[신기술] KIST 연구팀, 친환경 플라스틱 생산 기술 개발

친환경 바이오플라스틱 생산 위한 생물-전기 융합시스템 개발

세계 최고 수준 바이오플라스틱 생산성 달성…대용량화 연구 수행 예정

최근 기후변화의 주범으로 지목되는 이산화탄소로부터 미생물을 이용한 친환경 생분해성 플라스틱 생성 기술이 개발돼 주목받고 있다. 기존 탄소 포집 활용(Carbon Capture and Utilization, CCU) 기술로 생산되는 화합물은 복잡한 화학반응 단계를 거쳐야 하고, 생분해성인 경우가 적어 환경오염을 유발할 수 있다. 반면, 이산화탄소 생분해성 플라스틱 기술은 플라스틱 전환 시 필요로 하는 에너지가 적게 투입돼 차세대 이산화탄소 전환 기술로 평가되는 동시에 플라스틱 폐기물 문제의 해결 방안으로 제시되고 있다.

한국과학기술연구원(원장 오상록, KIST) 청정에너지연구센터의 고자경, 이동기 박사 연구팀은 공기 중 이산화탄소에서 친환경 바이오플라스틱인 폴리하이드록시알카노에이트(Polyhydroxyalkanoate, PHA)를 효율적으로 생성하기 위해 전기화학 시스템과 미생물 배양 시스템을 결합한 생물-전기 융합기술을 개발하는 데 성공했다. PHA는 미생물에 의해 합성되는 천연 고분자로, 토양뿐 아니라 해양 환경에서도 생분해되며 식품 포장재, 의료용품 등에 사용된다.

 

연구팀은 이산화탄소를 먹고 PHA를 만드는 능력을 지닌 수소 산화 박테리아에 주목했다. 이 미생물의 에너지원인 수소를 생산하기 위해 실시간으로 물을 전기 분해했으며, 이를 통해 이산화탄소로부터 바이오플라스틱을 생산할 수 있는 생물-전기 융합시스템을 개발했다. 하지만 물을 전기 분해 과정에서 독성물질인 활성산소와 금속이온이 부산물로 생성돼 미생물의 성장을 저해하는 문제가 발생했다. 이를 해결하기 위해 미생물에 대한 독성이 매우 낮고 쉽게 금속으로 돌아갈 수 있는 특성을 가진 구리(Cu)가 첨가된 촉매를 개발했다.

또한 연구팀은 개발된 촉매의 표면에 코팅된 구리가 미생물 배양액에 녹았다가 다시 전극으로 돌아가는 순환과정에서 활성산소를 빠르게 분해하는 독성물질 자가 해독 메커니즘을 규명하는 데 성공했다. 그 결과, 기존 촉매를 활용할 때보다 수소 생산성 및 활성산소 제거 속도가 높아졌을 뿐만 아니라 활성산소 생산량이 감소해 300㎎/L이었던 미생물 유래 PHA 생산성을 세계 최고 수준인 487㎎/L으로 높였다.

연구팀은 이산화탄소로부터 생성되는 PHA의 대량생산을 위해 생물-전기 반응조 대용량화 및 반응 조건 최적화 연구를 수행할 예정이다. 이를 통해 석유 기반 플라스틱이나 다른 바이오플라스틱보다 2〜5배 높은 생산 단가를 낮춤으로써 미생물 유래 PHA가 비닐, 플라스틱 용기 등 다양한 시장에서 탄소중립을 동시에 실현할 수 있는 차세대 친환경 플라스틱으로 자리매김할 것으로 기대된다.

이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아, KIST 주요 사업과 바이오의료기술개발사업(2022M3A9F3082336) 및 원자력연구개발사업(RS-2022-00156236)으로 수행됐다. 연구 결과는 국제 학술지인 『어드밴스드 사이언스(Advanced Science)』 최신호에 게재됐다.

[『워터저널』 2024년 7월호에 게재]