인공 광합성과 생분해성: 지속 가능성을 염두에 둔 플라스틱 위협 대응

CO2 배출과 지구에 존재하는 비생분해성 플라스틱은 모두 되돌릴 수 없는 손상을 일으키는 위험 요소입니다. 특히, 열을 가두는 가스인 이산화탄소는 지구를 따뜻하게 만들며 결국 기후 변화를 초래합니다.

이 온난화 효과는 NASA의 추정치에 의해 강조되는데, 인간 활동이 200년도 채 되지 않아 대기의 이산화탄소 함량을 50% 증가시켰다는 것을 보여줍니다. 상황을 더욱 악화시키는 것은 스티로폼, 일회용 비닐봉투, 플라스틱 물병 등과 같은 재료에서 유래한 비생분해성 플라스틱으로, 이는 지하수와 식품 사슬을 오염시키고 대기를 더럽히는 또 다른 심각한 위협을 제기합니다.

이 얽힌 문제들을 해결하기 위해 오사카 메트로폴리탄 대학교의 연구원들은 이제 두 문제를 하나의 경로로 다루는 획기적인 방법을 고안했습니다. 이들은 이산화탄소 배출량을 낮추면서 폐기물을 재활용해 생분해성 플라스틱을 만들 수 있는 혁신적이고 효율적인 푸마르산 생산 방식을 제시했습니다. 이제 이 혁신이 의미하는 바와 작동 원리를 자세히 살펴보겠습니다.

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푸마르산의 지속 가능한 생산

푸마르산은 생분해성 플라스틱의 구성 요소입니다. 전통적으로 석유, 이산화탄소 및 바이오매스 유래 화합물에서 추출됩니다. 이제 연구원들은 푸마르산을 지속 가능하고 효율적으로 생산할 수 있는 해결책을 제시했습니다. 같은 목표를 향한 두 가지 연구가 진행되었습니다.

첫 번째 연구에서는 오사카 메트로폴리탄 대학교(OMU) 인공 광합성 연구센터의 아마오 유타카 교수 팀이 중탄산염과 바이오매스 유래 피루브산으로 푸마르산을 합성하는 방법을 제시했습니다. 이 과정에 사용된 에너지는 재생 가능한 태양 에너지였습니다.

과학자들은 또한 가스 단계에서 직접 공급되는 원료로서 이산화탄소를 사용해 푸마르산을 생산하는 데 성공했습니다. 그러나 실험에는 한계가 있었습니다. 푸마르산의 생산량이 충분히 많지 못했습니다. 생산량이 낮게 유지되었습니다.

하지만 이후 연구에서는 과학자들이 그 문제를 극복했습니다. 새로운 광감작제를 개발하고 인공 광합성에서의 진전을 이루어 전통적인 방법에 비해 푸마르산 수율을 두 배로 늘릴 수 있었습니다.

과학자들은 트리에탄올아민, 양이온성 수용성 아연 포피린, 아연 테트라키스(4-N, N, N-트리메틸 아미노페닐)포피린, 펜타메틸시클로펜타디엔리드 배위 로듐(III) 2,2′-비피리딜 복합체, NAD+, 말산 탈수소효소(NAD+-의존 옥살아세트산 탈카복실화) 및 푸마라아제를 포함하는 시스템을 이용해 가스 상태 CO2와 피루베이트로부터 가시광선 구동 푸마레이트를 효과적으로 생산하는 방법을 개발했습니다.

‘가시광선 구동 푸마레이트 생산을 위한 양이온성 아연 포피린 기반 광촉매 시스템과 이중 생촉매를 이용한 가스 상태 CO2와 피루베이트’라는 연구는 오사카 발효 연구소의 지원을 받았습니다.

전반적으로, 이 연구는 고급 인공 광합성 촉매를 제조하여 이산화탄소를 보다 효율적으로 사용해 생분해성 플라스틱을 생산할 수 있음을 실증적으로 입증했습니다.

하지만 인공 광합성과 그가 지속 가능하고 효율적으로 생분해성 플라스틱을 생산하는 데 기여하는 것이 왜 획기적인 것으로 여겨지는지 더 깊이 생각해 보면, 플라스틱이 큰 위협이었으며 지속 가능하게 생산된 생분해성 플라스틱을 만들려는 모든 노력이 높이 평가되고 장려되어야 함을 알 수 있습니다.

지구에서 플라스틱과 관련된 가장 심각한 피해 중 하나는 미세플라스틱에 의해 발생합니다. 미국 국립해양대기청(NOAA)은 미세플라스틱을 정의합니다. 이는 길이가 5밀리미터 미만인 작은 플라스틱 조각으로, 우리의 건강, 해양 및 수생 생물에 해를 끼칩니다. 이 범주에는 의도적으로 작게 설계된 플라스틱도 포함됩니다. 마이크로비드라고 불리는 이들은 많은 건강 및 뷰티 제품에 사용됩니다. 이러한 미세플라스틱은 여러 해로운 영향을 미칩니다.

미세플라스틱이 우리 몸에 들어갑니다 다양한 경로를 통해 우리 몸에 들어갑니다. 마시는 물, 섭취하는 음식, 사용되는 식품 용기 등은 모두 미세플라스틱 섭취 경로입니다. 또한 우리는 공기 중 미세플라스틱을 흡입하고, 개인 위생 제품 및 휴대폰 케이스와 같이 미세플라스틱이 포함된 제품을 사용함으로써 개인 접촉이 발생합니다.

인체 내부에 들어간 미세플라스틱은 다양한 건강 문제를 일으킬 수 있습니다. 산화 스트레스와 DNA 손상을 유발하고, 대사 장애를 초래하며, 간, 장, 뇌, 기도와 같은 주요 장기의 기능 장애를 일으킵니다. 또한 미세플라스틱의 독성은 생식 및 발달 능력을 손상시켜 인간 건강에 미치는 영향의 심각성을 보여줍니다.

미세플라스틱 문제는 인간 건강을 넘어 해양 생물에도 해를 끼칩니다. 물고기와 기타 수생 생물에 독성 영향을 미쳐 성장과 발달을 억제하고, 사망률을 높이며, 염증을 유발하고, 수영 속도를 감소시키며, 활력과 체길이를 감소시키고, 장 손상을 초래합니다. 이러한 증거는 미세플라스틱으로 인한 환경 오염을 해결하고 중단해야 할 긴급한 필요성을 강조합니다.

혁신적인 폐기물 수집 솔루션에 대한 긴급한 필요성을 강조했습니다. 예를 들어, 사막 연구소(Desert Research Institute) 연구원들이 수행한 획기적인 수중 다이빙 조사에 따르면, 타호 호수 바닥에서 킬로미터당 평균 83개의 플라스틱 쓰레기가 발견되었으며, 플라스틱 쓰레기가 전혀 없는 구역은 없었습니다. 흔히 발견된 항목으로는 식품 용기, 병, 비닐봉투, 장난감 등이 있으며, 가장 흔한 플라스틱 6종은 폴리염화비닐(PVC), 폴리스티렌, 폴리에스터/폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드였습니다.

수중 플라스틱을 정화하기 위한 실현 가능한 대안을 제공하는 여러 솔루션 제공업체가 존재하지만, 연구자들은 ‘지속 가능성 지표’가 플라스틱 오염을 억제하는 잠재력을 평가하는 데에도 관심을 가지고 있습니다. 우즈홀 해양 연구소의 연구원들은 환경에 대한 지속성이 낮은 플라스틱 제품의 생태학적 설계를 위한 지속 가능성 지표를 개발했습니다. 연구진은 이 지표가 환경 및 사회적 이익을 제공할 수 있다고 믿었습니다.

이 연구는 플라스틱 오염 문제를 해결하기 위한 혁신적이고 창의적인 방식을 제시했습니다. 이 접근법은 우리가 익숙한 사회적 영향 회계와 다소 유사하게 보일 수 있습니다. 플라스틱 및 그 대체품의 환경 영향을 나타내는 지수를 비교했으며, 플라스틱의 환경 지속성을 회계하고 효율적으로 대체하면 단일 소비재에 수백만 달러의 이익을 가져올 수 있음을 보여주었습니다.

연구의 주요 저자인 재료 과학자이자 엔지니어인 브라이언 제임스는 다음과 같이 말했습니다:

“우리가 결정해야 할 중요한 점은 기능적이고 지속 가능하며 무해한 재료, 제품, 그리고 프로세스를 설계하여 녹색 재료 공학의 모든 원칙을 우리가 살아갈 미래 세계에 구현하는 방법입니다.”

전반적으로, 충분히 생분해 가능한 플라스틱을 만들고 적절한 대안을 찾는 일은 과학 및 기술 커뮤니티를 바쁘게 만들고 있습니다. 이 분야에서 활발히 활동하는 대기업부터 중소기업까지 많은 기업이 존재합니다.

#1. Mitsubishi Chemical Group

Mitsubishi Chemical Group은 이 분야에 꽤 오랫동안 활발히 참여해 왔습니다. 2012년 10월에 설립된 일본 인공 광합성 화학 공정(ARPChem) 기술연구협회의 회원으로서, Mitsubishi Chemical Corporation(MCC)은 신에너지·산업기술개발기구(NEDO)가 수행한 인공 광합성 프로젝트에 참여했습니다. 그 이후로 Mitsubishi는 프로세스의 효율성과 최적화를 달성하기 위해 지속적으로 노력해 왔습니다.

우리가 논의의 서두에서 다룬 연구는 푸마르산을 지속 가능하게 생산하는 것이었습니다. 그러나 Mitsubishi Chemical Group의 노력은 올레핀 생산에 초점을 맞추고 있습니다.

이 과정에서 합성 촉매는 분리된 수소와 이산화탄소 사이의 반응을 가능하게 하는 중요한 역할을 합니다. Mitsubishi가 적합한 촉매를 개발하고 필요한 공정 기술을 정제함으로써 수율이 크게 향상되어 올레핀 생산이 보다 효율적으로 이루어졌습니다.

그 결과, 올레핀은 플라스틱을 만들기 위한 원료로 효과적으로 생산되어, 화학 산업에서 지속 가능한 제조 관행을 진전시키는 Mitsubishi의 기여를 보여줍니다.

NEDO가 운영하는 그린 이노베이션 프로젝트는 2022년 2월에 인공 광합성 기반 화학 원료 생산에 대한 Mitsubishi의 상업적 개발을 자금 지원 대상으로 선정했습니다.

추가 개발 단계에서는 이 프로세스가 석유 원료를 전환하고, 석유화학 제조 기술, 촉매 개발 기술 및 대학·연구소와의 협력을 통해 이산화탄소를 활용한 플라스틱 생산 기술을 개발하는 데 활용될 것입니다.

Mitsubishi Corporation은 2023년 3월 31일에 종료되는 회계연도에 대한 통합 보고서를 발표했습니다. 이 회사는 1590억 달러 이상의 수익을 올렸습니다.

#2. Evonik and Siemens

기술적 광합성이라고 불리는 분야에서, 두 기업인 Evonik과 Siemens는 재생 에너지와 박테리아를 이용해 이산화탄소를 특수 화학 물질로 전환하고 있습니다. 이들은 Rheticus라는 공동 연구 프로젝트 하에 이 작업을 수행하고 있습니다. 연구의 첫 단계에서는 특수 플라스틱 및 식품 보조제의 원료가 되는 부탄올과 헥산올과 같은 화학 물질이 생산되었습니다.

Evonik의 전략 연구 부서 Creavis에서 프로젝트를 담당하고 있는 Thomas Haas 박사에 따르면:

“Rheticus 플랫폼을 통해 인공 광합성이 실현 가능함을 입증하고자 합니다.”

이 주장을 현실화하기 위해 Evonik과 Siemens는 각각의 핵심 역량을 제공하고 있습니다. 예를 들어, Siemens는 전기분해 기술을 통해 첫 단계에서 전기를 이용해 이산화탄소와 물을 수소와 일산화탄소로 전환하는 과정을 지원합니다.

Evonik의 기여는 발효 과정을 강화하는 데 초점을 맞추고 있으며, 일산화탄소를 함유한 가스를 특수 미생물에 의해 대사 과정을 통해 유용한 제품으로 전환합니다.

플라스틱 및 특수 화학 산업에 대한 잠재력을 설명하면서, Haas 박사는 다음과 같이 말했습니다:

“이 플랫폼은 위치, 원료 공급원 및 제조 제품 측면에서 모듈식 특성과 유연성을 가지고 있어 특히 특수 화학 산업에 매력적입니다. 우리는 다른 기업들도 이 플랫폼을 활용하여 자체 모듈과 통합해 화학 제품을 제조할 것이라고 확신합니다.”

가장 최신 연간 재무 보고서에 따르면, Evonik Group은 2022년에 거의 185억 유로의 매출을 기록했습니다. 이 매출 중 특수 첨가제와 영양·케어가 각각 23%를 차지했습니다. 스마트 소재 매출은 매출의 26%를 차지했으며, 퍼포먼스 소재가 20%, 기술 및 인프라 제품·서비스가 8%를 차지했습니다.

2023 회계연도에 Siemens는 연간 매출이 약 220억 유로에 달했다고 보고했으며, 이는 2022 회계연도에 기록된 195억 유로보다 크게 증가한 수치입니다.

플라스틱과 우리의 지속 가능성 여정

집단적인 노력으로 우리는 재생 가능한 자원에서 에너지를 얻는 생분해성 플라스틱, 즉 생분해성 플라스틱 또는 바이오 기반 재료가 일반 플라스틱과 동등한 내구성과 사용성을 갖추도록 해야 합니다. 이러한 바이오플라스틱은 기존 플라스틱 기계로 가공될 수 있으며 전통적인 창고에 보관될 수 있어 자원 중복 사용을 효과적으로 없앨 수 있습니다.

플라스틱 폐기물 문제에 대한 실질적인 대안을 찾지 못하면 여러 국가에 심각한 위험이 초래됩니다. 예를 들어 동남아시아는 급속한 도시화와 중산층 급증으로 인해 플라스틱 오염의 ‘핫스팟’이 되었습니다. 효율적인 인프라 부족이 겹쳐져 재활용 플라스틱의 효율성이 저하되었습니다.

COVID 시기에 마스크, 소독제 병, 온라인 배송 포장재 사용이 증가하면서 폐기물 관리 문제가 더욱 악화되었습니다. 세계은행이 제시한 데이터에 따르면 태국, 필리핀, 말레이시아와 같은 국가에서는 재활용 플라스틱의 물질 가치 중 75% 이상이 손실되고 있으며, 이는 일회용 플라스틱이 회수·재활용되지 않고 폐기될 때 연간 60억 달러에 해당합니다.

이러한 폐기물 관리 부실과 인프라 부족을 고려할 때, 바이오플라스틱은 이러한 문제에 얽매이지 않는 가장 효과적인 대안으로 부상합니다. 또한 바이오플라스틱은 기존 화석 연료 의존도를 낮추어 지속 가능성 노력에 기여합니다. 생분해성 플라스틱을 사용하면 폐기 및 재활용 시 최종 단계 시나리오가 개선됩니다.

그럼에도 바이오플라스틱의 비중은 아직 우리 미래가 완전히 지속 가능한 수단에 의존하기에 충분히 높지 않습니다. 한 추정에 따르면 전 세계 연간 3억 6700만 톤의 플라스틱 생산 중 바이오플라스틱 비중은 1% 미만에 불과합니다. 그러나 포장, 소비재, 건축·건설, 자동차·운송, 섬유, 농업·원예, 전기·전자, 코팅·접착제 등 다양한 적용 분야에서 향후 몇 년간 상당한 성장이 예상됩니다.

인공 광합성 및 재생 에너지 기반 플라스틱 구성 요소의 지속 가능한 생산과 같은 최첨단 연구 기반 기술은 플라스틱 문제 해결 방식에 큰 영향을 미칠 것입니다. 이러한 과정은 환경 친화적인 플라스틱을 제공할 뿐만 아니라, 거의 무배출에 가까운 지속 가능한 생산 생태계를 구축하게 됩니다.