울산과학기술원(UNIST) 폐플라스틱 탄소선순환 센터

김동혁 부교수 (UNIST 에너지화학공학과)

선정 기관 : 울산과학기술원(UNIST) 폐플라스틱 탄소선순환 센터

선정 연도 : 2020, 2021, 2022

지원 금액 : 2020년 4억, 2021년 4억, 2022년 4억, 합계 12억

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기술 개요

과도한 플라스틱 사용으로 인한 폐플라스틱 환경 오염 문제는 전 세계적으로 인류가 당면한 가장 심각한 문제의 하나로 부각되고 있습니다. 우리나라의 경우 1인당 플라스틱 소비량은 주요국 중 가장 높고, 소비량의 증가 속도도 매우 빠릅니다. 전 세계적으로 플라스틱 폐기물 발생량은 지난 60년간 지속적으로 증가했으며, 2015년의 경우 그 발생량이 4억 톤에 이름. 1950년부터 2015년까지 생산된 플라스틱 총량 83억 톤 중 재사용된 플라스틱은 7.2%인 6억 톤에 불과하고, 59%에 달하는 49억 톤은 단순 매립되거나 아무런 처리 없이 자연계로 방출되고 있습니다. 

현재 국내 폐플라스틱의 처리 방법은 소각, 매립, 재활용 등 3가지입니다. 35%를 차지하고 있는 소각의 경우, 독성물질들이 배출되기 때문에 그 비중이 점점 줄어들고 있으며, 미세먼지 발생과 온난화 가스인 CO2 발생 이외에도, 유독한 물질인 다이옥신이 다량 발생한다는 어려운 문제가 있습니다. 한편, 5%를 차지하고 있는 매립은 매립용지의 부족으로 소각과 함께 그 비중이 줄어들고 있고, 마지막으로 국내 폐플라스틱 처리의 60%를 차지하고 있는 재활용은 그 비중이 점차 증가하고 있는데 크게 열적, 기계적 그리고 화학적 재활용으로 구분됩니다.

열적 재활용 방법은 열에너지 회수를 주 목적으로 하므로 물질 회수가 불가능하여 온난화 가스인 CO2 발생이라는 문제가 존재하며, 기계적 재활용 방법은 독성물질 배출이 적다는 점에서 매력적이지만, 활용할 수 있는 플라스틱의 종류가 제한적이고 재활용률이 30% 이하라는 한계점이 존재합니다. 따라서 마지막 방법인 화학적/생물학적 재활용 방법이 새로운 대안으로 부상하고 있으며 가장 큰 장점은 업사이클링을 통해 고부가가치 물질을 생산할 수 있다는 것이며, 현실적으로 국내 발생 혼합 폐플라스틱을 2차 환경오염물질 발생 없이 수백 톤/일 이상으로 대량 처리할 수 있는 기술은 가스 화가 유일하며, 가스화된 폐가스를 생물학적 촉매를 이용하여 생분해 플라스틱 단량체와 같은 고부가가치 산물로 전환할 수 있습니다. 따라서 폐가스를 전환할 수 있는 효율적인 생물학적 촉매를 개발하여 폐플라스틱에서 생분해 플라스틱 단량체를 만들 수 있는 융합 공정을 개발하고자 합니다. 

How? 어떤 혁신 과학기술로 해결할 것인가요?  

폐플라스틱 가스화 공정을 통해 생산된 CO/CO2/H2를 포함하는 폐가스를 효소 촉매를 이용하여 포 메이트로 전환합니다. 효소 촉매 기반 포 메이트 생산 공정은 2종류의 미생물에서 추출한 효소들로 이루어져 있습니다. 첫 번째 효소는 고온에서 자라는 C. hydrogenoformans에서 발굴한 CODH이고, 두 번째 효소는 메탄을 먹고 자라는 M. extorquens에서 발굴한 FDH입니다. 이 2가지 효소를 딥러딩 등의 최신 기술을 접목해 엔지니어링 했으며, 이렇게 개발한 공정은 포메이트 생산성이 세계 최고 수준입니다. 

아래 그림은 폐플라스틱에서 만든 폐가스를 효소 촉매로 전환해서 만든 포메이트입니다.

이렇게 생산된 포메이트를 이용해 이번에는 개량된 미생물 촉매를 이용해 고부가가치 생분해 플라스틱 단량 체인 4-하이드록시 발레르 산과 2-하이드록시부티레이트를 세계 최고 수준으로 생산할 수 있는 개량된 대장균과 수도모나스 미생물 균주를 개발했습니다.

이렇게 개발한 융합 공정은 폐플라스틱을 가스화하여 나온 폐가스를 엔지니어링 된 효소 촉매와 미생물 촉매의 연속 전환을 통해 깨끗한 생분해 플라스틱 단량체를 세계 최고 수준의 수율로 만드는데 사용할 수 있습니다.