바이오 플라스틱의 분류와 원료 개발 현황 및 미세조류를 활용한 바이오매스 대량 생산 및 자원화 기술의 중요성 doc_id PCY_201702210429327531_2

바이오 플라스틱은 일반적으로 박테리아, 곰팡이, 조류 등의 미생물에 의해 분해되는 생분해성 플라스틱(Bio-degradable Plastic) 및 산화생분해성 플라스틱(Oxo-Biodegradable Plastics)과 바이오매스 물질을 함유한 바이오 기반(Bio-based Plastic) 플라스틱, 그리고 석유화학 비분해성 플라스틱으로 나눌 수 있다. 산화생분해성 플라스틱은 생분해성 플라스틱의 단점인 짧은 분해기간, 물성 및 내열성 문제 등을 극복하여 생분해 기간을 연장시킨 제품이다. 바이오 플라스틱을 상세히 분류하면 석유기반 생분해성 고분자 물질과 바이오매스 기반 물질을 포함하여 통칭하고 Agrocultural, Microbial, Biotechnology 및 Petrochemical Byproduct 등 5개로 구분할 수 있다. 세계적으로 환경오염 규제 및 지구온난화 방지를 위해 미국·유럽·일본을 중심으로 회수하기 어려운 일회용품 위주의 일반 플라스틱 사용 규제와 바이오 플라스틱 원료물질의 발굴과 관련 제품이 개발되고 있다. 바이오 플라스틱은 1900년대부터 전분계열의 천연고분자 물질을 기반으로 한 제품을 시작으로 최근에는 Bio-PET, Bio-PE 및 PLA 물질로 대체되고 있고 이 중 약 70%가 포장 재료로 사용되고 있다. 바이오 플라스틱 원료로는 옥수수·감자를 시초로 비식용 작물인 대두피·왕겨 등의 유기성 폐기물과 조류 등이 사용되고 있으며, 이를 활용한 연구가 광범위하게 수행되고 있다. 국내에서는 최근 미세조류와 박테리아를 이용한 바이오 플라스틱 원료물질의 생산 연구를 진행하였다. 그 사례로 한국과학기술연구원에서는 미세조류(Chlamydomonas Reinhardtii)와 박테리아(Corynebacterium Glutamicum)를 이용한 바이오 플라스틱 원료인 숙신산(Succinic Acid)을 세계 최초로 생산하였고, 한국과학기술원에서는 유전자조작 대장균을 이용하여 임플란트에 활용되는 의료용 고분자(폴리락테이트-co-글라이콜레이트, PLGA)를 생물학적 공정으로 생산하였다. 국내 기업과 지자체, 정부연구기관은 바이오 플라스틱 제품 개발 및 상업화에 투자하고 있다. 최근 바이오 플라스틱의 R&D 투자로서, 1) 울산시는 한국화학연구원과 190억 원을 투자해 비식용 식물자원 바이오매스로부터 바이오 플라스틱과 바이오슈가를 생산하는 설비 협의, 2) LG화학은 팜한농의 인수와 LG생명과학을 합병하여 바이오 플라스틱 사업 진출, 3) CJ제일제당은 약 112억 원의 자금을 투자하여 폴리히드록시알카노에이트(PHA) 기반 바이오 플라스틱을 생산하는 미국의 메타볼릭스 사의 인수 체결(생명공학 관련 연구시설, 설비 및 지적재산권 해당) 그리고 대구시는 CJ제일제당 및 롯데케미칼과 바이오 플라스틱 실증 플랜트사업을 공동 구축하여 진행하고 있다. 국외의 경우, 미국 농무부는 바이오매스 R&D법을 통하여 바이오화학 프로젝트를 진행하여 오고 있고, 유럽에서는 SPLASH-project(Sustainable Polymers from Algae Sugars and Hydrocarbons)에서 Botryococcus braunii를 이용하여 바이오 플라스틱의 생산 및 연구를 수행하고 있다. 미세조류를 활용한 소재 및 제품 개발 시 경제적인 바이오매스의 원료 확보는 중요하다. 미세조류는 담수·해수 등 다양환 환경에서 서식하며, 빛과 온도, 질소·인 및 탄소원 농도 등 조건에 따라 생장속도가 결정된다. 그동안 국내외 연구자들은 저가의 비용으로 미세조류 바이오매스를 대량생산하기 위해 이산화탄소 배출시설(예, 지역난방공사, 화력발전소)의 탄소원과 폐수(예, 축산폐수, 생활폐수, 산업폐수) 처리 시설 내 영양염류들을 활용하여 왔으며, 이외에 고밀도 조류배양을 위해서 유전학적 균주개량과 발광다이오드(LED: Light Emitting Diode) 기술을 적용해 왔다. 조류 종에 따라서는 광독립영양형 배양(Phototrophic Culture), 종속영양형 배양(Heterotrophic Culture), 혼합영양형 배양(Mixotrophic Culture) 및 광·종속영양형 배양(Photoheterotrophic Culture) 방식이 존재하며, 미국과 중국에서 혼합영양배양방법을 적용한 바이오매스 대량생산에 성공하였다. 미세조류 바이오매스 배양에 관한 실내조건의 연구가 최적화되었다면 지역의 환경과 생산물질에 적합한 조류 배양시스템의 대형화가 필요하다. 대량 배양시스템은 전 세계적으로 개방형 연못시스템(Open Ponds System)의 수로(Raceway) 형태와, 밀폐형 배양시스템(Closed System)으로 관형, 수직 원추형, 판형 및 내부 조명형의 광생물 반응기가 이용된다. 국내의 경우 밤낮의 높은 기온 차와 뚜렷한 4계절, 협소한 국토로 인해 공간 집약적 밀폐형 배양방식이 선호되고 있지만 전문가들마다 의견은 상이하다. 개방형 배양시스템의 경우 초기 투자비용과 유지, 보수 및 관리 비용이 비교적 저렴하지만 외부의 오염원과 탄소원 농도 공급의 불규칙성으로 고밀도 배양이 어려운 단점이 있다. 반면, 밀폐형 배양시스템의 경우 초기 투자비용과 운전비용이 개방형 시스템에 비해 비교적 높지만, 생물학(예, 박테리아) 및 비생물학적 요소(예, CO2 농도, 빛)의 통제와 배양시설의 멸균이 가능하여 고밀도 조류배양이 가능한 장점을 가지고 있다. 일반적으로 오픈형 배양기는 바이오연료 생산시설로 밀폐형 배양기는 고부가가치 원료 생산시설로 이용되고 있다. 현황연구결과, 미세조류 바이오매스의 고부가가치 물질 전환은 스피룰리나, 클로렐라 기능성 식품으로 위주로 나타났으며, 이외에 오메가3, 아스타잔틴 등의 다양한 항산화 물질을 이용한 식품, 화장품 산업이 발달되고 있다. 바이오 플라스틱의 경우, 감자·옥수수 등 전분계를 이용한 산업이 발달되었으며, 최근 비식용 작물과 조류 등 생물을 활용한 Bio-PET, PLA 생산기술이 개발되고 있다. 환경적 측면으로는 미세조류가 수계 방사성물질과 환경호르몬 등을 저감시킬 수 있는 사실이 입증되어 질소·인·중금속 오염원의 제거와 함께 활용범위가 확대되고 있다. 미세조류 자원화를 위한 관련 제도는 해당 법률에 의거하여 인증제도가 확립되었거나 보완 중이다. 기능성 소재의 경우 미세조류 기반 물질의 안전성과 효능을 위주로 평가되고 있으며, 바이오 플라스틱은 생분해성과 비생분해성 제품에 따라 바이오매스의 함량, 생분해도, 중금속 함량 등이 평가기준이다. 한편, 미세조류의 자원화는 대규모 설비 운용이 제한되어 원료의 대량 확보가 어렵다. 따라서 산·학·연·정의 협력을 통한 바이오매스 수급방안 확립과 기술의 상업화 연계를 위한 제도적 뒷받침이 필요하다고 사료된다.