BIOSMART프로젝트, 스마트 바이오유래 포장 연구
음식물 쓰레기 문제의 해결책 될 것
세계적으로 생산된 음식의 40%가 쓰레기로 버려진다고 한다. 더욱이 식품 포장은 주로 분해되지 않는 플라스틱으로 만들어지고, 알루미늄 등 다른 소재와 같이 조합되기도 해 재활용도 어려운 경우가 많다. 이들 쓰레기는 매립지로 보내지거나 심각한 경우 바다로 흘러 들어간다.
산업계에 있어서 큰 숙제는 유통기한을 늘리면서 이를 모니터링 할 수 있고 쉽게 퇴비화 또는 재활용될 수 있어 환경에 도움이 되는 식품포장을 개발하는 것이다.
이 문제를 해결하기 위해 EU와 산업계가 자금을 출연한 BIOSMART 프로젝트가 2017년 5월 출범되었다. 프로젝트는 새로운 형태의 바이오유래 소재를 이용한 유연 및 강성 플라스틱 포장, 표면처리, 센서 기기, 새로운 바이오-활성 항균 및 산화방지 등을 통합하는 접근 방식을 탐색하고 있다.
2021년 4월에 종료되는 이 프로젝트는 개량 바이오플라스틱 포장필름에 스마트 산소 센서를 통합하는 방법을 이미 개발한 바가 있다. 산소 센서는 필름이 잘못되었는지, 산소가 포장 속으로 유입되었는지를 감지해 음식이 상하려고 하는지 아니면 상했는지를 알려준다. 이 기술은 음식물의 유통기한을 모니터링하는 것을 개선해주고 유통기한만으로 상태를 추정하는 것을 피할 수 있게 해준다.
스페인 연구센터 IK4-Tekniker의 프로젝트 코디네이터 Amaya Igartua는 “EU에서 사용될 수 있게 승인받은 첫 제품은 바이오유래 생분해성 플라스틱 위에 성공적으로 프린팅된 산소 센서이다. 식품포장 내부의 산소수준을 모니터링함으로써 포장재가 훼손되거나 음식이 상해 포장재 내부의 공기가 잘못되었는지를 쉽게 확인할 수 있다“라고 말했다.
BIOSMART팀은 현재 이산화탄소와 아민 센서를 포함해 유사한 포장재 솔루션을 개발하고 있다. 이산화탄소는 세균 증식을 억제하거나 음식물 보존을 더 좋게 하기 위한 방법으로, 산소를 대신해 채우는 가스치환포장(modified atmosphere packaging, 이하 MAP)에 흔히 사용된다. 아민 가스는 생선이나 고기가 분해되면 발생된다. 아민 농도가 높다는 것은 상해서 잠재적으로는 식중독을 일으킬 수 있다는 것을 뜻한다.
BIOSMART팀은 음식물 유통기한을 늘리기 위해 수분 흡수와 세균 증식을 막는 새로운 표면을 가진 바이오 스마트 포장재도 개발하고 있다.
또 다른 과제는 음식물 보존을 더 향상시킬 수 있는 퇴비화가능 또는 재활용가능 바이오유래 포장재를 개발하는 것이다. 연구팀은 다양한 신선식품 및 가공식품들에 사용할 수 있도록 유연 및 강성 포장 모두를 연구 중이다. 더해서, 프로젝트는 중량을 줄여 궁극적으로 포장재 및 내용물을 운송함에 있어서 환경적 영향을 줄일 수 있는 경량화 포장재 개발에도 집중하고 있다.
Igartua는 “BIOSMART 프로젝트는 두 종류의 포장재 제품을 개발하고 있다. 하나는 생분해성이며 다른 하나는 재활용가능이다. 생분해성 포장재 개발은 음식물 쓰레기의 퇴비화를 활발하게 하는 데 중요하며, 재활용은 글로벌 순환경제를 개발하는 데 도움이 된다“라고 말했다.
BIOSMART는 EU와 산업계 간 민-관 파트너십인 바이오기반산업연합(Bio-Based Industries Joint Undertaking)에서 자금을 지원했다. 연구진은 이미 여러 번의 국제적 워크숍을 진행했다. 더 많은 관심과 투자를 촉진하기 위해서 중소기업을 대표하는 이들이 식품 보존 및 포장재에 관련된 BIOSMART 워크숍에 참여했다.
Igartua는 “BIOSMART의 커뮤니케이션 전략과 빠른 결과의 공유 덕분에 포장재 제품들은 조만간에 시장에 선보이게 될 것이다. 이는 스마트 바이오유래 포장재에 대한 장기적인 투자를 늘리고 식품 관련된 쓰레기를 줄이게 해줄 것이다. 미래를 개발해 나감에 있어 생분해성 소재를 사용하는 새로운 응용분야들의 잠재력은 흥미진진하다”라고 말했다.
Cove, PHA 생수병 개발
연내 양산화 계획
미국의 Cove는 용기 전체를 생분해성 소재로 만든 최초의 생수 용기를 출시할 것이라 밝혔다.
PHA로 만들어진 용기는 이산화탄소와 물, 유기물로 분해된다. 그 과정은 퇴비화 설비 또는 매립지, 심지어 바다에서도 일어난다.
PHA(polyhydroxyalkanoate)는 FDA로부터 승인받은, 자연에서 만들어지는 바이오고분자로, 생분해성 및 퇴비화가 가능하며 독성 폐기물을 발생시키지 않으며 이산화탄소, 물, 유기물로 분해된다.
분해과정이 어느 정도 걸리는지 정확하게 측정하기 위해 Cove는 현재 다양한 시나리오를 가지고 폭넓은 시험을 수행하고 있다. 현재까지 가장 보수적인 평가에 따르면, Cove 용기는 땅에서 생분해되는데 약 5년이 걸릴 것으로 보인다. 그러나 여러 가지 환경적인 요인들을 고려해 볼 때, 100% 땅이라는 것은 생분해가 일어날 수 있는 가장 안 좋은 환경 중의 하나라는 점을 감안해야 한다. 또한 Cove 용기가 매립지나 퇴비화 설비에 있는 음식물 쓰레기들과 완전히 분리되어 땅속에 묻히는 경우는 극히 드물 것이기 때문에 퇴비화 설비, 매립지 및 해양에서의 생분해는 5년보다 훨씬 빠르게 일어날 것으로 예측하고 있다.
Cove의 PHA 생수병은 아직 대규모로 생산되지는 않고 있다. 제조사에 따르면, 모든 생산, 충진, 포장은 용기 생산의 환경적 영향을 최소화하기 위해 LA에서 이루어질 예정이다.
동사 관계자는 “Cove 판매가 점점 확대되면 미국 전역에 여러 제조 및 포장 설비를 갖출 것이다. 이는 현지 생산과 운송의 최소화를 이루게 해줄 것이다. Cove는 해외나 다른 대륙에 이 생수를 공급할 생산은 없다“고 말했다.
또한 그는 “Cove는 제조 및 유통 협력사를 신중하게 선택할 것이다. 이는 앞으로 협력할 파트너가 높은 수준의 환경기준을 가져야 하고, 향후 재생에너지 사용, 탄소 상쇄 및 기타 환경 스튜어드십(stewardship programs)프로그램 등과 같은 활동에 참여할 수 있어야 한다는 것을 의미한다“라고 말했다.
몇몇 기업은 온실가스인 이산화탄소 및 메탄에서 PHA를 만들고 있다. Cove의 장기적 비전은 탄소 네거티브 용기 제조에 그 온실가수를 이용하는 것이다.
△ Cove의 PHA생수병 모습
中 생분해성 소재 전환 빠르게 진행
중국 정부, 오염 없는 경제 발전 강조
중국에서는 일회용 플라스틱 포장에 대한 정부 규제가 임박할 것으로 예상돼 기업들이 생분해성 플라스틱 생산량을 늘리고 있다. 옥수수, 사탕수수와 같은 농업 원료에서 만들어진 생분해성 플라스틱은 기존 석유 기반 제품의 대체제로 부상할 것으로 기대된다.
중국에서 ‘플라스틱 빨대의 왕’으로 불리는 Lou Zhongping은 최근 사업 전략을 바꾸었다고 한다. Saton Daily Necessities의 설립자이자 회장인 그는 Yiwu에 위치한 공장에서 생분해성 빨래를 생산하기 위한 공장 확장에 1,500만 달러를 지출한다고 한다. 플라스틱 제품의 나쁜 환경에 대한 소비자들의 우려가 높아짐에 따라서 생분해성 플라스틱 원료인 PLA로 만들어진 빨대에 대한 수요가 총 주문량에서 4%나 증가했다고 한다.
중국의 시진핑 주석도 지난달 초에 베이징에서 개최된 인민대표 회의에서 친환경 발전의 중요성을 강조했다. 이로 인해 전 세계 플라스틱 생산의 29%를 담당하고 있는 중국의 플라스틱 제조자들도 정부의 일회용품 사용 금지를 예상하고 생분해성 플라스틱 생산을 위한 옥수수, 사탕수수 및 다른 작물의 이용을 늘리고 있다.
생분해성 플라스틱 원료인 PLA의 중국 생산은 현재 규모가 미미하지만 신속하게 성장할 것으로 예상되고 있다. 시장 조사 기업인 IHS Markit은 2017년의 전 세계 바이오플라스틱 생산량인 227만 톤에서 중국의 생산량은 1.36%인 3만 1,000톤에 불과하지만 2022년에는 15%까지 대폭 증가할 것으로 예상했다. 중국에서 2020년까지 10만 톤 규모의 바이오플라스틱 공장을 건설하고 있는 프랑스 기업인 Galactic의 Frederic van Gansberghe 사장도 “우리는 중국에서 포장, 섬유, 자동차 분야에서 PLA의 거대한 잠재력을 확인했다”라고 밝혔다.
Zhejiang Hisun Biomaterials의 연간 생산량은 2006년의 5천 톤에서 2018년에 1만 5천 톤으로 증가했다. 회사의 대변인은 내년에는 6만 5천 톤까지 생산을 늘린다고 밝혔다. 플라스틱 기반 자동차 부품을 생산하는 China XD는 바이오플라스틱을 주요 제품 생산에 이용할 것이라고 밝혔다. 회사는 2019년에 바이오복합재료를 30만 톤을 생산하겠다는 목표를 제시했다. 독일의 바이오플라스틱산업분석연구소인 nova-Institut의 Wolfgang Baltus 박사는 현재 중국의 PLA 플라스틱 생산은 연간 7만 톤 규모이며, 나머지 40만 톤은 전분을 석유화학 폴리머와 혼합시켜서 제조된 것이라고 밝혔다.
Bain & Company의 Thomas Luedi는 PLA 플라스틱이 기존 플라스틱 보다 비싼 이유는 규모의 경제가 존재하지 않기 때문이며 중국 정부가 이러한 점에 주목해야 한다고 지적했다. 그는 중국의 규정은 예측하기 어려운 반면에 세계 플라스틱 규제는 기존 석유화학 제품의 금지와 생분해성 제품으로 교체하는 방향으로 나아가고 있다고 밝혔다. 또한 PLA 플라스틱으로 만들어진 빨대가 생분해되는 것은 산업 설비에서만 가능하다고 한다. 이는 생분해성 플라스틱을 처분하기 위해서도 산업 인프라가 필요함을 가리키고 있다.
독일의 거대 화학기업인 BASF는 Ecovio라는 제품명의 생분해성 플라스틱 제품을 판매하고 있다. 해당 제품은 BASF의 플라스틱 생산에서 아주 적은 비중을 차지하고 있지만 현재의 연간 20만 톤의 생산 및 판매는 2025년까지 70만 톤으로 증가할 것으로 기대되고 있다. 유럽이 Ecovio 판매의 50%를 차지하고 있지만 중국에서도 플라스틱 폐기물에 대한 규제를 강화시킴으로써 시장이 확대될 것으로 기대된다고 한다. 특히 중국의 농업 분야에서 Ecovio의 성장 가능성이 기대된다. 지난 수년간 중국 농부들은 춥고 건조한 기후에서 작물을 보호하고 수확량을 늘리기 위해서 얇은 폴리에틸렌 시트를 이용했다. 2014년 보고에 따르면 중국 농부들이 20년간 이들 시트 이용이 200배나 증가하여 연간 120만 톤에 이르렀다. 그 결과로 Xinjiang의 농지는 헥타르 당 500kg의 폴리에틸렌이 잔존하여 토양을 오염시키고 수확량을 감소시켰다고 한다.
중국 정부는 1월부터 토양 오염 예방 및 통제법을 시행하고 있다. 해당 법에서는 특히 작물에 폴리에틸렌 시트를 이용하는 것은 규제하고 있다. BASF는 해당 법안 초안 작성에 참여했으며, 생분해성 농업용 필름의 이용에 대해서도 중국 정부와 논의했다고 한다. 또한 BASF는 2017년에 중국에서 단일 외국 투자로는 최대 규모인 100억 달러로 새로운 통합 화학 공장을 건설한다고 발표했으며, 해당 공장에서 Ecovio를 생산할 수도 있다고 한다.
BCC Research의 Atanu Baruah는 생분해성 플라스틱의 개발은 자본 집약적이어서 중소기업이 참여하는 것은 어렵다고 밝혔다. 그는 자금과 인력을 투입할 의지가 있는 거대 농업 제품 기업들이 이 시장에서 빠르게 성장할 것으로 기대하고 있다.
2018년 10월에는 중국의 국영 식품 기업인 Cofco의 자회사인 Jilin Cofco Biomaterial이 독일의 ThyssenKrupp에서 제공받는 기술을 이용하여 PLA 플라스틱을 생산한다고 발표했지만 세부 사항은 공개하지 않았다. 중국 과학자들은 바닷물에 접촉했을 때에 분해되는 플라스틱을 만들어서 해양 오염에 대처하는 것을 희망하고 있다. Galactic의 중국 내 PLA 공장은 옥수수가 풍부하여 확보하기 쉬운 Anhui 지역에 위치한다고 한다. 해당 공장에 대한 총 투자금은 약 1억 달러이다. Van Gansberghe은 플라스틱 기업의 성공은 석유화학 원료가 아닌 농업 원료에 쉽게 접근할 수 있는가에 달려있다고 밝혔다. 그는 “바이오플라스틱은 새로운 기업들이 사업에 들어설 수 있는 진정한 기회이다. 그 이유는 기존의 화석 기반 폴리머 기업들은 여전히 기존 제품을 고집하기 때문이다.”라고 밝혔다.