이전보다 20배 좋아진 바이오플라스틱 만드는 기술

21세기말 미세플라스틱이 50배 폭증, 2060년 플라스틱 폐기물 3배 증가

전기화학적 이산화탄소 전환 기술 개발 

KAIST 이현주,이상엽 교수, 하이브리드 시스템을 개발 

세포 건조 중량 83%의 높은 함량의 바이오 플라스틱(PHB) 개발 성공

[위즈덤 아고라 / 제갈혜진 기자] 세계야생생물기금(World Wildlife Fund) 기관에 따르면 21세기말 미세플라스틱이 50배 폭증하고, OECD는 2060년 플라스틱 폐기물이 3배 증가해 육지와 바다의 환경오염의 심각성이 극에 달할 것이라고 설명했다. 플라스틱이 개발된 이후, 우리는 생활 속에서 사용하고 있는 플라스틱 봉투, 플라스틱 물통, 포장 산업, 등등 다양한 방식으로 자리 잡았고, 그 생산량은 어마어마하다. 하지만 플라스틱은 폴리에틸렌, 폴리스티렌 같은 유기화합물로 만들어졌기 때문에 분해가 완벽하게 되지 않아 땅에 남아 유해물질을 내뿜으며 바다로 흘러가 생태계를 파괴하고 사람의 몸에도 해를 끼친다. 

이 문제를 해결하기 위해 바이오플라스틱이 개발됐다. 바이오플라스틱은 지속발전가능성 사회 구축을 도울 수 있는 친환경 소재이며, 생분해성 플라스틱과 식물플라스틱으로 크게 나눠진다. 둘의 최대 특징은 천연 물질을 원료로 한 고분자, 폴리락타이드로 만들어졌기 때문에 미생물이나 효소에 의해 빠른 시간 내에 분해가 가능하다는 것이다. 이 뜻은 현재 일반 플라스틱을 사용하는 같은 속력에 사용을 해도 문제가 없다는 얘기다. 

지금까지 바이오플라스틱 빠르게 발전하여 지금까지 옥수수, 목재와 같은 친환경적인 바이오매스와 전기화학적, 이산화탄소를 원료로 사용해 만들 수 있는 기술까지 개발됐다.

특히 전기화학적 이산화탄소 전환 기술은 전기에너지를 사용해 이산화탄소를 유용한 화학물질로 전환할 수 있는 기술이다. 이 과정에 쓰이는 기기들은 작동방법이 간단하게 구성되어 있어 태양 전지나 풍력 등으로 재생에너지를 만드는 데에도 이용이 되고 있다. 

그러던 중 최근 3월 30일, KAIST의 이현주 생명화학공학과 교수와 이상엽 특훈교수 연구팀이 이산화탄소를 바이오플라스틱으로 만드는 과정이 20배 더 효율적인 기계, 하이브리드 시스템을 개발했다. 

이산화탄소 전환 기술과 미생물 전환 기술의 두 가지의 특징을 합쳐 개발한 전기화학-바이오 하이브리드 시스템의 생성방법은 먼저 전기를 분해해 물과 산소를 분해(전해조)를 하고, 미생물 배양이 이뤄지는 발효조가 연결되는 구조로 만들어졌다. 그 다음, 전해조를 통해 분리한 이산화탄소의 탄소원과 이산화탄소를 포름산이라는 활발한 물질로 전환한다. 그럼 마지막으로 이 포름산이 발표조로 이동되어 커프리아비더스 네케이터(Cupriavidus necator)라는 미생물이 탄소원을 섭취해 바이오플라스틱인, 폴리하이드록시알카이노에이트(polyhydroxyalkanoate, PHA)를 만든다.

이 새로운 시스템과 이전 시스템과 가장 큰 차이점은 기체 확산 전극(gas diffusion electrode)의 사용으로 포름산을 만드는 것과 ‘생리적 호환 가능한 양극 전해액(physiologically compatible catholyte)’, 그리고 필터이다. 

기체 확산 전극은 이산화탄소를 포름산으로 전환하는 데에 사용되었는데, 이 기술을 미생물의 성장을 방해하지 않으면서 전기화학반응이 적절히 빠르고 정확하게 일어난다. 이어서 이 단계를 지나면 두 번째, 생리적 호환 가능한 양극 전해액을 지나간다. 여기에선 이전 단계에서 만들어진 전해액과 미생물 배양 배지로 동시에 사용될 수 있기 때문에 별도의 분리 또는 정제과정 없이 두 단계가 자연스럽게 이어지는 기술, 연속 배양 (continuous culture)이다. 이로 인해, 이산화탄소로부터 만들어진 포름산과 전해조에서 만들어진 전해액의 사용을 극대화시켜 버려지는 찌꺼기를 최소화시키고 최대한 많은 양을 빨리 제조할 수 있다. 그리고 세 번째, 이 과정을 하나씩 지나가는 과정에 기존 시스템에선 없었던 필터를 설치해 전기화학 전환을 방해하는 미생물이 걸러주기 때문에 두 기기가 각자의 역할을 더 분명하게 할 수 있는 기능도 추가되었다. 

그래서 이 새로운 하이브리드 시스템을 사용해 이산화탄소로부터 세포 건조 중량의 83%에 달하는 높은 함량의 바이오 플라스틱(PHB)을 생산해 세계 최초로 그램 (g) 수준의 무게를 지닌 플라스틱을 만드는 데에 성공했다. 기존 기계에 비교했을 때는 20배 이상의 생산성이므로 생성시간이 급격히 줄어들어, 대량 생산이 가능해 더 많은 사람들이 쉽고 더 저렴한 가격으로 소비할 수 있게 되었다. 

특히 플라스틱 폐기물의 문제가 심각한 오늘의 사회에서는 더 많은 사람들이 자주, 친환경 소재를 사용하는 것이 중요한데 이런 효율성 높은 기기의 발전은 사람들이 환경적인 문제에 대한 경각심을 높일 수 있는 기회이다.