설탕으로 플라스틱 만든다…CJ그룹 계열 바이오머티리얼즈 개발

미세플라스틱이 대표적 환경오염 물질로 거론되면서 기존 플라스틱 대체재로 바이오플라스틱에 대한 관심이 확대되고 있다. 이 가운데 설탕이 대안 소재로 부상하고 있으며, 설탕의 미생물 발효를 통한 플라스틱 소재 생산 기술이 주목받고 있다.

이 방식으로 생산되는 PHA의 정식명칭은 폴리하이드록시알카노에이트로, 바이오 기반 고분자다. CJ 그룹 산하 CJ바이오머티리얼즈는 설탕을 미생물에 공급해 PHA 생산 기술을 개발했으며, 생산된 PHA의 활용 대상은 포크·나이프·포장재 등이다. PHA는 토양·해양 환경에서 생분해되는 특성이 있어 사용 후 자연적 생분해가 가능하고 미세플라스틱 잔존이 없어 친환경 솔루션으로 평가된다.

관련 내용은 AP통신이 보도했다. CJ바이오머티리얼즈의 연구개발 거점은 미국 매사추세츠주 우번(Woburn)에 있으며, 이곳에서 다양한 일회용 플라스틱 대체 소재를 개발하는 방향으로 PHA 기술이 추진되고 있다.

CJ바이오머티리얼즈 연구소가 개발한 제조법은 미생물 대사 작용을 활용하는 방식이다. 미생물에 설탕 공급을 하면 미생물이 설탕을 에너지원으로 활용하는 과정에서 PHA 생성이 이뤄지고, 이후 생성된 PHA 회수가 진행된다.

회수 PHA는 과립형 펠릿화 과정을 거치며, 이렇게 만든 PHA 펠릿은 플라스틱 제품 제조업체 공급이 가능하다. 제조업체는 PHA 펠릿 용융 가공 가능하며, 기존 플라스틱 펠릿과 유사한 방식의 가공이 가능하다. 가공 가능 품목은 포크·빨대·컵·식품 용기·포장 필름 등이다.

우번 연구소는 이 소재의 실제 제품 적용 실험 진행에 나섰다. 연구진은 PHA 펠릿 성형기 투입을 통해 포크 제작을 했고, 녹인 소재 압연을 통해 식품 포장용 필름 제작도 진행했다.

시험용 포크 일부는 가정용 퇴비화 가능 수준의 얇은 두께로 제작됐다. 해당 얇은 포크는 기존 플라스틱 포크보다 쉬운 휨을 보였으며, 일부 분자 배치 변경 시 일반 플라스틱 포크와 유사한 강성 구현이 가능했다.

기존 식품 포장용 필름은 높은 강도를 지녔지만 랩형 신장성이 부족하다. 이에 연구진은 기존 플라스틱과 유사 물성을 확보하면서도 사용 후 퇴비화 가능 소재를 개발하는 데 역량을 집중하고 있다.

바이오플라스틱이 주목받는 요인 중 하나는 사용 후 처리 방식이다. 석유화학 기반 플라스틱은 자연환경에 수십 년~수백 년 잔류하며, 분해 과정에서 미세플라스틱·나노플라스틱이 생긴다.

미세플라스틱은 해양·대기·식품·식수는 물론 최근에는 인체에서도 발견됐으며, 환경·건강에도 악영향을 미치는 것으로 밝혀졌다. 이 같은 점에서 사용 후 처리 방식은 소재 선택의 중요한 기준으로 제시된다.

CJ바이오머티리얼즈 홈페이지는 자사 PHA가 폐기 후 미생물에 의해 분해된다고 설명한다. CJ바이오머티리얼즈는 또 PHA 플라스틱이 퇴비 더미 내에서 약 6개월 이내에 분해된다고 발표했으며, 최대 6개월 내 퇴비화가 가능해 미세플라스틱 잔류 우려를 줄일 수 있다고 제시한다.

바이오플라스틱은 원료 기준과 분해 특성 기준으로 2가지로 분류된다. 바이오 기반 플라스틱은 옥수수·사탕수수 등 재생 가능한 자원 원료 소재를 뜻하고, 생분해성 플라스틱은 자연적 과정에서 미생물 등에 의해 완전 분해되는 소재를 뜻한다. 두 기준은 항상 일치하지 않아 바이오 기반·비생분해 소재가 존재하고, 석유 기반·생분해 소재도 존재한다.

이런 구분 속에서 CJ바이오머티리얼즈가 개발한 PHA는 재생 가능 원료인 설탕을 원료로 하며, 토양·해양 환경 생분해 특성을 갖춰 바이오 기반·생분해성 동시 확보 사례로 제시된다. 회사의 주요 대체 대상은 식품 오염으로 재활용 어려운 일회용 플라스틱으로, 음식물 쓰레기 묻은 기존 플라스틱 용기는 재활용 과정에서 별도 처리가 필요하지만 퇴비화 가능한 PHA 용기는 음식물과 함께 퇴비화 시설로 이송할 수 있다. 또 PHA 용기는 음식물 쓰레기 매립지 분해 과정의 메탄 배출 저감에 도움을 준다.

연구소 내에는 PHA 제품 전시가 이뤄지고 있으며 전시 품목은 식기, 빨대, 음료용 코팅 컵, 냉동식품 파우치, 초밥용 트레이, 라면 용기, 재사용 가능한 종이타월이다. 미국 내 PHA 적용 제품 상용화와 뚜레쥬르의 PHA 빨대 사용 사례는 PHA 적용 제품이 이미 일부 시장에서 쓰이고 있음을 보여준다.

다만 바이오플라스틱의 전체 플라스틱 시장 비중은 미미하다. European Bioplastics 집계에 따르면 전 세계 연간 플라스틱 생산량은 4억 톤 이상이며, 이 가운데 바이오 기반 플라스틱 비중은 약 0.5%다.

그럼에도 수요 증가는 이어지고 있으며 새 응용 분야도 확대되고 있다. 2030년까지 생산량 약 2배 증가 전망이 나온다. 천연 고분자 소재 주요 수출국은 중국, 스웨덴, 미국이며, 대형 스포츠 경기장의 바이오 기반 포장재·식기류 적용 시험과 맥도날드 등 글로벌 외식업체의 바이오 기반 포장재·식기류 적용 시험도 진행되고 있다.

반면 바이오 기반 플라스틱은 기존 석유화학 기반 플라스틱 대비 높은 생산비가 한계로 지목된다. 퇴비화 시설 부족 지역에서는 제품 장점 활용이 제약된다는 점도 확산의 제약으로 제시된다.

세계자연기금(WWF)은 바이오플라스틱을 오염 문제 대응 해법 중 하나로 인식하고 있으며, 이에 따라 바이오플라스틱의 실효성을 확인하는 실험도 이어지고 있다.

미국 환경연구단체 5 자이러스 연구소(5 Gyres Institute)는 기존 플라스틱·바이오 기반·생분해성 소재·종이·대나무 등 대체 소재 제품 22개를 대상으로 64주 동안 실험을 진행했다. 빨대·식기·얇은 필름·병을 미국 플로리다·캘리포니아·메인주의 다양한 환경에 배치한 뒤 변화를 관찰한 결과, 일부 생분해성 소재는 상당 부분 소실되거나 표면에 구멍·균열이 발생했고, 일부 생분해성 소재의 분해 과정이 확인됐다. 반면 화석연료 기반 기존 플라스틱은 대부분 잔존했다.

5 자이러스는 2023년 이 같은 연구 결과를 발표했으며, 이후 차세대 포장재의 사용 후 처리 환경을 평가하는 후속 연구를 진행하고 있다.

플라스틱 문제 대응에는 플라스틱 생산 감축 노력 병행 필요가 함께 언급되며, 특히 재활용 어려운 식품 포장재 대상과 일회용품 대상에서 바이오플라스틱이 성공적으로 정착할 경우 미세플라스틱 문제 해결에 진전 기대, 나노플라스틱 문제 해결에 진전 기대가 나온다.

출처: 아이티데일리 (IT DAILY) · 조민수 기자
원문: https://www.itdaily.kr/news/articleView.html?idxno=241078

참고자료

• https://www.itdaily.kr/news/articleView.html?idxno=241078