바이오인

플라스틱 폐기물 문제를 해결하는 다양한 기술

BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 25-15

 ◆︎  오염된 혼합 플라스틱 폐기물을 처리하고, 유용한 원료로 전환할 방법은 무엇인가?

○ 매년 생성되는 플라스틱 폐기물의 10∼15%만 재활용되고 나머지는 소각, 매립 또는 쓰레기로 방치

※ OECD는 2060년 플라스틱 폐기물이 연간 10억 톤 이상으로 급증하고, 재활용되는 비율은 17% 정도로 예상

< 플라스틱 폐기물 배출 및 처리량 >

출처: Nature, Can this revolutionary plastics-recycling plant help solve the pollution crisis?, 2025.2.4.

- 플라스틱 폐기물은 다양한 플라스틱과 음식물, 잉크, 라벨 등의 오염물로 혼합되어 기존의 재활용 방식으로 처리하기 어려움

※ 기존 재활용 방식은 저품질 재료를 생성하여 경제적 유인이 낮기 때문에 플라스틱 폐기물을 효율적으로 처리하고 재활용할 새로운 기술의 필요성이 대두

 ◆︎ 우선 화학적 방법을 통해 오염된 혼합 플라스틱 폐기물을 유용한 화학 물질로 전환하는 기술을 소개

○ 이 기술은 영국의 Mura Technology에서 개발한 Hydro-PRT(hydrothermal plastic recycling technology)로, 고온 고압의 초임계수(supercritical water)*를 이용하여 효율적으로 오염된 플라스틱을 재활용하는 방식을 제안

* 초임계수의 역할: 물은 초임계 상태에서 액체와 기체의 성질을 모두 가지며, 고효율로 플라스틱 분자를 분해

- 플라스틱 폐기물을 400°C 이상의 온도와 220기압의 초임계 상태의 물을 통해 분해하여 화학적 원료로 전환

- 생성된 화학물질은 정제 과정을 거쳐 나프타(naphtha), 가스오일(gas oil), 아스팔트 첨가제 등으로 분류

- 이같은 재활용 공정을 통해 플라스틱 생산을 순환형 제조 프로세스로 전환하여 화석연료 의존도를 줄이고 환경적 영향 최소화를 목표

< Hydro-PRT 공정 설명 >

○ Hydro-PRT 기술은 효율성과 경제성 측면에서 기존 열분해(pyrolysis) 방식보다 우수한 결과를 확보

- 수 시간이 걸리는 기존의 열분해 대비 약 30분 내에 유용한 화학 물질을 생산하였으며, 소각 대비 CO₂ 배출량이 약 80% 낮음

- 주요 생성물은 나프타와 가스오일 형태로, 기존 화석연료 기반의 나프타 생산 공정을 대체할 수 있으며, 기존 플라스틱 제조 공정과 연계될 수 있을 것으로 기대

※ 또한 초임계수 공정은 열분해 방식보다 더 깨끗하고 품질 높은 물질을 생성하며, 오염도가 높은 폐기물도 처리가 가능

○ 초임계수를 활용한 공정은 플라스틱 재활용의 새로운 가능성을 열었으나, 여전히 플라스틱 생산량의 급증 문제를 해결하기에는 제한적

< 영국에 설립된 Mura Technology 공장 >

- 화석연료 기반 나프타 생산을 대체할 수 있지만, 전체적으로 순환 경제로의 전환을 위해서는 추가적인 노력 필요

- Mura Technology는 영국에 시범 공장*을 운영하며 기술의 상업적 가능성을 평가 중

* Mura Technology의 영국 공장은 연간 23,000톤의 플라스틱 폐기물을 처리할 수 있도록 설계되었으며, 2023년 10월 연간 2만톤 규모의 초임계 열분해 공장을 준공

- 한편, 규제와 정책 변화에 따른 기술 개선 및 추가 연구를 통해 재활용 효율성과 경제성을 높일 계획

※ EU 및 영국의 재활용 콘텐츠 의무화 규정(예: 2030년까지 포장재 30% 재활용 포함 목표) 준수 필요

※ 영국은 2027년부터 모든 지역 당국이 가정에서 수거된 플라스틱 필름 및 유연 포장재를 재활용하도록 의무화하는 법안을 도입

○ 독일, 미국, 싱가포르, 일본, 한국 등 전 세계적으로 유사한 공장을 설립할 계획이며, Mitsubishi 및 LG화학 같은 글로벌 기업들이 해당 기술에 투자

- 특히, LG화학은 Mura Technology와 파트너십을 맺고, Hydro-PRT 기술을 활용하여 한국 및 아시아 지역에 새로운 재활용 플랜트를 설립할 계획

※ LG화학은 충남 당진 석문국가산업단지에 초임계 열분해유 공장 설립, 2025년 내 상업 생산에 돌입할 예정으로, 연간 2만 톤의 초임계 열분해유 생산 예정

두 번째로는, 생물학적기술인 바이오리미디에이션(Bioremediation)의 발전과 상용화 가능성을 소개

○ 유전자편집, 합성생물학, 메타게놈 분석 등을 활용하여 친환경적이면서도 효율적인 플라스틱 분해 시스템을 구축 중

- 일부 상용화가 진행 중인 바이오리메디에이션 기술 사례를 통해 가능성을 평가

○ 유전자 편집을 통한 미생물 군집 공학을 통해 오염된 환경에서 미생물을 직접 변형하여 오염 물질을 제거하는 첨단 바이오리메디에이션 전략 소개

- DART(DNA-editing All-in-one RNA-guided CRISPR–Cas Transposase)*라는 이 시스템은 유전자 편집기술을 통해 플라스틱 분해 효소 유전자를 삽입

* Jennifer Doudna(CRISPR 시스템 공동 개발자) 연구팀이 개발

- 기존에 플라스틱 분해 능력이 없던 미생물에도 PET 플라스틱 분해 효소인 PETase 유전자를 삽입하여 플라스틱 분해 능력을 부여

- 특히, 자연 환경에서 바로 사용할 수 있도록 설계되어 실험실에서 배양하기 어려운 비배양성 미생물(Unculturable Microbes)까지도 유전자 편집이 가능

※ 저온에서도 활성을 갖는 플라스틱 분해 효소 유전자를 삽입함으로써, 다양한 기후 환경에서도 플라스틱 분해가 가능하도록 개선

○ 플라스틱 분해 효소를 유전적으로 변형하여 플라스틱 분해 효율을 획기적으로 향상

- Carbios라는 기업은 PETase 효소에 대한 209개의 변이체를 생성하고 효율이 높은 효소를 선별

- 최종적으로 90% 이상의 PET를 10시간 내 분해할 수 있는 효소를 개발

※ 연간 50,000톤의 플라스틱을 재활용할 수 있는 공장을 프랑스에 설립 중이며, 2025년 완공 예정

○ 플라스틱 표면에 Biofilm을 형성하는 미생물을 활용하여 플라스틱 분해 효율을 향상시키는 기술을 개발

- 해변에서 플라스틱에 형성된 Biofilm을 채취하고, Pseudomonas stutzeri라는 새로운 플라스틱 분해 박테리아를 발견

※ 해당 박테리아는 Esterase 및 MhETase 효소를 생성하여 플라스틱을 분해

- 플라스틱 분해 효소 자체를 개선하는 대신 박테리아의 서식 환경을 조절하여 효율을 높이는 새로운 접근법으로, 바이오필름을 형성하는 박테리아의 사용으로 플라스틱 표면과의 접촉 면적을 증가시켜 분해 속도를 향상

○ 합성생물학(synthetic biology)을 활용하여 플라스틱 등 오염물질을 분해할 수 있는 새로운 효소 개발

- Allozymes라는 회사는 합성생물학과 머신러닝을 결합하여 자연계에 존재하지 않는 새로운 효소를 설계

- 머신러닝을 사용하여 특정 기능을 수행할 수 있는 단백질 서열을 예측 → 예측된 단백질 서열을 합성하여 박테리아에 삽입하고 실험을 통해 기능을 검증

※ 드롭릿 기반 기술(droplet-based technology)을 활용하여 하루 2천만 개 이상의 효소 변이체를 스크리닝

- 플라스틱 분해 외에도 금 추출용 효소 및 리튬이온 배터리 재활용 효소, 영구화학물질로도 알려진 PFAS(Per- and polyfluoroalkyl substances, 과불화화합물)와 같은 유해 화학물질 제거를 위한 효소 개발 가능

○ Blueremediomics는 해양 미생물 군집의 메타게놈을 분석하여 새로운 플라스틱 분해 효소를 발굴하는 프로젝트

- EMBL-EBI에 저장된 해양 미생물 메타게놈 데이터베이스를 사용하여 플라스틱 분해 효소 후보를 탐색

- AlphaFold를 활용하여 발굴된 단백질 서열의 3D 구조를 예측하고, 기존 플라스틱 분해 효소와 구조적 유사성을 평가

※ 저온 활성화 효소를 발굴하여 에너지 효율적인 플라스틱 분해 가능성을 확보

- 메타게놈 분석과 AI 기반 단백질 구조 예측을 통해 해양 미생물에서 새로운 효소를 발굴

※ 실험실에서 배양이 어려운 비배양성 미생물로부터 효소를 찾을 수 있는 강력한 기술

○ 균류(fungi)를 활용하여 마이크로플라스틱과 나노플라스틱을 제거하는 기술을 소개

- 백색 부후균(white rot fungi) 등 특정 균류가 물 속의 마이크로플라스틱을 내부 펠릿 형태로 저장하는 특성을 활용

- 플라스틱을 직접 분해하지 않고, 균류 내에 흡수하여 플라스틱 입자를 제거

- 저비용, 저에너지 방식으로 미세플라스틱을 물에서 제거할 수 있는 기술로, 기존 플라스틱 분해 효소 기반 기술의 한계를 보완할 수 있는 새로운 접근법

○ PFAS 제거를 위해 인공 식물과 균류를 결합한 시스템을 개발

- 기존의 역삼투압이나 이온교환수지 방식보다 비용 효율적인 PFAS 제거 시스템으로, 셀룰로오스와 리그닌으로 만든 인공 식물을 제작하여 PFAS를 흡착하여 제거

- 인공 식물 내에 백색 부후균 및 특정 박테리아를 배양하여 PFAS를 효율적으로 흡착시킴 → PFAS가 흡착된 인공 식물은 이후 수거하여 안전하게 폐기 가능

○ 항생제, 농약, 염료와 같은 신종 오염물질(emerging contaminants)을 제거하기 위해 식물과 미세조류를 활용한 바이오리미디에이션 기술을 개발

- 해당 기술은 한양대학교 전병훈 교수 연구팀이 개발한 내용으로, 습지대 식물(wetland plants), 미세조류, 미생물과 활성 슬러지(activated sludge)의 조합을 활용하여 오염물질 제거 가능성을 제안

- 습지대 식물이 항생제 및 농약을 흡수할 수 있는 능력을 연구

※ 물 속의 항생제 농도를 최대 80% 이상 감소시킬 수 있었으며, 식물에 흡수된 항생제가 박테리아 및 미생물 군집에 의해 추가적으로 분해됨을 확인

- Chlamydomonas mexicana라는 미세조류가 염료를 흡수 및 분해하는지 연구

※ 실험실 환경에서 염료를 최대 90%까지 제거할 수 있으며, 특히 Red HE8B, Reactive Green 27, Acid Blue 29 등 대표적인 산업용 염료가 제거됨을 확인

※ 인도 섬유 산업의 염료 오염 문제 해결에 적용 가능성이 높음

- 폐수 처리 과정에서 생성되는 활성 슬러지를 미세조류와 결합하여 염료 분해 효율을 높이는 연구 진행

※ 활성 슬러지 내 박테리아와 미세조류가 함께 작용하여 염료를 빠르게 분해하는 상호작용을 확인

※ 미세조류가 염료를 분해한 후 생성된 부산물을 박테리아가 추가적으로 대사하여 완전히 분해하는 과정을 실험적으로 증명

...................(계속)

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