미생물을 활용한 투명 바이오 플라스틱

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Overseas Innovation Trend 해외 혁신동향

미생물을 활용한 투명 바이오 플라스틱 1)

글 : 우청원 (woocw@stepi.re.kr) 과학기술정책연구원 부연구위원

일본

플라스틱(Plastic)은 그리스어 ‘Plastos(형성되다)' 를 어원으로 합성수지를 주원료로 하고 열이나 압력 을 가해서 원하는 모양으로 성형할 수 있는 제품을 뜻한다. 1869년 미국의 존 하이엇이 당구공의 주재 료로 코끼리 상아를 사용하는 것이 너무 비싸서 대 체할 것을 고민하다가 피부약으로 쓰이는 캠퍼팅크 에 질산섬유소가 녹는 것을 보고, 최초의 플라스틱 셀룰로이드를 개발하게 되었다. 이러한 플라스틱은 가볍고, 녹슬지 않고, 가공성이 좋으므로 현대사회 에서 필수적인 물질이지만, 열에 약하고, 환경문제 를 유발하고, 벤젠이나 알코올과 같은 특정 의약품 에서 내구성이 약하다는 단점이 있다.

일본 첨단 과학 기술대학원 카네코 타츠오(金子達 雄) 교수와 쓰쿠바 대학 생명환경과 타카야 나오키 (高谷直樹) 교수는 미생물을 이용한 바이오 플라스 틱을 개발함으로서 플라스틱의 이미지를 바꾸어 놓 았다.

바이오 플라스틱은 바이오매스 플라스틱(biomass- based plastics)과 생분해성 플라스틱(biodegradable plastics)으로 구분된다. 바이오매스 플라스틱은 기 존 화석연료를 대신해서 바이오매스를 원료로 고분 자를 합성해 만드는 것이다. 생분해성 플라스틱은 박테리아나 곰팡이와 같은 미생물의 분해 작용으로 물과 이산화탄소로 분해되는 플라스틱이다. 환경문 제에 대한 소비자들의 관심이 높아지고, 오염물질에 대한 정부규제가 심각해짐에 따라 바이오 플라스틱 에 대한 관심이 높아지고 있다.2)

바이오 플라스틱을 만드는 방법은 옥수수나 전분 에서 얻은 포도당을 젖산(lactic acid)으로 변환시켜 고분자 화합물을 만드는 것이다. 가장 많이 사용되 고 있는 것은 PLA(Poly Lactic Acid)로 바이오매스 플라스틱이면서 생분해성 플라스틱이다. 하지만 본 연구진은 대장균을 이용해 포도당을 ‘4-아미노 계 피산(aminocinnamic acid)’이라는 분자로 변환했

1) 마루야마 메구미(2016), “미생물이 만드는 세계 최강의 투명 바이오 플라스틱”, http://scienceportal.jst.go.jp/clip/20160519_01.

html(2016.06.08)와 Suvannasara(2014), “Biobased Polyimides from 4-Aminocinnamic Acid Photodimer”, Macromolecules, 47(5), pp. 1586-1593.을 참조함.

2) KBPA(한국바이오플라스틱협회), http://www.kbpa.net/(2016.06.08)

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다. 이것을 가능하게 한 것은 대장균의 발효 생산 능 력이다. 이 대장균을 사용하면 저비용으로 4-아미 노 계피산을 만들 수 있다.

방향족 폴리아미드 특성

카네코 교수는 4-아미노 계피산에 2종류의 화합 물을 합성하고 빛을 쬐어서 ‘방향족 폴리아미드3) (aromatic polyamide)’라는 고분자 화합물을 만들 었다. 기존에는 대장균을 사용해서 바이오 플라스틱 의 원료를 만들었지만, 이번 연구에서 대장균을 활 용해 방향족 폴리아미드를 만든 것은 처음이다. 방향

족 폴리아미드는 기존의 폴리아 미드에 분자구조가 안정된 벤젠 고리를 추가한 것으써 강도와 내 열성이 매우 우수하다. 방향족 폴 리아미드의 인장강도는 356MPa 로 유리(100~150MPa)와 나노 셀룰로스 필름(223MPa)보다 높 고 내열 온도는 273℃로 엔진 주 위 온도 250℃보다 높다. 광 투과 율은 93%(파장 450nm)로 [그림 3]에서 볼 수 있듯이 필름 뒤에 있는 화학식이 선명하게 보일 정 도로 투명하다.

슈퍼 엔지니어링 플라스틱

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으로서의 활용

방향족 폴리아미드는 내열성이 좋고, 강도가 높으 므로 여러 산업에 활용될 수 있다. 기존의 바이오 플 라스틱은 내열성 및 역학 물성이 약해서 제한된 용 도에 사용되었지만, 방향족 폴리아미드는 금속에 비 해 가볍고, 재활용이 가능하고, 내열성 및 역학 물성 이 강해서 일반 자동차뿐만 아니라 하이브리드 자동 차나 전기 자동차의 부품으로 사용될 수 있을 것이 다. 이번에 개발된 바이오 플라스틱은 슈퍼 엔지니 어링 플라스틱의 기준도 통과했기 때문에 활용도가 더 높아질 것이다. 바이오 플라스틱이 운송수단의 부품으로 사용될 수 있다면 무게가 가벼워 이산화탄

그림 1 : 바이오플라스틱을 적용한 제품 예

자료: KBPA(한국바이오플라스틱협회), http://www.kbpa.net/(2016.06.08)

3) 폴리아미드(polyamide): 일반적으로 나일론수지(PA)라고 불리며, 기계적 성질 및 내충격성이 우수한 결정성이 특징이다.

4) 슈퍼 엔지니어링 플라스틱: 강도가 뛰어나고 내열성이 강한 플라스틱의 종류를 뜻한다. 내열 온도가 150도 이상인 것을 초 고성능 플라스틱이라고 하 고, 최근에 주목받고 있는 폴리아미드의 한 종류이다.

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소 배출을 줄일 수 있을 것이다.

이번에 개발된 방향족 폴리아미드는 비용면에서 도 실용적이다. 석유화학으로 아미노 계피산을 만들 려면 kg당 104만 원이 들지만, 대장균을 이용하면 kg당 3~5만원에 아미노 계피산을 만들 수 있다. 또 한 생산 효율이 95%로 생산 공정에서의 손실이 거 의 없으므로 효율적인 생산이 가능하다.

연구진에 따르면 향후에 연구될 분야는 대장균 발 효 생산을 활성화 할 수 있는 방안이라고 설명했다.

또한, 바이오 플라스틱의 열역학적, 광학적, 전자 공 학적 특성을 제어할 수 있는 방안을 기업과 함께 모

색해야 한다고 강조하였다. 이러한 연구가 실현되면 방향족 폴리아미드가 금속이나 유리를 대체할 것이 고, 나아가 운송 장비의 경량화를 통해 이산화탄소 배출량 감소와 산업 폐기물 감소 등과 같은 파급효 과를 가져올 수 있을 것이다.

국내 과학기술 관련 시사점

국내 바이오플라스틱 기술개발은 1993년 산학연 선도기술개발사업에서 본격적으로 시작되었고, 쓰 레기 종량제봉투 사용이 의무화 되면서 생분해성 플

그림 2 : 합성 직후의 방향족 폴리아미드

자료: 마루야마 메구미(2016), “미생물이 만드는 세계 최강의 투명 바이오 플라스틱”, http://scienceportal.jst.go.jp/clip/20160519_01.html(2016.06.08)

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라스틱 산업이 주를 이루어 왔다. 최근 친환경 포장 용기에 대한 소비자들의 관심이 높아지면서 바이오 매스 플라스틱을 이용한 제품개발도 진행되고 있다.

하지만 여전히 많은 기업들은 가격경쟁력 확보를 위 한 바이오 플라스틱 제품을 생산하는데 주력하고 있 다. 친환경 대안제품에 대한 소비자의 인식이 커지 고, 바이오 플라스틱 산업의 규모도 커짐에 따라 새 로운 바이오 플라스틱의 수요가 높아질 것이다. 따 라서 기업이나 정부는 방향족 폴리아미드와 같이 내 열성이 강하고 강도가 높은 신규 바이오 플라스틱 개발을 위한 노력을 해야 한다. PLA를 제외하고 아

직 바이오 플라스틱의 가격 경쟁력은 석유계 플라스 틱보다 낮기 때문에 이를 위한 정부의 정책적 지원 도 필요할 것이다.

그림 3 : 필름화한 방향족 폴리아미드

자료: 마루야마 메구미(2016), “미생물이 만드는 세계 최강의 투명 바이오 플라스틱”, http://scienceportal.jst.go.jp/clip/20160519_01.html(2016.06.08)

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