 중 옥수수와 사탕수수 등은 식량 자원으로도 사용되어 원료 가격이 비싸고 윤리적 문제가 발생한다. 또한, 비식용 육상계 바이오매스의 대부분은 구조가 단단하여 발효 공정을 위한 원료로 활용할 경우 전처리 비용이 발생하는데, 원료의 가격과 전처리 및 당화 비용이 전체 공정의 70%가량을 차지하여 공정의 경제성을 확보하는 데 어려움이 있다는 문제점이 있다. 이에 육상계 바이오매스에 대한 대체 원료로서 해조류 바이오매스가 주목받고 있다.

  해조류 바이오매스는 육상계 바이오매스보다 원료 가격이 저렴할 뿐 아니라 전처리 공정이 비교적 단순하여 전체 공정의 경제성을 크게 향상시킬 수 있다 [4-7]. 일부 동아시아 국가를 제외한 대부분의 국가에서 해조류는 비식용계 바이오매스로 분류되기 때문에, 가격이 저렴하며 식용 바이오매스 활용에 의한 윤리적인 문제를 해결할 수 있다. 대한민국은 세계 3위 해조류 생산국으로 양식 생산에 대한 갈조류 부산물의 생산량 또한 굉장히 높은 편인데, 이를 해양 폐기할 경우 생태계 파괴의 문제가 생기고 매립할 경우 처리 비용이 발생한다는 문제점이 있다. 또한, 비정상적인 기후 환경 변화에 의해 해적 해조류가 무분별하게 증식하여 해양 생태계가 파괴되고, 어촌 경제에 막대한 피해를 초래하는 경우가 많았다 (그림 3). 따라서 양식 부산물 및 해적 해조류를 바이오 플라스틱 생산 공정의 원료로서 자원화하면, 바이오매스의 안정적 공급, 해양 생태계의 복원 및 어촌 경제의 활성화 등의 효과를 이룰 수 있을 것으로 기대된다. 이처럼, 해조류 바이오매스를 원료로 한 바이오 플라스틱 생산 공정은 다른 바이오매스를 원료로 쓰는 것에 비해 다양한 경제적, 사회적, 환경적 효과를 창출할 수 있을 것으로 기대되기 때문에, 최근 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

 

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그림 3. 해조류의 과도한 증식으로 인한 해양 생태계 위협. 


3. 해조류 바이오 플라스틱 생산에 관한 연구 동향

  바이오 플라스틱 생산을 위한 초기의 해조류 바이오매스의 활용은 단순 추출을 통해 이루어졌다. 예를 들어, 플라스틱의 단량체로 활용 가능한 PHA, HMF, 지방산과 같은 자연 산물을 해조류로부터 추출 및 분리/정제하고 중합하여 원하는 물성을 갖는 바이오 플라스틱을 획득하는 연구가 진행되었다 [8,9]. 하지만 추출을 통한 바이오 플라스틱의 생산은 수율이 낮고 생산할 수 있는 바이오 플라스틱의 종류가 한정적이라는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해, 최근에는 해조류 바이오매스를 미생물 발효 공정을 통해 플라스틱 단량체로 전환하는 기술이 주목받고 있다. 이러한 발효 공정의 주된 목표는 유전자 개량된 미생물이 해조류 바이오매스에 포함된 원료를 대사하여 단량체로 전환하도록 하는 것이다. 전세계 해조류 생산은 크게 홍조류 (30%), 갈조류 (65%)로 이루어져 있는데, 갈조류 생산량이 훨씬 높음에도 불구하고 갈조류 구성 다당류인 알긴산 (alginate)에 대한 미생물의 대사 능력 부재로 인해 홍조류를 활용하는 연구가 주로 수행되어왔다. 대표적인 사례로 홍조류 유래 해조류 바이오매스로부터 주로 얻어지는 갈락토스 (galactose)를 활용하여 나일론의 전구체로 활용되는 카다베린을 생산하는 미생물 발효 공정에 대한 연구가 수행된 바 있다 [10] (그림 4). 이에 더불어, 생산량이 많고 가격이 저렴한 갈조류 바이오매스를 원료로 사용하기 위한 연구 또한 수행되고 있다. 최근 포항공과대학교 정규열 교수와 서울대학교 서상우 교수 연구팀은 갈조류 유래 바이오매스를 포함한 대부분의 해조류 유래 바이오매스를 빠르게 대사하는 신종 미생물, Vibrio sp. dhg를 분리, 동정하였다 [11] (그림 5). 해당 미생물은 갈조류의 주요 구성 다당류인 알긴산을 굉장히 빠르게 대사할 수 있다는 특징을 지니는 동시에, 별도의 전처리 및 당화 과정 없이 갈조류 바이오매스를 직접 전환할 수 있다는 장점을 지닌다. 또한 해당 균주는 고농도의 염에서도 잘 생육하며, 병원성이 없다는 특징도 있어, 해조류 기반발효 공정에 매우 적합한 플랫폼 균주로 주목받고 있다. 연구팀은 해당 균주에 대해 다양한 유전자 조작 도구를 개발 및 최적화하였으며, 이를 통해 여러 생산 균주를 제작하여 에탄올, 2,3-부탄디올, 라이코펜 등 화합물에 대한 높은 생산성 또한 확인한 바 있다. 해당 균주를 활용한 해조류 바이오매스 기반 바이오 플라스틱 생산 공정은 값이 저렴한 갈조류 바이오매스를 활용할 수 있고, 전처리 및 당화 과정이 불필요하다는 장점을 지녀, 전체 공정비용의 34%가량을 절감시킬 수 있을 것으로 기대된다. 이는 바이오 플라스틱 가격 경쟁력을 높이는 데 큰 기여를 할 것이고, 이를 통해 바이오 플라스틱의 상용화를 달성할 수 있을 것으로 기대된다. 더 나아가, 바이오 플라스틱의 상용화를 통해서 탄소 중립을 성취하고, 미세 플라스틱의 축적을 방지하는 등 환경적인 효과도 기대되는 바이다.

 

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그림 4. 홍조류 유래의 갈락토스로부터 카다베린을 생산하는 균주 개량 연구. 



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그림 5. 갈조류 유래의 바이오매스를 대사하는 Vibrio sp. dhg.


4. 마무리

 무분별한 플라스틱 사용에 의해 대두된 지구 온난화와 미세플라스틱에 의한 생태계 파괴 문제를 극복하기 위해 바이오 플라스틱의 사용은 필수적으로 여겨지고 있다. 하지만, 현재 바이오 플라스틱 생산 공정의 경제성 부족으로 바이오 플라스틱의 상용화는 달성되기 힘들어 보인다. 이에, 바이오 플라스틱 생산의 경제성을 확보하기 위해 해조류 바이오매스를 원료로 활용하고자 하는 연구가 진행 중이며, 특히, 해조류 직접 전환 균주를 이용해 해조류 바이오매스로부터 전처리 및 당화 과정 없이 플라스틱 단량체를 생산하고자 하는 연구가 큰 주목을 받고 있다. 이에 대한 지속적인 후속 연구를 통해서 바이오 플라스틱의 경제성 향상 및 상용화를 달성하고, 기존 석유 기반 플라스틱을 대체함으로써, 탄소 배출 저감 및 미세 플라스틱 절감 등의 환경적인 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대되는 바이다.

 

참고문헌

[1] Ritchie, H., & Roser, M. (2018). Plastic pollution. Our World in Data.

[2] Coherent Market Insights (2020). Bioplastics Market - Size, Share, Outlook, and Opportunity Analysis, 2020 – 2027

[3] Bioplastics, E. (2020). Bioplastics market data.

[4] Portero Barahona, P., Bastidas Mayorga, B., Martín-Gil, J., Martín-Ramos, P., & Carvajal Barriga, E. J. (2020). Cellulosic ethanol: Improving cost efficiency by coupling semi-continuous fermentation and simultaneous saccharification strategies. Processes, 8(11), 1459.

[5] Cheng, M. H., Wang, Z., Dien, B. S., Slininger, P. J., & Singh, V. (2019). Economic analysis of cellulosic ethanol production from sugarcane bagasse using a sequential deacetylation, hot water and disk-refining pretreatment. Processes, 7(10), 642.

[6] Konda, N. M., Singh, S., Simmons, B. A., & Klein-Marcuschamer, D. (2015). An investigation on the economic feasibility of macroalgae as a potential feedstock for biorefineries. BioEnergy Research, 8(3), 1046-1056.

[7] Roesijadi, G., Jones, S. B., Snowden-Swan, L. J., & Zhu, Y. (2010). Macroalgae as a biomass feedstock: a preliminary analysis (No. PNNL-19944). Pacific Northwest National Lab.(PNNL), Richland, WA (United States).

[8] 김보라, 정재원, 조재훈, 이도훈, 김상용, & 조진구. (2010). 거대해조류 유래 갈락탄을 이용한 HMF 의 합성에 관한 연구. Applied Chemistry, 14(2), 83-86.

[9] Jeong, G. T., & Park, D. H. (2014). Effect of pretreatment method on lipid extraction from Enteromorpha intestinalis. KSBB Journal, 29(1), 22-28.

[10] Kwak, D. H., Lim, H. G., Yang, J., Seo, S. W., & Jung, G. Y. (2017). Synthetic redesign of Escherichia coli for cadaverine production from galactose. Biotechnology for biofuels, 10(1), 1-9.

[11] Lim, H. G., Kwak, D. H., Park, S., Woo, S., Yang, J. S., Kang, C. W., ... & Jung, G. Y. (2019). Vibrio sp. dhg as a platform for the biorefinery of brown macroalgae. Nature communications, 10(1), 1-9.