바이오플라스틱 산업의 현재와 미래를 제시하다 생분해성 바이오플라스틱 생산기술과 산업동향 최난 기자입력 2019-11-28 10:22:32

<편집자주>
세계적인 환경오염 문제로 일회용 플라스틱 제품 사용에 대한 규제가 강화되고 있다. 한편에서는 이를 대체하기 위해 생분해성 바이오플라스틱 시장을 제시하고 있으며, 선진국들은 제조기술력 부문에서 우위를 선점하기 위해 노력하고 있다. 본지에서는 생분해성 바이오플라스틱의 필요성을 제시하며 이에 따른 산업동향을 소개한다. 

※ 자료 : 한국산업기술평가관리원(www.keit.re.kr)

 

1. 생분해성 바이오플라스틱 개요 

 

1) 플라스틱으로 인해 발생하는 사회문제 심화
플라스틱 생산량(1950-2015, 83억 톤)의 78%인 63억 톤이 플라스틱 폐기물로 발생했다. 그러나 그중 9%만 재활용이 되고 12%는 소각, 79%는 매립 또는 투기됐다. 현재의 플라스틱 소비 형태를 유지할 경우, 2050년에는 전체 석유의 20%를 소비해야 한다. 이러한 플라스틱 폐기물로 인해 인류 생존에까지 위험성이 제기됐다. 


네이처 지오사이언스지에 따르면 세계에서 가장 미세플라스틱으로 오염된 지역 2위와 3위가 각각 인천 및 낙동강 하류로 밝혀졌으며, 대한민국은 세계에서 가장 오염된 해안을 가지고 있는 상황이다.

 

2) 플라스틱문제 해결 위한 국제적 노력 
전 세계적으로 폐플라스틱과 미세플라스틱으로 인한 환경오염이 심해져 일회용 플라스틱 제품 사용 규제를 강화하고 있다. 


현재 프랑스, 이탈리아, 인도, UAE, 파키스탄 등은 산화 생분해 플라스틱(Oxo-Degradable Bioplastic) 포장재 사용에 대한 법령을 제정하고 있다.


EU에서는 플라스틱 면봉, 빨대, 풍선 막대, 그릇, 식기, 음료 막대, 병, 물티슈, 봉지, 포장지 등 일반인이 가장 많이 사용하는 10개 플라스틱 제품 사용을 금지하는 법안을 2021부터 발효했다. 따라서 2025년까지 각 회원국은 전체 유통되는 플라스틱 음료수 병 중 90% 이상을 수거해야 한다.


EU의 플라스틱 전략은 △플라스틱 제품 재활용 △플라스틱 폐기물 발생량 감축 △투자 및 혁신 유도 △글로벌 대응으로 구분되며, 이를 통해 2030년까지 플라스틱 분리수거 및 재활용 산업 분야에서 20만 개의 일자리를 창출한다는 목표를 제시했다.


분해되지 않는 플라스틱으로 인한 환경문제를 해결하기 위해 전 세계 30여 개의 글로벌 기업(BASF, DSM, Dow, Braskem, ExxonMobil, Total, Shell, Mitsubishi Chemical Holdings, Mitsui Chemicals, Procter&Gamble 등)들은 해양 폐플라스틱 감소 및 제거를 위한 솔루션을 증진하는 ‘플라스틱 쓰레기 제거 연합(AEPW, Alliance to End Plastic Waste)’을 결성했다.


AEPW는 5년간 15억 달러 투자를 목표로 하며, 플라스틱 쓰레기 최소화를 위한 새로운 솔루션 개발은 물론 폐플라스틱 재활용을 통해 순환경제에 기여하는 솔루션 또한 가속화 할 예정이다.


또한 BASF는 플라스틱 재활용을 증진시키는 혁신적인 기술 개발을 목표로 켐사이클링(Chemcycling) 프로젝트를 진행해, 2018년 폐플라스틱의 화학적 재활용을 통한 첫 파일럿 제품을 발표했다.

 

3) 생분해성 바이오플라스틱의 필요성
생활플라스틱은 일상생활에서 사용하는 비닐봉투, 일회용컵, 포장용기, 위생용품 등 일상생활의 편의증진을 위해 사용되는 범용성 플라스틱 소재의 집합을 의미한다.


생활플라스틱에 사용되는 소재는 5대 범용 석유계 소재로 알려져 있는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리아크릴(PMMA)로 제조한다. 


난분해성 생활플라스틱은 자연 조건에서는 분해되지 않는다. 따라서 적절한 분리수거 및 재활용 과정을 거치치 않고 토양 및 해양에 노출되면, 시간이 경과됨에 따라 미세플라스틱(직경 0.001~5㎜의 작은 플라스틱 입자)으로 변환돼 바다로 흘러들어가게 된다. 이를 해양 생물이 섭식하고, 다시 인간에게 돌아와 생태계를 교란하게 되는 것이다.


바이오플라스틱(Bioplastics)은 기존 화석연료로 생산되는 플라스틱의 보완재 또는 대체재인 친환경 플라스틱 원료 및 제품으로서, 유래와 생분해성에 따라 생분해성 플라스틱(Biodegradable Plastics)과 바이오매스 기반 플라스틱(Biobased Plastics)으로 구분할 수 있다.

 

생분해성과 원료 유래에 따른 바이오플라스틱의 분류


  

자료: European Bioplastics, nova-Institute(2018) Bioplastic market data 2018

 

플라스틱은 분해의 기작에 따라 다양한 분해로 구분할 수 있다. 대표적으로는 물리적·화학적 분쇄에 의해 단량체 단위로 분해가 되는 수준과 물, 이산화탄소, 바이오매스로 각각 분해가 되는 생분해로 크게 구분되며, 생분해성 바이오플라스틱은 폴리에스터 계열이다.


플라스틱 생분해는 대부분 매립 토양 혹은 해양에서 발견되는 미생물에 의해서 일어나므로 생분해 조절기술은 제품용도, 사용, 분해 환경 조건에 맞춰 개발해야 한다.

 

2. 생분해성 바이오플라스틱 산업동향

 

1) 글로벌 바이오플라스틱 생산동향
바이오플라스틱은 석유계 플라스틱을 대체하는 친환경 플라스틱으로 시장 규모가 빠르게 성장하고 있으며, 유럽플라스틱협회는 세계 바이오플라스틱 생산 능력이 2018년 약 211만 톤에서 2023년 262만 톤으로 늘어날 것으로 예측하고 있다.


211만 톤 생산량의 56.8%(120만 톤)는 바이오매스 기반 비분해성 바이오플라스틱이며, 43.2%(91만 톤)는 생분해성 바이오플라스틱이다.


2018년 기준 글로벌 생분해성 바이오플라스틱 생산규모는 약 91만 톤이며, 전분계 플라스틱인 Starch Blends는 42.1%(38.4만 톤), PLA는 23.8%(21.7만 톤), PBAT는 16.7%(15.2만 톤), PBS는 10.6%(9.7만 톤), PHA는 3.2%(3만 톤)를 차지하고 있다.

 

생분해성/비분해성 바이오플라스틱 생산 규모 

자료: European Bioplastics, nova-Institute (2018) Bioplastic market data 2018

 

 

 용도별 바이오플라스틱 생산 규모 


자료: European Bioplastics, nova-Institute (2018) Bioplastic market data 2018
 


지역별 바이오플라스틱 생산은 북미 지역이 16%, 서유럽 지역이 19%, 아시아가 55% 정도의 생산능력을 나타내고 있으나, 향후 북미, 서유럽에서 벗어나 바이오매스가 풍부하고 소비 규모가 큰 아시아 지역에서 생산이 확대될 것으로 예상된다.


생분해성 바이오플라스틱은 석유계 난분해성 바이오플라스틱이 사용되는 일상 플라스틱 제품 대체(비닐봉투, 컵, 포장재, 식품 용기 등) 및 자동차·전자기기 등에 사용 가능하고, 생분해성 소재 복합화를 통해 해양 및 토양 환경에서 분해가 가능한 생분해성 어구, 어망 등의 제품에 사용 가능하다.

 

2) 해외 생분해성 바이오플라스틱 기업동향
바이오플라스틱은 석유계 플라스틱을 대체하는 친환경 플라스틱이다. 시장 규모의 새로운 소재 등장과 사용촉진제도의 도입 확대를 고려하면, 예상보다 더 빠른 속도로 증가할 것으로 예측된다.


글로벌 석유화학기업, 바이오기업은 바이오플라스틱 원료 및 소재 생산기술 경쟁력 확보에 최선을 다하고 있다.


글로벌 기업 Novamont, NatureWorks, Total Corbion PLA, BASF, Mitsubishi Chemical, Kaneka, Danimer Scientific 등이 생분해성 원료 소재의 생산기술개발을 완료하고 생분해성 바이오플라스틱 시장을 선도하고 있다.

 

3) 국내 생분해성 바이오플라스틱 산업동향
국내 바이오플라스틱 시장은 약 4만 톤 규모로 국내 플라스틱 시장의 0.5%를 차지하며, 세계 바이오플라스틱 시장의 1~2% 내외를 점유하고 있다.


석유화학기업 중심으로 바이오플라스틱을 생산 중이나, 리파이너리(원료 추출·가공)는 기술개발 단계로 해외 원료 수입에 의존하고 있다.


바이오플라스틱산업은 발효원료(원당, 당밀) 확보, 바이오리파이너리를 통한 플랫폼 화합물의 생산, 바이오플라스틱의 제조, 최종 소비재로 가공 등의 가치 사슬이 존재한다.


국내는 바이오플라스틱 최종 소비재 가공 기술이 확보된 상황이며, 바이오매스 및 바이오리파이너리 기술은 연구 개발 단계다.


현재 국내 바이오플라스틱산업은 원료 및 플랫폼(Platform) 중심의 업스트림(Upstream)보다는 가공제품 중심의 다운스트림(Downstream) 부문이 더욱 활발하다.


글로벌 화학기업들과는 달리 국내 화학기업들은 국내외 규제 및 무역 장벽 등에 대비해 기술 개발 중이나 제도 불확실성 등으로 사업화 투자가 부진한 상황이다. 따라서 정부의 적극적인 시장확대제도 도입 및 기업의 투자확대가 필요하다.

 

3. 생분해성 바이오플라스틱 기술동향

 

1) 해외 생분해성 바이오플라스틱 소재 및 생산 공정 기술동향
글로벌 생분해성 바이오플라스틱 주요 생산 기업은 ▲신규 바이오플라스틱 소재/공정/제품용도 개발 ▲바이오플라스틱의 고함량화를 위한 바이오 단량체 생산기술 개발 ▲생분해성 바이오플라스틱의 순환기술 개발에 집중하고 있다.


BASF는 UIF Proprietary Two-Reactor(2R) Process를 생분해성 폴리에스터 PBS/PBAT 제조 공정에 적용하고, 연속 생산 공정을 구축해 Ecovio와 Ecoflex을 생산 중이다.


BASF는 PBAT의 단량체 아디프산(Adipic Acid)을 숙신산(Succinic Acid)으로 대체해 새로운 물성의 생분해성 바이오플라스틱 소재(PBST)를 개발했으며, PBAT 수지인 Ecovio를 활용해 포장재 및 필름 등 다양한 제품 용도를 개발했다.


NatureWorks는 장기간 연구개발을 통해 젖산, 락타이드, PLA를 생산하는 공정을 최적화했다. 개별 공정의 생산 수율이 95% 이상이며, 전체 공정의 수율은 80% 이상으로 석유 유래 소재 수준의 매우 높은 가격 경쟁력을 확보하고 있다.


NatureWorks는 젖산 발효 공정에서 분리정제 비용을 최소화하기 위해 노력했다. Protonated Lactic Acid를 생산하는 균주를 개발해 Gypsum 생성을 최소화했고, 락타이드 및 PLA 생산 공정에서 각 단계에 손실되는 젖산과 락타이드를 공정 내에서 재활용해 높은 경제성을 확보했다. Total Corbion PLA도 공정 기술을 확보했으나 효율이 떨어진다는 단점이 있다. 


PLA, PHA는 100% 바이오매스로부터 생산이 가능한 생분해성 바이오플라스틱 소재다. PBS/PBAT는 석유원료 유래 단량체를 사용하고 일부는 바이오매스 유래 단량체를 사용하나 바이오매스 함량이 낮다.


PBS/PBAT의 단량체인 1,4-부탄디올, 아디프산(Adipic Acid), 테레프탈산(Terephthalic acid) 등을 연구 개발 중에 있는데, 상용화에 성공할 경우 바이오매스 고함량 PBS/PBAT 생산이 가능하다.

 

2) 생분해성 바이오플라스틱 순환기술 개발 
선진국은 생분해성 바이오플라스틱의 시장규모가 확대됨에 따라 생분해성 바이오플라스틱의 환경 영향을 최소화하기 위해 생분해성 바이오플라스틱 순환기술(생물학적 분해 및 물리적 재활용, 퇴비화, 혐기성 소화 등) 개발에 집중하고 있다.


생분해성 바이오플라스틱의 시장규모가 빠르게 성장하고 있으나, 현재까지 사용 후 생분해성 바이오플라스틱 폐자원의 순환기술은 물리적(Mechanical Recycling), 유기적 재활용(Organic Recycling)에 그치고 있다.


난분해성 석유계 플라스틱을 대체(Drop-In)하는 바이오매스 유래 PE, PP, PET는 기존 석유계 플라스틱 재활용 시스템에 적용이 가능하지만, PLA, PBS, PBAT, PHA 등의 생분해성 바이오플라스틱은 기존 석유계 플라스틱 재활용 시스템에 사용할 수 없어 새로운 분해 및 재활용 기술 개발이 필요하다.


특히, PLA는 잠재적으로 재활용이 가능하지만 별도의 재활용 시스템이 아직 개발되지 않았다. 이미 PLA 선별 기술이 사용 가능하므로, PLA 시장 규모가 충분히 성장하면 PLA 재활용 시장도 형성이 될 것으로 예상된다.


퇴비화(Composting)는 생분해성 바이오플라스틱을 산소에 민감하지 않는 미생물을 이용해 물과 이산화탄소로 분해하는 기술이며, 유럽 규격 퇴비화 및 생분해 표준화 조건인 EN 13432(최소 6개월 안에 90% 분해, 봉지의 90%는 미생물과의 접촉 시 3개월 내로 2㎜ 이하의 크기로 해체 및 분해)보다 훨씬 빨리 생분해가 일어나는 50~70°C 산업용 퇴비화 공정이 개발됐다.


혐기성 소화(Anaerobic Digestion)는 생분해성 바이오플라스틱을 산소에 민감한 혐기성 미생물을 이용해 혐기 분해를 하고 바이오가스를 얻는 방법으로, 혐기성 소화로 얻어지는 주요 가스인 메탄은 에너지원으로 사용이 가능하다.


유럽은 Horizon 2020 프로그램 내 BIOnTop 프로젝트를 통해서 8개 국가 20개 기관이 참여해 바이오매스 함량이 85% 이상인 생분해 가능 바이오플라스틱을 개발하고 있으며, 바이오플라스틱의 순환을 위해 소각 또는 매립을 최소화하는 새로운 물리적 재활용, 유기적 재활용 시스템을 개발하고 있다.

 

바이오플라스틱의 기계적/유기적 순환 기술

자료: European Bioplastics, nova-Institute (2018) Bioplastic market data 2018
 


3) 국내 생분해성 바이오플라스틱 기술동향 
국내 생분해성 바이오플라스틱 산업은 PLA/PBS/PBAT 등 생분해성 원료 소재를 수입 및 가공해 플라스틱 제품을 생산하는 중소·중견기업을 중심으로 바이오플라스틱 전·후방 산업생태계가 구축돼 있으며, 생분해성 원료 소재는 대기업을 중심으로 아직 연구 단계에 머물러 있는 상황이다.

 

4. 결론
전 세계적으로 플라스틱 제품 사용 규제를 강화하고 있으며, 석유계 비분해성 플라스틱 대체를 위한 바이오플라스틱 시장이 급성장에 따라 글로벌 기업은 바이오플라스틱 제조기술 경쟁력 확보하고 글로벌 시장 선점에 나서고 있다.


특히 유럽은 지속가능한 바이오매스 자원으로부터 생분해성 바이오플라스틱을 생산하고, 사용 후 버려지는 플라스틱 폐기물을 재활용하는 기술을 개발해 바이오플라스틱산업을 일방형에서 순환형 구조로 전환하고 있다.


PLA, PBS, PBAT 등 주요 생분해성 바이오플라스틱 원료 소재는 특정 기업에서 오랜 연구를 바탕으로 경제성 있는 바이오·화학 융합 공정을 개발했다. 글로벌 시장을 주도하고 있으나 국내 기업은 협소한 시장 규모와 바이오플라스틱 전주기적 요소기술의 부재로 시장 진입이 어려운 상황이다.


따라서 생분해성 바이오플라스틱을 대부분 수입에 의존함에 따라 생분해성 바이오플라스틱 국산화 및 자립화를 위해 원료-소재-제품-순환의 전주기 기술의 개발 및 실증이 시급하다. 또한 국내 바이오플라스틱 산업 발전 속도를 고려한 다양한 바이오플라스틱 육성 정책의 도입이 절실하다.


석유계 플라스틱 글로벌 경쟁력을 확보하고 있는 국내 플라스틱 대·중소기업들이 바이오플라스틱 제조기술 경쟁력 확보 및 사용촉진제도 등을 통해 국내 시장 규모를 확보할 경우, 바이오플라스틱 소재 자립화 및 국내 기업의 글로벌 시장 진출 가능할 것을 기대된다.
 

최난 기자
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