바이오기술로 오염된 플라스틱도 재활용 가능해져

경북대 김경진 교수 연구팀·자이엔·CJ제일제 산학연구팀
세계 최고 성능 PET 플라스틱 분해 효소 개발
첨단바이오 기반 친환경 플라스틱 재활용 가능
세계 최고권위 학술지 ‘사이언스’ 게재

쏟아져 나오는 폐 PET 플라스틱을 화학적 오염이나 품질 저하 없이 재활용하게 해주는 세계 최고 성능의 바이오 촉매, 즉 효소가 국내 기술로 개발됐다. 향후 플라스틱 재활용 분야에서 국내 기업이 선도적인 입지를 구축하는 데 기여할 것으로 기대된다.

유색 플레이크, 알루미늄 소재 등이 혼합된 C급 복합 플레이크를 세계최고 성능의 바이오 촉매를 활용해 새롭게 합성한 투명 페트병의 사진. 사진제공=과기정통부

과학기술정보통신부는 경북대학교 김경진 교수(자이엔 대표 겸직)와 CJ제일제당 연구팀이 산업 조건에서 PET(polyethylene terephthalate) 플라스틱을 분해하는 세계 최고 성능의 바이오촉매(PET depolymerase, PETase)를 개발했다고 3일 밝혔다.

이번 연구 성과는 국제학술지 '사이언스(Science)'에 "Landscape profiling of PET depolymerases using a natural sequence cluster framework"라는 제목으로 게재됐다. 서호균 박사(경북대 미생물연구소), 홍화석 박사(CJ제일제당 바이오연구소), 박지영 박사과정생(경북대)이 제1저자로 참여했다.

PET는 페트병뿐만 아니라 의류, 안전벨트, 테이크아웃컵, 차량매트 등에 다양하게 사용된다. PET는 현재 대부분 기계적 재활용(Mechanical recycling, MR)을 통해 재활용되고 있다. 환경부에 따르면 2021년 국내 투명페트병 재활용률은 77%에 달하지만, 대부분 단섬유(부직포) 등 중저급 용도(73%)로 사용되며 시트류 등 고급 용도는 15%에 그치고 있다.

이는 재활용 플라스틱의 품질이 낮다는 문제에 기반한다. 현재 주로 사용되는 폐플라스틱의 기계적 재활용 방식은 품질이 낮아 소각이나 매립으로 이어져 환경 오염을 야기한다는 지적이 많았다. 화학적 재활용도 원료 오염과 환경 영향 문제가 있었다.

반면 바이오촉매를 이용한 생물학적 재활용은 PET에 선택적으로 반응하고 순수한 반응물을 생성해 환경 부담이 적으며, 재활용 소재의 품질도 우수하다.

PET 폐기물이 제품으로 변화되는 과정에 대한 흐름도. PET 분해 바이오촉매를 폐기물을 분해하여 재생원료를 생산하고, 재생 원료를 기존의 PET 플라스틱 산업에 공급하는 연결고리를 만들어서 끝없는 재활용을 가능하게 한다. 사진=과기정통부

연구팀은 생물학적 재활용(Biocatalytic recycling, BR)이라는 개념으로 접근했다. PET이 환경에서 분해되지 못하는 것처럼, PET을 분해하는 바이오촉매를 찾는 것은 거의 불가능하다. 연구팀은 자연계에 존재하는 바이오촉매들의 활성을 예측하는 새로운 접근법을 개발했다.

연구팀은 자연계에 숨어있는 유사한 바이오촉매들의 집합에 대한 지도(Landscape)를 그려서 그들의 재능을 예측하는 접근법을 개발해 '쿠부(Kubu-P)'라는 신규 바이오촉매를 발굴해내는 데 성공했다. 이어 효소공학 기술을 활용해 더욱 강력한 '쿠부M12'를 개발했다. 쿠부M12는 0.58g의 소량으로 1kg의 PET를 1시간 이내에 45%, 8시간 만에 90% 이상 분해하는 성능을 보였다.

김경진 교수는 "바이오촉매를 통한 생물학적 재활용은 재활용이 되지 않는 오염된 플라스틱까지도 영구적 재활용이 가능하게 하는 획기적인 기술"이라며 "앞으로 다양한 화학 산업에서 바이오촉매를 응용한 혁신이 일어날 것"이라고 밝혔다.

과기정통부와 연구진은 향후 석유화학산업을 넘어 국내 화이트바이오(White biotechnology, 화학 산업적용 바이오 기술) 연구 상용화의 물꼬를 틀 수 있을 것이라고 기대했다.

이미 연구팀은 쿠부M12를 이용해 유색 칩과 알루미늄 등이 혼합된 C급 플레이크 원료로부터 국내 최초로 생물학적 재활용 페트병을 생산해냈다. 또한 자이엔은 효성TNC 등과 함께 폐섬유의 재생 연구에 착수하는 등 바이오촉매의 산업적 응용을 확대하고 있다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 바이오·의료기술개발사업의 지원으로 수행됐다.

백종민 기자 cinqange@asiae.co.kr