지속가능성
플라스틱 친환경 대안: 지속 가능성 노력의 핵심 – 생분해성 플라스틱이 해결책일까?
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우리 생태계에서 미세플라스틱의 축적이 잘 문서화되어 있으며, 최근 증거는 이들이 다양한 생물학적 과정에 해로운 영향을 미친다고 시사합니다. 우리가 폐, 동맥, 그리고 심지어 태반에서 미세플라스틱을 발견함에 따라, 그들이 환경과 인간 건강에 미치는 영향을 아직도 배우고 있습니다.
인간에 의한 플라스틱 사용이 널리 퍼져 있기 때문에 미세플라스틱이 발생했으며, 이는 환경에 지속되는 경향이 있습니다. 미세플라스틱은 일상적인 플라스틱 제품에서 떨어져 나오는 아주 작은 조각으로, 일반적으로 5밀리미터(mm)에서 500마이크로미터(µm) 사이의 크기를 가집니다.
이 입자들은 병, 봉투, 포장재 및 기타 플라스틱 원천뿐만 아니라 타이어 마모, 합성 섬유, 개인 위생 제품의 마이크로비드에서 유래합니다. 미세플라스틱은 일반적으로 마모, 자외선 분해, 제조 공정, 물리적 또는 화학적 파편화 등 다양한 물리·화학적 과정에 의해 형성됩니다.
바다, 강수, 토양 등 자연 환경에 미세플라스틱이 축적되는 것은 석유 기반 플라스틱 고분자의 화학적 특성 때문입니다. 이러한 고분자는 단위체라 불리는 작은 분자들로 구성된 큰 분자이며, 널리 사용되는 플라스틱은 일반적으로 생물학적 처리에 접근하기 어렵습니다.
거의 파괴되지 않으며 분해되는 데 수십 년에서 수세기가 걸리는 특성 때문에 전통적인 석유 기반 플라스틱과 미세플라스틱에 대한 대체재에 대한 필요성이 커지고 있습니다. 이러한 해결책은 정상적인 수명 주기 동안 지속적인 미세플라스틱을 생성하지 않는 플라스틱을 개발하는 것입니다.
플라스틱을 제대로 수집하고 재활용하더라도 일상 사용 시의 마모나 재활용·세척 과정에서 여전히 미세플라스틱이 발생합니다. 따라서 이를 방지하기 위해서는 완전히 생분해되는 새로운 플라스틱 소재를 개발해야 하며, 이는 환경 내 살아있는 유기체의 작용으로 빠르게 분해된다는 의미입니다.
이를 돕기 위해, 새로운 연구 Algenesis Corporation과 캘리포니아 대학교 샌디에고(UC San Diego) 과학자 및 교수진이 7개월 안에 미세플라스틱 수준으로 생분해되는 식물 기반 고분자를 만들었습니다.
생분해는 미생물이 고분자를 더 간단한 분자로 분해하는 과정입니다. 이러한 분자는 탄소원으로 활용되어 바이오매스를 생산할 수 있습니다. 그러나 이를 위해서는 고분자가 주로 기본 골격 구조에 화학 결합을 가지고 있어야 합니다.
이는 효소가 이러한 결합을 기질로 자연스럽게 인식하여 물리적으로 접근할 수 있기 때문입니다. 효소적 절단을 통해 방출된 기본 단위체 분자는 미생물에 의해 소비될 수 있습니다.
우리 자연 환경에서는 이 전체 과정이 일반적으로 박테리아와 곰팡이와 같은 미생물 그룹에 의해 수행됩니다. 이 미생물들은 가수분해 효소를 분비하여 고분자를 분해하고 다양한 올리고머와 단위체를 방출하여 탄소 영양원으로 활용합니다.
다음으로 고분자 유래 단위체와 올리고머의 이화작용이 일어나며, 이는 복합 분자의 분해를 포함합니다. 이 과정은 유기체 바이오매스와 호흡을 통한 이산화탄소(CO2) 생산을 초래합니다.
문제는, 바이오 기반 소재가 자연 재생 가능한 원천에서 유래될 수 있지만, 제한된 생분해성 때문에 환경에 남아 있다는 점입니다. 또한 이러한 지속성은 화학적 처리로 인해 생물학적 분해가 어려워지는 경우도 있습니다.
생분해성은 재료의 특성에 따라 결정되므로, 실제로 석유 및 기타 화석 자원으로도 생분해성 소재를 생산할 수 있습니다.
불가능을 달성하기
DOE(에너지부)의 자금 지원을 받은 이 연구는 이미 존재하는 소재에 대한 생분해성 대체재를 찾는 것을 목표로 합니다. 그러나 환경에 축적되지 않는 소재를 찾는 것은 “쉽지 않다”고 Algenesis의 공동 설립자이자 공동 저자인 Michael Burkart가 말했습니다.
이 소재 과학 회사의 특허받은 Soleic™ 기술은 식물에서 만든 세계 최초의 재생 가능하고 완전 생분해되며 고성능 플라스틱 소재입니다. Algenesis는 이 소재 기술을 활용해 신발, 서핑보드 및 풋웨어를 생산합니다. UC San Diego의 화학·생화학 교수인 Burkart에 따르면:
“우리는 아직 미세플라스틱의 의미를 이해하기 시작한 단계입니다. 환경 및 건강에 미치는 영향의 표면만을 살짝 긁어본 수준입니다.”
그들의 작업에 대해 이야기하면서, Algenesis의 공동 설립자이자 공동 저자인 Robert Pomeroy는 Bukart와 마찬가지로 회사에 지분을 보유하고 화학·생화학 교수로 재직하고 있으며, 5년 이상 전에 처음으로 조류 기반 고분자를 만들었다고 언급했습니다. 그는 이 고분자가 완전히 생분해되어 ‘퇴비에서 사라질’ 수 있다고 이해했습니다.
하지만 이번이 처음으로 팀이 미세입자 수준에서 이를 측정할 기회를 얻었습니다. 이를 위해 재료를 미세한 미세입자로 분쇄했으며, 미생물에 의해 소화되고 있음을 확인하기 위해 세 가지 다른 측정 도구를 사용했습니다.
첫 번째 도구는 호흡계측기로, 재료가 미생물에 의해 분해될 때 방출되는 이산화탄소(CO2)를 측정하는 데 사용되었습니다. 셀룰로오스 분해와 100% 생분해성이라는 업계 표준을 비교했을 때, 결과는 식물 기반 고분자가 셀룰로오스와 거의 100% 일치함을 보여주었습니다.
두 번째 도구는 물 부양법으로, 플라스틱이 물에 불용성이고 평평하다는 사실을 이용해 표면에서 쉽게 제거할 수 있게 합니다. 90일 및 200일 간격으로 수행된 테스트에서 석유 기반 미세플라스틱은 거의 모두 회수되었습니다. 반면 조류 기반 미세플라스틱은 9일 후 32%만 회수되었고 200일 후에는 겨우 3%만 회수되어 높은 생분해성을 보여주었습니다.
가스 크로마토그래피/질량 분석(GCMS) 화학 분석에서 단위체가 검출되어 고분자가 초기 식물 재료로 분해되고 있음을 나타냈습니다.
“이 소재는 사용 중에 미세플라스틱을 생성하지 않는 최초의 플라스틱으로 입증되었습니다.”
– 공동 저자 Stephen Mayfield, Algenesis 공동 설립자
그는 추가로 말했습니다:
“이는 제품 수명 주기 종료와 혼잡한 매립지를 위한 지속 가능한 솔루션 그 이상입니다. 실제로 우리를 아프게 하지 않을 플라스틱입니다.”
상당한 진전이 있었지만 이는 시작에 불과합니다. 다음 단계는 기존 전통 플라스틱용 제조 설비에 새로운 소재를 적용하는 것입니다. 이를 위해 Algenesis는 식물 기반 고분자를 사용한 제품을 만들기 위해 여러 기업과 파트너십을 체결했습니다. 이러한 협업에는 코팅된 직물에 조류 기반 고분자를 사용하는 Trelleborg와 RhinoShield와 함께 모바일 폰 케이스를 생산하는 것이 포함됩니다.
Burkart에 따르면:
“우리가 이 작업을 시작했을 때, 불가능하다고 들었습니다. 이제는 다른 현실을 보고 있습니다. 해야 할 일이 많지만, 사람들에게 희망을 주고 싶습니다. 가능합니다.”
생분해성 플라스틱은 미래인가?
우리가 볼 수 있듯이, 플라스틱 산업은 변화를 겪고 있습니다. 이는 플라스틱이 우리 폐기물의 약 14%를 차지하고 대부분이 바다로 흘러가기 때문에 중요합니다. 통계적으로 현재 우리는 연간 연간 3억 5천만 메트릭 톤의 플라스틱 폐기물을 생산하고 있으며, 현재 정책에 변화가 없을 경우 2060년에는 10억 메트릭 톤에 이를 것으로 예상됩니다.
대부분의 플라스틱 소재의 수명 주기를 살펴보면, 생산된 플라스틱의 79%가 매립지에 버려지거나 환경에 방출되는 반면, 12%만이 소각되고 9%만이 재활용됩니다. 지난 40년간 재활용이 크게 증가했음에도 불구하고, 비섬유 플라스틱 재활용은 18%에 머물고 있으며 섬유 재활용은 거의 이루어지지 않고 있습니다. 이러한 정체는 주된 재활용 방식이 열과 기계적 힘을 이용해 폐플라스틱을 새로운 형태로 전환하는 데 초점을 맞추고 있어 투입 품질이 중요하기 때문입니다.
이러한 배경 속에서 전 세계적으로 점점 더 많은 기업들이 기존 플라스틱 사용을 줄이고 보다 지속 가능하고 환경 친화적인 대안으로 교체하기 위한 조치를 취하고 있습니다.
생분해성 플라스틱은 재생 가능한 원료에서 추출된 성분을 가진 바이오플라스틱과 생분해성을 향상시키는 첨가제가 포함된 플라스틱을 포함합니다.
바이오플라스틱은 일반적으로 바이오 기반 고분자로 제조되며, 보다 지속 가능한 상업용 플라스틱 수명 주기에 기여합니다. 여기서 고분자는 재생 가능하거나 재활용된 원료로 만들어집니다. 바이오 기반 플라스틱은 화석 기반 플라스틱에 비해 탄소 발자국이 낮은 경향이 있으며, 유리한 물성도 보여주고 기존 재활용 흐름과도 호환될 수 있습니다.
이 모든 것과 플라스틱 산업에 대한 인식 확대, 연구 및 투자가 결합되어 일상 생활에서 생분해성 플라스틱의 존재가 점점 늘어나고 있습니다.
우리는 아직 일상에서 기존 플라스틱을 의미 있게 제거하는 단계에 이르지는 못했지만, 많은 고무적인 움직임이 일어나고 있습니다. 여기에는 제품 제조를 위한 생분해성 소재를 찾는 것이 포함됩니다. 물론 많은 용도에서 플라스틱을 대체하기는 어렵지만, 가까운 미래에 많은 제품이 보다 친환경적인 방식으로 제조될 것입니다.
환경 친화적인 제품은 전체 플라스틱 생산량의 약 39%를 차지하는 식품 포장 분야에서 가장 큰 인기를 얻고 있습니다. 이는 산업 내에서 생분해성 플라스틱의 큰 잠재력을 명확히 보여줍니다. 예를 들어, 제품에 따라 플라스틱 병을 생분해성 소재로 대체할 수 있으며, 이는 식품 포장뿐만 아니라 영양제 분야에서도 활용될 수 있습니다.
식품 트레이는 (스푼, 티스푼, 포크, 컵과 함께) 또 다른 좋은 예로, 생분해성 소재를 사용하면 용기와 내용물을 한 번에 쓰레기통에 버릴 수 있습니다. 생분해성 소재를 채택한 다른 제품으로는 커피 캡슐, 과일·채소용 봉투, 그리고 쓰레기 봉투가 있습니다.
생분해성 플라스틱은 다양한 포장 제조에 폭넓은 가능성을 제공하며, 유연성, 인쇄성, 차단성 강화 등 많은 포장 요구를 보다 잘 충족시킵니다.
최근 데이터는 전 세계 생분해성 포장 시장이 엄청난 성장 잠재력을 가지고 있음을 나타냅니다; 2022년에는 약 870억 달러로 평가되었으며, 2029년까지 연평균 성장률(CAGR) 6.96%로 확대될 것으로 예상됩니다. 모든 하위 부문 중에서 플라스틱이 가장 수익성이 높으며, 다른 어떤 소재보다 빠른 속도로 성장할 것으로 예측됩니다.
특히, 석유 기반 고분자에 대한 유망한 대안인 바이오플라스틱은 화석 연료 의존도와 기후 변화에 기여하는 배출량을 감소시킬 잠재력을 가지고 있습니다.
현재 가장 흔히 사용되는 생분해성 플라스틱은 전분 또는 셀룰로오스에서 유래한 폴리락트산(PLA), 폴리-3-히드록시부티레이트(PHB), 폴리하이드록시알카노에이트(PHA) 등입니다. 이러한 소재는 재활용 및 생분해가 가능해 음료, 제약, 개인 및 가정용품 산업에서 자주 사용됩니다.
포장을 넘어, 생분해성 플라스틱은 농업 분야에서도 활용될 수 있으며, 재활용 비용이 높은 멀치(땅덮개) 등에 사용될 수 있습니다. 여기서 퇴비화 가능한 멀치는 몇 개월 내에 사라져 수십 년 동안 지속되는 미세플라스틱을 남기지 않으므로 폐기물 수집 필요성을 없애줍니다.
많은 이점과 적용 분야가 존재하지만, 생분해성 플라스틱은 높은 비용과 농업에 부정적인 영향을 미치는 등 트레이드오프가 있습니다. 그러나 새로운 생물학적·화학적 방법, 기술 발전, 재정적 인센티브 및 명확한 규제가 바이오플라스틱의 대규모 적용을 돕고 지속 가능한 영향을 가져올 수 있습니다.
따라서 연구자들은 향상된 특성과 차세대 적용을 위한 더 나은 소재와 청정 생산 방법을 적극적으로 조사하고 있습니다. 현재 유럽은 43.5% 비중으로 바이오플라스틱 상업 생산을 선도하고 있으며, 이는예상 2026년까지 760만 톤에 이를 것으로 예상됩니다.
결론
수년간의 연구 끝에, 미세플라스틱이 수역, 토양, 강수 등 모든 물리적 환경에 축적되고 심지어 공기 중에도 퍼진다는 것이 잘 알려졌습니다. 그들의 광범위한 존재 때문에 미세플라스틱은 이제 식품 사슬의 일부가 되었으며, 증거에 따르면 인간, 동물 및 생태계에 상당한 해를 끼칠 수 있습니다.
이로 인해 전통 플라스틱에 대한 보다 환경 친화적인 대안인 생분해성 소재에 대한 연구가 촉진되었습니다. 새로운 소재 개발 외에도 보편적인 표준을 구현하기 위한 노력이 진행 중이며, 플라스틱 사용을 줄이고 바이오플라스틱 제품 사용을 늘리는 행동 변화가 필요합니다.
이들 모두는 플라스틱 폐기물 위기와 탄소 배출을 완화함으로써 긍정적인 영향을 가져올 잠재력이 확실합니다. 그러나 생분해성 플라스틱도 약속을 실현하려면 적절한 퇴비화 조건이 필요하다는 점을 기억해야 합니다. 전반적으로 우리는 더 친환경적인 미래를 향해 점진적인 발걸음을 내딛고 있습니다.
