※ '화이트 바이오' 주제는 총 3편의 시리즈로 연재됩니다. '바이오 기술의 정의와 3가지 유형'은 이전 글에서 확인하세요.

화이트 바이오 기술의 활용 영역 2가지

1) 바이오 소재

화이트 바이오 기술은 크게 바이오 소재 분야와 바이오 에너지 분야로 나눌 수 있다. 바이오 소재는 식물, 미생물, 폐기물 등 바이오 자원을 생물화학적으로 가공하여 친환경 소재를 만드는 기술을 말한다. 이렇게 만들어진 소재는 기존의 석유 화학 소재를 대체하거나 보완한다.

- 바이오 플라스틱
가장 대표적인 바이오 소재이자, 석유화학 업계부터 식품 및 포장 업계에 이르기까지 그 활용성이 높아 활발한 투자와 연구가 진행되고 있는 소재는 ‘바이오 플라스틱’이다.

석유 기반 플라스틱은 오랜 시간 사랑받아 왔지만, 생산과정에서 엄청난 양의 탄소를 배출하고 폐기 이후로 수백 년 가까이 썩지 않는다는 특징 때문에 이제는 엄격한 규제의 대상이 되고 있다. 바이오 플라스틱은 이를 대체하기 위한 소재로, 바이오 원료 또는 기반 기술을 바탕으로 하는 플라스틱이다.

바이오 플라스틱의 유형은 폐기 과정상의 친환경성에 초점을 두는 ‘생분해성 플라스틱’, 생산 과정상의 친환경성에 초점을 둔 ‘바이오매스 플라스틱’으로 나눌 수 있다. 생분해성 플라스틱은 천연물에서 석유 계열까지 원료는 다양하지만, 자연계에서 미생물에 의해 6개월 안에 물, 이산화탄소, 퇴비 등으로 90%이상 분해되는 것이 특징이다. 바이오매스 플라스틱은 생분해는 어렵거나 불가능하지만, 재생가능한 원료로 만들어지며 재활용이 가능해 제조 과정의 탄소 배출량이 약 70%까지 저감되는 효과가 있다.
 

이 중 가장 지속가능성이 높은 것은 ‘천연물 계열 생분해성 플라스틱’으로, 현재 대규모로 상업 생산되고 있는 유형은 PLA(Poly Lactic Acid)이다. PLA는 옥수수에서 추출한 녹말을 발효 및 정제하여 만든 생분해성 고분자 소재이다. PLA는 1회용 봉투와 컵, 빨대, 식기와 같은 생활 소비재, 수술용 실 또는 임시 치아와 같은 의료 소재로 주로 활용된다. 그러나 PLA는 섭씨 60도 이상의 특정 환경에서만 분해가 가능하다는 특징이 있다.

천연물 계열 생분해성 플라스틱의 또다른 유형은 PHA(Poly Hydroxyalkanoate)이다. PHA는 미생물이 녹말 등 탄소원을 먹이로 하여 합성하는 물질로, 미생물 체내에 축적된 것을 추출 정제하여 만드는 고분자 소재이다. PLA와 달리 차가운 바닷속과 토양에서 모두 생분해되기 때문에 더 친환경적이지만, 생산 원가가 높고 미생물 배양 기술이 까다로워 대량 생산 단계에 접어들지는 못했다.

그런데 최근 혁신적인 기술이 개발되어, PHA 대량 생산의 가능성이 열리고 있다. KIST 청정에너지 연구센터에서는 2024년, 공기 중 이산화탄소로 바이오 플라스틱을 만드는 기술을 개발했다. 연구팀은 이산화탄소(CO2)를 흡수해 PHA를 합성하는 ‘수소 산화 박테리아’에 주목했는데, 물을 전기 분해해 실시간으로 생산된 수소(H2)를 미생물의 대사 에너지원으로 공급하고 이를 통해 미생물이 이산화탄소를 대사하여 PHA를 체내 축적하게 하는 방법을 고안했다. 이 기술은 PHA 생산 단가를 낮춤으로써 차세대 친환경 플라스틱의 상용화를 가능하게 함과 동시에, 대기 중 이산화탄소를 직접적으로 감축할 수 있는 핵심 기술로도 다양하게 활용될 것으로 기대된다.


2) 바이오 에너지

바이오 소재와 더불어, 화이트 바이오의 또다른 분야로는 바이오 에너지가 있다. 동식물 자원이나 농업 잔여물, 폐기물 등 바이오매스에 열화학적, 생물학적 기술을 적용하여 지속가능한 에너지로 변환하는 기술을 말한다. 전기나 열에너지 형태로 이용하거나, 액체, 가스 형태의 연료로 가공되어 기존의 화석 연료 기반 에너지를 대체한다. 대표적인 바이오 에너지로 바이오 가스와 바이오 에탄올이 있다.

- 바이오 가스
바이오 가스는 음식물 쓰레기, 농업 폐기물, 가축분뇨, 하수 슬러지와 같은 유기 폐기물이 미생물의 혐기성 소화 과정을 통해 분해되면서 생성되는 가연성 가스이다. 주요 성분은 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)로, 이를 정제하면 도시가스, 전력 생산 및 지역 난방, CNG(압축천연가스) 차량 충전 등으로 활용할 수 있다.

바이오 가스는 화석 연료를 대체함과 동시에, 악취, 수질오염 등 각종 환경 문제를 일으키는 유기성 폐기물을 처리할 수 있다는 점에서 매우 친환경적인 에너지 기술이다. 세계바이오가스협회(WBA) 보고서에 따르면, 전 세계에서 매년 1,050억 톤 이상의 유기성 폐기물이 발생하는데, 이를 바이오가스로 사용하면 2030년까지 탄소 배출량을 10% 감소할 수 있다. 우리나라 정부도 2023년부터 ‘바이오가스법’을 시행하고 있으며, 2026년부터 유기 폐기물 처리 책임이 있는 공공 및 민간 단체에 바이오 가스 생산 목표가 부여될 예정이다.
 

바이오 가스의 생산 과정은 크게 3단계로 이루어진다. 우선 반입저장조에 수집된 폐기물에 섞인 자갈, 쇠붙이, 모래 등 이물질을 분리하는 전처리 공정을 거친 후, 혐기성소화조로 이동해 미생물에 의해 발효 및 분해 과정을 거친다. 사람의 위장에서 소화를 거치면 방귀가 생기듯이, 이 과정에서 바이오 가스가 만들어진다. 이때 생성된 가스는 정제를 거쳐 발전이나 난방에 활용되고, 바이오 가스를 만들고 남은 폐수는 여과를 거쳐 액체 비료로 활용된다. 국내에서는 2024년 현대건설이 최초로 경기도 시흥에 ‘민간투자형 통합 바이오 가스화 시설’을 설립하여, 일평균 발생하는 음식물 폐기물 145톤, 하수 찌꺼기 540톤, 분뇨 60톤 등의 방대한 폐기물을 처리하고 연간 약 460만Nm³의 도시가스를 생산하고 있다. 이는 하루 약 8,282가구가 사용할 수 있는 양으로, 시흥시 전역에 공급되고 있다.

- 바이오 에탄올
바이오에탄올은 옥수수, 사탕수수 등 바이오매스를 발효해 생산되는 알코올로, 주로 휘발유와 혼합하여 수송 연료로 사용되거나, 손세정제, 도료, 잉크 등 폭넓게 사용된다. 바이오 에탄올을 휘발유에 혼합하면, 단가가 낮아지는 동시에 탄소 배출량을 줄일 수 있고 연소 시 유독물질 방출량도 적어진다. 바이오 에탄올 혼합 휘발유는 그 비율에 따라 E10(에탄올 10% 혼합), E15(15%혼합) 부터 아예 에탄올로만 만든 E100까지 다양하다. 미국에서는 이미 모든 자동차에 E10 혼합 연료 사용을 의무화하고 있으며, 전세계 60여개 국에서 에탄올 혼합유를 사용 중이다.

환경적, 비용적인 이점이 있음에도 바이오 에탄올을 모든 국가에서 의무화하기 어려운 이유는, 원료 수급 때문이다. 현재 상업적 대량생산이 가능한 1세대 에탄올 생산 기술은, 식량 자원을 원료로 한다. 옥수수, 카사바 등 식량 자원을 연료로 소모하면 식량난을 부추길 수 있으며, 재배 과정에서 오히려 환경을 파괴하기도 한다. 이를 극복하기 위해 폐목재, 식물 줄기, 셀룰로오스와 같은 목질계 바이오매스를 원료로 하는 2세대 기술이 등장했으나, 아직은 바이오매스 분해 비용이 높아 소량 생산만 이루어지고 있다.
 

최근 등장하여 활발하게 연구 중인 3세대 기술은 적조, 녹조와 같은 해조류를 원료로 바이오 에너지를 생산하는 기술이다. 해조류에는 다당류가 풍부하여 바이오매스로 정제가 용이하고, 탄소 흡수 능력이 일반 식물에 비해 약 15배가량 높아 재배 과정도 친환경적이다. 게다가 별도의 경작지가 필요 없다는 장점이 있다. 미국은 2030년에 해조류 바이오 에탄올 발전소 구축 목표로 발표했다. 우리나라는 연간 1000여 종의 해조류를 176만 톤 생산할 정도로 풍부한 원료를 가진 만큼, 차세대 바이오 에너지 기술 선점에 유리할 것으로 보인다.

* 화이트 바이오 3편, '화이트 바이오 기술의 비즈니스적 시사점'은 다음 글에 업로드될 예정입니다.


<References>
· “2024 Global Impact Report”, 2024. 10, Deloitte
· “Industrial Development Report 2024”, 2024. 5, UNIDO
· “White Biotechnology Market Size, Share and Trends 2024 to 2034”, 2024. 9, Precedence Research
· “IEA Bioenergy Report 2023, How bioenergy contributes to a sustainable future” 2023, IEA
· “The Bio Revolution: Innovations transforming economies, societies, and our live”, Michael Chui, 2020. 5, McKinsey Insights
· “The colors of biotechnology: general overview and developments of white, green and blue areas”, Mayara C.S. Barcelos, 2018, FEMS Microbiology letters
· “공기 중 이산화탄소로 지구 살리는 친환경 플라스틱 생산한다”, 2024. 6, KIST한국과학기술연구원 최신연구성과
· “폐기물을 재활용하여 청정 지구를 만드는 현대건설의 바이오가스 에너지화 기술”, 2024. 8, 현대건설 뉴스룸

· “화이트바이오 국내·외 현황 및 이슈 분석”, 2020. 6, KIER한국에너지기술연구원