제4장 폴리머 리사이클의 최신 동향 (8) - Chemical recycle / Biochemical recycle

[YDfamily]

3.2 폴리머의 바이오 케미컬 리사이클 기술의 개발

⑩ Sekisui 화학 / Sumitomo 화학의 폐 플라스틱으로부터 에틸렌, 폴리에틸렌 제조

Sekisui 화학은 도시 고무나 폐 플라스틱의 분해 가스로부터 바이오 기술로 에탄올을 제조하는 실증 플랜트를 건설(도105). Sumitomo 화학은 이 에탄올로부터 에틸렌을 제조하는 실증 플랜트를 건설(도106). 생성 에틸렌을 폴리에틸렌의 중합 원료 monomer로서 이용하는 실증 검토를 진행하고 있다.

Sekisui 화학의 에탄올 생성 바이오 플랜트 기술 에탄올 생성(쓰레기를 저탄소 상태로 분자 레벨까지 분해하는 가스화) 공정 Orix 자원 순환으로 종래부터 행해지고 있던 처리 공정으로, 이 가스를 Sekisui 화학 공업이 양도 받아, 병설한 pilot plant에 공급 이 가스에는 에탄올 생성에 필요한 일산화탄소와 수소 이외의 불순물인 협잡물질이 많이 포함되어 있다. 가스에 함유된 약 400 종의 협잡물을 특정하여, 철저하게 제거, 정제하는 기술을 독자적으로 개발, 이것에 의해 열이나 압력을 가해지 않고 Lanza Tech사가 보유한 미생물의 힘으로 일산화탄소와 수소로부터 에탄올을 생성하는 기술을 완성하였다. 또한, 에탄올의 생산성을 올리기 위해, 쓰레기에 함유된 성분이나 조성이 크게 변동해 버리는 것도 장해이다. 쓰레기 조성 변동에 대응하여 미생물의 생육 상태를 조정하고, 활성을 일정하게 유지하는 배양 컨트롤을 행하는 것으로 큰 변동에도 대응하는 것이 가능하게 되어, 실용화로의 길을 열었다.

도105 Sekisui 화학의 도시 쓰레기로부터 에탄올을 생산하는 바이오 기술

Sumitomo 화학 에탄올 → 에틸렌 제조기술(2022년 4월 11일) 치바 공장에 신설한 시험 제조 설비는 circular economy의 노력으로 협력하여 Sekisui 화학이 생산하는 쓰레기 자원 유래의 에탄올이나, 사탕수수나 옥수수 등의 바이오매스로부터 만들어 지는 바이오 에탄올을 원료로 에틸렌을 생산하는 것이다. Sumitomo 화학은, 오랜 기간에 걸쳐 배양한 연구 개발이나 공업 기술의 knowhow를 살려, 환경을 배려한 에탄올 원료에 에틸렌을 생산하는 기술의 실증과 양산화의 검토를 행하고, 종래와 동등한 품질을 갖는 polyolefin의 제조에 노력하여, 2025년도의 사업화를 목표로 하고 있다.

도106 Sumitomo 화학의 에탄올 유래 에틸렌 제조 실증 설비

⑪ Solvay와 Carbios, PVDC 코팅 다층 PET 필름의 해중합

Solvay와 Carbios는 효소 케미컬 리사이클 기술을 이용하여, PVDC 코팅 다층 PET 필름의 PET 층만을 선택적으로 해중합 하는 실험에 성공하였다고 발표(도107).

Solvay와 Carbios, PVDC 코팅 다층 PET 필름의 해중합 실증에 성공(2022년 4월 28일) 벨기에의 화학 업체 Solvay와 프랑스 재생 플라스틱 벤처 Carbios는 4월 28일, Carbios의 효소 케미컬 리사이클 기술을 활용하여, Solvay의 PVDC 코팅제 Diofan을 코팅한 다층 PET 필름으로, PVDC 기능을 남긴 채, PET만을 해중합 하는 실증에 성공하였다고 발표하였다.

도107 Solvay, Carbios의 다층 PET 필름의 바이오 케미컬 리사이클

⑫ 미국 텍사스대의 플라스틱 분해 효소의 개발

미국 텍사스대학 Austin교의 연구 그룹은 인공 지능을 이용하여 PET를 고속 분해하는 효소를 개발하였다(도108).

천연 플라스틱 분해 세균의 효소와 인공지능을 이용하여 플라스틱을 단시간에 분해 가능한 효소를 개발.
미국 텍사스 대학 Austin교의 연구 그룹(“Nature” 2022월 4월 27일부)


이 효소*)를 “FAST-PETase”로 명명. FAST는 Functional(기능적), Active(활발, 능동적), Stable(안정), Tolerant(내성)의 앞 글자를 딴 것.
PETase는 원래 PET 플라스틱을 분해하는 세균이 가진 효소이고, 이것을 기초하여, 기계학습으로 분해 속도를 높이는 가능성이 있는 천연 변성 5종을 예측하여 개발된 것이 PETase.
FAST PETase는 플라스틱을 기본적인 분자까지 절단(탈중합)하여 온다. 이 과정은 최단 24시간, 길면 1주일. PET 병이 자연적으로 분해되는 데에는 약 400년 이상이라고 생각하면 초고속이다.
탈중합시킨 분자를 화학적 프로세스로 다시 결합(해중합)시키면, 진정 새로운 플라스틱을 만들어 낼 가능성이 있다.
효소의 개발에 있어서는 사용 후의 플라스틱 용기 51종, polyester 섬유 5종, PET제의 섬유, 병으로 시험이 행해지고 있다.
이들의 시험에서는, 50도 이하로 FAST PETase가 유효한 것이 확인되었다고 한다.


*) 2016년에 일본의 연구팀에 의해 발견된 PET를 분해하는 세균 Ideonella sakaiensis의 PET 분해 기구를, 상기 연구 팀이 해석하여 PETase와 MHETase라고 하는 2종류의 효소가 PET를 곧잘 분해하는 것을 발견하였다.

도108 미국 텍사스 태학의 플라스틱 분해 효소의 개발

⑬ 스페인 고등과학 연구원의 팀, 폴리에틸렌 분해 효소를 발견

스페인 고등과학 연구원의 팀, 나방의 유충(방울 벌레)의 타액(Wax Worm Saliva)로부터 폴리에틸렌 분해 효소를 발견하였다고 발표(도109).

방울 벌레의 타액(Wax Worm Saliva)로부터 폴리에틸렌 분해 효소를 발견
(Federical Bertocchini et al., Nature Communication, 2022sus 10월 5일)


벌줄 팔랑나비(Galleria mellonella)의 유충인 방울 벌레의 타액을 연구하여, 방울벌레의 타액이 PE를 분해하는 것이 가능하고, 이것에 의해 PE가, 보다 작은 분자로 분해되는 것을 제시하였다.
Bertocchini들은 이 타액에 함유되는 모든 단백질을 분석하고, 이 PE의 분해를 재현 가능한 2종류의 효소를 고정하고, 이들의 효소를 그리스 신화와 로마 신화에 등장하는 농업의 여신에 연관시켜, Demeter과 Ceres라고 이름 붙였다.
Bertocchini들은, 이들의 효소를 이용하여, PE의 분해를 가능하게 하는 초기 산화가, 실온에 있어서 수시간 내에 달성시키는 것을 명확히 하였다.

도109 스페인 고등과학 연구원의 팀, PE 분해 효소를 발견

⑭ 산업기술 종합 연구소, 무산소 조건하 PET 분해 능을 가진 미생물을 발견

산업종합 연구소의 여구 그룹은 산소가 없는 환경 하에서 PET를 분해하는 미생물을 발견하였다고 발표(도110).

PET 관련 물질을 산소가 없는 환경에서 분해하는 미생물을 발견
산업종합 연구소 Chemical Engineering Journal 온라인판(2022년 7월 5일)
∙ 산소가 없는 환경에서 PET의 monomer나 원료인 난분해성 물질의 미생불에 의한 분해에 성공
∙ 미생물에 의한 분해의 구조를 신규 제안
∙ 산소가 없는 환경 하에서 PET 관련 물질의 분해에 대한 환경 동태의 이해에 공헌

도110 산업기술 종합연구소, 무산소 조건하 PET 분해능을 갖는 미생물을 발견