생분해성 플라스틱

Biodegradable plastic
재생 가능한 원자재(바이오매스)에서 파생된 플라스틱에 대한 자세한 내용은 바이오 플라스틱을 참조하십시오. 인체에서 생분해하도록 설계된 플라스틱에 대한 자세한 내용은 생분해성 고분자를 참조하십시오.
생분해성 플라스틱으로 만든 일회용 커틀러리

생분해성 플라스틱은 살아있는 유기체, 대개의 경우 미생물의 작용에 의해 물, 이산화탄소, 바이오매스로 분해될 수 있는 플라스틱이다.[1] 생분해성 플라스틱은 일반적으로 재생 가능한 원료, 미생물, 석유화학 또는 세 가지 모두의 조합으로 생산된다.[2]

'바이오플라스틱'과 '바이오디그레이더블플라스틱'이라는 단어는 비슷하지만, 동의어는 아니다. 모든 바이오 플라스틱(부분 또는 전체 바이오매스에서[3] 파생된 플라스틱)이 생분해 가능한 것은 아니다.

적용

생분해성 플라스틱은 일반적으로 포장, 사기, 절삭, 음식 서비스 용기와 같은 일회용 품목에 사용된다.[4]

원칙적으로, 생분해성 플라스틱은 기존의 플라스틱을 위한 많은 응용 프로그램을 대체할 수 있다. 그러나 여기에는 여러 가지 도전이 수반된다.

  • 많은 생분해성 플라스틱은 산업용 퇴비화 시스템에서 분해되도록 설계되었다. 그러나 이를 위해서는 실제로 이런 일이 일어나도록 잘 관리된 폐기물 시스템이 필요하다. 이러한 플라스틱으로 만들어진 제품들이 쓰레기 매립지 같은 재래식 폐수로 버려지거나, 강이나 바다와 같은 개방된 환경으로 흘러들어간다면, 잠재적 환경적 편익이 실현되지 않고, 이것이 플라스틱 오염의 문제를 줄이기는커녕 오히려 악화시킬 수 있다는 증거가 된다.[5]
  • '생물분해성'으로 표시되지만 미세플라스틱처럼 작은 조각으로만 분해되거나 생분해되지 않는 작은 단위로만 분해되는 플라스틱 제품은 기존 플라스틱에 비해 개선된 것이 아니다.[5]
  • 2009년 한 연구는 생분해성 플라스틱의 사용이 기존의 플라스틱 사용을 제한하는 특정 규정의 맥락에서만 재정적으로 가능했다는 것을 발견했다.[6] 예를 들어, 생물 분해성 비닐 봉투와 쇼핑객들은 특정 법률의 도입으로 2011년부터 이탈리아에서 의무화 되어왔다.[7]

종류들

생분해성 용기의 개발

바이오 기반 플라스틱

생물학적으로 합성된 플라스틱(생체성형물 또는 생물유기물이라고도 함)은 식물, 동물 또는 미생물과 같은 자연적 기원에서 생성된 플라스틱이다.[8]

폴리히드록실카노아테스(PHA)

폴리히드록시칼라노사이트는 다양한 미생물에 의해 자연적으로 생성되는 생분해성 플라스틱의 일종이다(예: 큐프리비두스 네케이터). 특정 유형의 PHA에는 폴리-3-하이드록시부티레이트(PHB), 폴리히드록시밸레이트(PHV), 폴리히드록시헥사노레이트(PHHH)가 포함된다. PHA의 생합성은 대개 유기체의 특정 영양소(예: 인, 질소, 산소 등의 매크로 원소의 부족)를 빼앗고 탄소 공급원의 과잉을 공급함으로써 추진된다.[9] 그리고 나서 PHA 과립은 미생물을 파열시킴으로써 회복된다.[10]

PHA는 다음 두 가지 유형으로 분류할 수 있다.

폴리락틱산(PLA)

폴리락틱산은 재생 가능한 바이오매스에서 합성된 열가소성 수지 폴리에스테르로, 일반적으로 옥수수, 카사바, 사탕수수 또는 사탕무 펄프와 같은 발효 식물 전분에서 유래한다. 2010년, PLA는 전 세계에서 두 번째로 높은 바이오 플라스틱 소비량을 기록했다.[12]

PLA는 퇴비가 가능하지만 인공 퇴비화 조건 밖에서 생분해되지 않기 때문에 미국과 유럽의 기준에 따라 생분해되지 않는다. ( #우편성 플라스틱 참조)

전분 혼방

전분 혼합은 전분과 가소제를 혼합하여 만든 열가소성 플라스틱 폴리머다. 녹말 중합체 자체는 상온에서 깨지기 쉽기 때문에 녹말 젤라틴화라고 하는 과정에서 가소제가 첨가되어 결정화를 증대시킨다.[13] 모든 녹말이 생분해 가능한 반면, 모든 가소제는 그렇지 않다. 따라서 가소제의 생분해성은 전분 혼합물의 생분해성을 결정한다.

생분해성 전분 혼합물로는 전분/폴리글락산,[14] 전분/폴리캡롤락톤,[15] 전분/폴리부틸렌-아디페이트-코-테프탈레이트 등이 있다.

녹말/폴리올레핀과 같은 다른 혼합물은 생분해되지 않는다.

셀룰로오스계 플라스틱

셀룰로오스 바이오 플라스틱은 주로 셀룰로오스 에스테르(셀룰로오스 아세테이트, 니트로셀룰로오스 포함)와 셀룰로이드를 포함한 그 파생물이다. 셀룰로오스는 광범위하게 변형되면 열가소성 수지가 될 수 있다. 그 예로는 셀룰로오스 아세테이트가 있는데, 이것은 비싸서 포장에 거의 사용되지 않는다.[16]

리그닌 기반 폴리머 합성물

리그닌 기반의 폴리머 복합 재료는 생분해 성질을 가진 바이오 재생 천연 방향족 폴리머다. 리긴은 종이, 에탄올 등의 생산을 통해 식물성 물질에서 다당체를 추출한 부산물로 발견된다.[17] 매년 5천만 톤이 화학펄프 산업에 의해 만들어지고 있다는 보고가 있을 정도로 풍부하다.[18] 리긴은 저중량 소재와 다른 대안보다 친환경적이기 때문에 유용하다. Lignin은 생분해 과정에서 CO2 방출에 대해 중립적이다.[17] 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등 다른 생분해성 플라스틱 공정에서 CO와2 물을 분해 미생물이 생산한 폐기물로 배출하는 것으로 나타났다.[18]

리긴은 반응성 기능성 그룹, 필름으로 형성되는 능력, 높은 탄소 비율, 플라스틱과 함께 사용되는 다양한 화학 혼합물과 관련하여 다용성을 보여주는 현재의 플라스틱 화학 물질과 비교했을 때 상당한 화학적 특성을 가지고 있다. 리긴 또한 안정적이며, 방향족 고리를 함유하고 있다. 그것은 탄성과 점성을 동시에 지녔지만 액체 단계에서는 부드럽게 흐른다. 가장 중요한 것은 리긴은 자연에서 항균성 물질이기 때문에 플라스틱의 현재 기준을 개선할 수 있다.[17] 이렇게 대량으로 생산되고 있으며, 떠오르는 환경 친화적인 폴리머로 쉽게 사용할 수 있다.

석유계 플라스틱

석유에 기반을 둔 플라스틱은 석유화학으로부터 파생되는데, 석유화학은 화석 원유, 석탄 또는 천연가스로부터 얻어진다. 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS) 등 가장 널리 사용되는 석유계 플라스틱은 생분해성이 없다. 그러나 다음과 같은 석유 기반 플라스틱이 열거되어 있다.

폴리글리콜산(PGA)

폴리글리콜산은 열가소성 중합체와 알리파틱 폴리에스테르를 말한다. PGA는 생분해성을 위해 PGA 봉합과 같은 의료 애플리케이션에 자주 사용된다. 폴리글리콜산 등뼈의 에스테르 연계는 수력학적 불안정성을 준다. 따라서 폴리글리콜산은 가수분해를 통해 무독성 단층체 글리콜산으로 분해될 수 있다. 이 과정은 에스테라제(esterase)로 빠르게 진행될 수 있다. 체내에서 글리콜산은 삼차복시산 사이클에 들어갈 수 있으며, 그 후에는 물과 이산화탄소로 배설될 수 있다.[19]

폴리부틸렌수신분(PBS)

폴리부틸렌수진은 프로필렌에 버금가는 성질을 가진 열가소성 중합체 수지다. 그것은 식품과 화장품의 필름 포장지에 사용된다. 농업 분야에서는 PBS가 생분해성 멀칭[20] 필름 PBS가 에이미콜라톱시스 sp에 의해 분해될 수 있는 것으로 활용되고 있다. HT-6과 페니실륨 sp 14-3 변형률 또한, Microbispora Rosea, Melioposora japonica, E. viridilutea는 유화 PBS의 샘플을 소비하는 것으로 나타났다.[21]

폴리카프로락톤(PCL)

폴리카프로락톤은 에스테르 링크의 가수분해로 인해 생분해성 특성을 제공하기 때문에 이식 가능한 바이오 물질로 두각을 나타냈다. 결정체와 프로테오박테리아가 PCL을 저하시킬 수 있다는 것이 밝혀졌다. 페니실륨 sp. 변형률 26-1은 고밀도 PCL을 저하시킬 수 있다; 열전성 아스페르길루스 sp. 변형률 ST-01. 클로스트리디움 종은 혐기성 조건에서 PCL을 저하시킬 수 있다.[21]

폴리(비닐 알코올)(PVA, PVOH)

폴리(비닐 알코올)는 물에 용해되는 몇 안 되는 생분해성 비닐 중합체 중 하나이다. PVA는 물 속 용해성(비싸고 무해한 용해성) 때문에 식품 포장, 섬유 코팅, 종이 코팅, 헬스케어 제품 등 다양한 용도를 갖추고 있다.[22]

폴리부틸렌아디페이트 테레프탈레이트(PBAT)

PBAT(Polybutylene adipate terephalate, PBAT)는 생분해성 랜덤 복합체다.

가정용 퇴비성 플라스틱

가정용 플라스틱(즉, 산업용 퇴비화 설비에 의존하지 않는 플라스틱)을 규정하는 국제표준이 확립되어 있지 않지만, 호주(AS 5810 "가정용 퇴비화에 적합한 생체분해성 플라스틱")와 프랑스(NF T 51-800 "가정용 퇴비에 적합한 플라스틱에 대한 규격")에서 국가표준이 만들어졌다.프랑스 표준은 벨기에 인증자 TUV 오스트리아 벨기에가 개발한 "OK 퇴비집 인증제"에 기초한다.[23] 다음은 가정 퇴비성에 대한 확립된 국가 표준에 부합하는 플라스틱의 예들이다.[24]

  • BioPBS FD92 수지, 최대 두께 85미크론
  • BWC BF 90A 수지, 최대 두께 81미크론
  • 에코폰드 플렉스 162 수지, 최대 두께 65미크론
  • HCPT-1 트리플 라미네이트, 최대 두께 119마이크론
  • HCFD-2 듀플렉스 라미네이트, 최대 두께 69미크론
  • TRBF90 수지, 최대 두께 43미크론 토라이스

생물분해에 영향을 미치는 요인

생분해성 플라스틱의 설계와 사용에 대한 어려움 중 하나는 생분해성이 "시스템 속성"이라는 것이다. 즉, 특정 플라스틱 품목이 생분해될지는 해당 품목이 지닌 내적 특성뿐만 아니라 결국 그 품목이 끝나는 환경의 조건에 따라 결정된다는 것이다. 특정 생태계에서 플라스틱 생분해 속도는 특정 미생물의 존재와 온도 등 광범위한 환경 조건에 따라 달라진다.[5]

내인성인자

화학적 구성:

  • 생물분해에 대한 최소 내성: n-alkanes > 브랜딩된 알칸스 > 저분자량 방향성 > 순환 알칸스 > 고분자량 방향성 = 극성 고분자[25]

물리적 속성:

  • 모양
  • 노출 표면적
  • 두께[25]

외인계수

생물학적 요인:

  • 온도
  • 대기수/소금 농도
  • 광분해
  • 가수[25] 분해

생물학적 요인:

  • 적절한 미생물의[25] 균주 유무

역사

PHA는 1888년 마르티누스 베이제린크에 의해 박테리아에서 처음 관찰되었다.[26] 1926년 프랑스의 미생물학자 모리스 레모인은 바실러스 메가테리움에서 이 중합체를 추출해 화학적으로 확인했다.[26][27] 1960년대 초가 되어서야 규모 있는 생산의 토대가 마련되었다.[28] 가장 단순한 PHA인 PHB의 생산과 격리를 위한 여러 특허가 W.R. Grace & Co. (미국)에 관리되었지만, 낮은 수율과 오염된 제품, 높은 추출 비용으로 인해 운영이 해체되었다.[28] 1973년 OPEC이 세계 유가를 올리기 위해 미국에 대한 석유 수출을 중단했을 때,[29] 더 많은 플라스틱과 화학 회사들이 지속 가능한 플라스틱의 생합성에 상당한 투자를 하기 시작했다. 그 결과 임페리얼 케미컬 인더스트리(ICI UK)는 변형 알칼리겐 라투스를 이용해 70%의 수익률로 PHB를 생산하는 데 성공했다.[28] 이 경우에 생산된 특정 PHA는 scl-PHA이다.[28] 생산되는 PHA의 바람직하지 않은 특성과 곧이어 유가 상승의 위협 감소로 인해 생산 노력은 급격히 둔화되었다.[28]

1983년 ICI는 벤처 캐피털 펀딩을 받아 말버러 바이오폴리머스를 설립해 바이오폴이라는 이름의 최초의 광활용 생분해성 플라스틱 PHBV를 제조했다. 바이오폴은 PHB와 PHV로 구성된 복합체지만 여전히 생산 비용이 너무 많이 들어 시장을 교란시켰다. 1996년 몬산토는 식물에서 두 폴리머 중 하나를 생산하는 방법을 발견했고, 저렴한 생산 잠재력의 결과로 ICI의 스핀아웃인 제네카로부터 바이오폴을 인수했다.[30]

2000년대 초 유가가 가파르게 오른 결과(2008년 바렐당 140달러 가까이) 플라스틱 산업은 마침내 석유 기반 플라스틱에 대한 이러한 대안을 실행하기 위해 노력했다.[31] 그 이후로 화학적으로 또는 다른 박테리아, 식물, 해초, 식물 폐기물에 의해 생산된 수많은 대안이 해결책으로 생겨났다.

논란

'생물분해성 플라스틱' 대신 '비교성 플라스틱', '생물분해성 플라스틱', '산소 분해성 플라스틱'이라는 용어가 많이 쓰이지만, 이 용어는 동의어가 아니다. 폐기물 관리 기반시설은 현재 일반 플라스틱 폐기물을 재활용하거나 소각하거나 매립지에 방치하고 있다. 생분해성 플라스틱을 일반 폐기물 인프라에 섞는 것은 환경에 약간의 위험을 준다.[32] 따라서 대체 플라스틱 소재를 올바르게 분해하는 방법을 파악하는 것이 중요하다.

퇴비성 플라스틱

퇴비성 플라스틱과 생분해성 플라스틱은 모두 유기 성분으로 분해되는 물질이지만, 일부 퇴비성 플라스틱의 퇴비화는 특정 화학비뿐만 아니라 더 높은 온도, 압력, 영양소 농도를 포함한 환경적 요인에 대한 엄격한 통제가 필요하다. 이런 조건들은 극소수인 산업용 퇴비화 공장에서만 재현될 수 있다.[33] 따라서 퇴비가 가능한 일부 플라스틱은 고도로 통제된 환경에서만 성능이 저하될 수 있다.[34] 또한 퇴비화는 전형적으로 유산소 환경에서 일어나는 반면, 생분해 현상은 혐기성 환경에서 일어날 수 있다.[35] 생분해성 고분자로 만든 일부 플라스틱 제품은 유기 재활용 과정에서 합성물질을 분해하기 위해 혐기성 디제스터나 퇴비화 단위의 도움을 필요로 하는 반면, 비화실 물질로부터 공급받은 생물학적으로 기반한 폴리머는 환경 속에서 자연적으로 분해될 수 있다.[36][5]

일반적인 믿음과는 달리, 비생물 분해성 퇴비성 플라스틱은 실제로 존재한다. 이 플라스틱들은 퇴비화 조건에서 생물분해를 겪지만 그것들이 충족될 때까지 분해되지 않을 것이다. 즉, 이러한 플라스틱은 생물권에서 자연적으로 생분해할 수 없기 때문에 (미국과 유럽 표준에서 모두 정의한) "생물분해성"이라고 주장할 수 없다. 비생물분해성 퇴비성 플라스틱의 예는 폴리락틱산(PLA)이다.[37][38]

ASTM 표준 정의는 퇴비성 플라스틱이 기존의 정의에 따라 퇴비성이 있다고 이미 확립된 것과 같은 비율로 "시각적으로 구별할 수 없는" 것이 되어야 한다는 것을 개략적으로 설명한다.[39]

바이오플라스틱스

플라스틱은 생물학적으로 공급된 폴리머로 부분적으로 또는 전체적으로 생산되었다면 생물 플라스틱으로 간주된다. 플라스틱은 주어진 시간대에 물, 이산화탄소, 바이오매스로 분해될 수 있다면(다른 기준에 따라 다름) 생분해성 물질로 간주된다. 따라서 이 용어는 동의어가 아니다. 모든 바이오 플라스틱이 생분해 가능한 것은 아니다.[40] 비생물분해성 생물 플라스틱의 예로는 바이오 기반 PET가 있다. PET는 화석 연료에서 파생된 석유화학 플라스틱이다. 바이오 기반 PET는 같은 석유화학 플라스틱이지만 박테리아와 합성된다. 바이오 기반 PET는 화석 기반 PET와 동일한 기술적 특성을 가지고 있다.[41]

황소 분해성 플라스틱

또한, 황소 분해성 플라스틱은 일반적으로 생분해성이 있다고 인식된다. 그러나 그것들은 산화 과정을 가속화하는 프로데그리드라고 불리는 첨가제를 첨가한 단순한 재래식 플라스틱이다. 황소 분해성 플라스틱은 햇빛과 산소의 노출을 통해 빠르게 분해되지만, 그것들은 어떤 생물학적 물질보다 엄청난 양의 미세 플라스틱으로 지속된다.[42]

옥소 분해성 플라스틱은 분해하는 데 시간이 너무 오래 걸리고 플라스틱 조각을 미생물이 섭취할 수 없는 상태로 방치하기 때문에 미국과 유럽의 기준으로는 생분해성 플라스틱으로 분류할 수 없다. 생물분해를 촉진하기 위한 것이었지만, 황소 분해성 플라스틱은 종종 미생물 소화를 위해 최적으로 분해되지 않는다.[43]

소비자 라벨 표시 및 그린 워싱

주요기사 : 그린워싱

모든 물질은 유기 물질로 분해되어 광물화하는데 몇 주나 백만 년이 걸리든 본질적으로 생분해된다.[44] 따라서 '바이오디그레이드 가능'으로 분류되지만 시간과 환경 제약사항이 명시적으로 명시되지 않은 제품은 소비자에게 잘못된 정보를 제공하고 투명성이 결여된 것이다.[40] 일반적으로 신뢰할 수 있는 기업들은 제품의 특정한 생분해 조건을 전달하며, 그들의 제품이 사실 국가 또는 국제 표준에 따라 생분해된다는 점을 강조한다. 게다가 플라스틱에 옥소 바이오디저분해성 첨가물을 완전히 생분해성이라고 표기한 회사들은 잘못된 정보에 기여하고 있다. 이와 유사하게, 일부 브랜드는 그들의 플라스틱이 사실 비생물 분해 생물 플라스틱일 때 생분해성이 있다고 주장할 수 있다.

2021년 유럽위원회의 과학자문기구는 생분해성 플라스틱에 대한 증거 검토를 실시하여 다음과 같은 결론을 내렸다.[5]

플라스틱 제품을 생분해하기 위해 어떤 조건이 필요한지 설명하지 않고 '생물분해성'이라고 라벨을 붙이는 것은 소비자와 다른 사용자들 사이에 혼란을 야기한다. 그것은 폐천 오염과 오염 증가 또는 쓰레기로 이어질 수 있다. 소비자가 플라스틱 제품에서 무엇을 기대할 수 있는지, 어떻게 적절히 사용하고 폐기할 것인지에 대한 확신을 가질 수 있도록 명확하고 정확한 라벨링이 필요하다.

이에 대해 유럽위원회 수석과학자문단(Chief Scientific Advisors)은 2021년 "생물분해성 플라스틱의 적용 맥락에서 실제 생물분해를 평가하는 시험인증제도"를 포함해 "개방형 플라스틱의 생물분해를 위한 일관성 있는 시험인증 표준"을 개발할 것을 권고했다. 특정 수신 개방 환경".[5]

환경 영향

환경적 이익

미생물 분해: 생분해성 플라스틱의 일차적인 목적은 쓰레기 매립을 지속하고 환경을 해치는 전통적인 플라스틱을 대체하는 것이다. 그러므로 미생물이 이러한 플라스틱을 분해하는 능력은 놀라운 환경적 이점이다. 미생물 퇴화는 플라스틱 표면의 식민지화, 가수분해, 광물화 등 3단계로 이루어진다. 첫째로, 미생물은 노출된 플라스틱을 채운다. 다음으로, 박테리아는 탄소원이나 폴리머 기질에 결합하는 효소를 분비하여 탄화수소 결합을 분열시킨다. 그 과정은 HO와2 CO를2 생산하게 된다. CO가 환경으로2 방출됨에도 불구하고, 생분해성 플라스틱은 매립지에 축적되어 심한 오염을 일으키는 석유성 플라스틱에 비해 작은 발자국을 남기므로 전통적인 플라스틱의 대안으로 탐구되고 있다.[21]

시 고형 폐기물: 미국 환경보호청(EPA)의 2010년 보고서에 따르면 미국은 3,100만 톤의 플라스틱 폐기물이 있었고 이는 전체 도시 고체 폐기물의 12.4%에 해당한다. 이 중 255만t이 회수됐다. 이 8.2%의 회수율은 시 전체 고형 폐기물 회수율인 34.1%에 훨씬 못 미쳤다.[45]

플라스틱 회수율이 저하된 것은 기존의 플라스틱이 유기 폐기물(음식 찌꺼기, 습지, 액체류)과 섞여 쓰레기 매립지나 자연 서식지에 폐기물이 축적되는 경우가 많기 때문으로 풀이된다.[46] 한편, 이러한 혼합 유기물(음식 찌꺼기, 야드 트리밍, 습식, 비재활용 종이)의 퇴비화는 다량의 폐기물을 회수하고 지역사회의 재활용 목표를 획기적으로 증가시키는 잠재적 전략이다. 2015년 기준 음식물쓰레기와 습식 비재활용 종이가 각각 3960만 t, 6790만 t에 달하는 것으로 나타났다.[47]

생분해성 플라스틱은 이러한 폐기물 흐름에서 분해되지 않는 플라스틱을 대체할 수 있으며, 도시에서는 쓰레기 매립지에서 회수할 수 없는 많은 양의 폐기물을 전용하는 중요한 도구가 된다.[48] 퇴비성 플라스틱은 플라스틱(경량, 저항성, 상대적 저비용)의 효용성과 산업용 퇴비 시설에서 완전하고 완전하게 퇴비를 할 수 있는 능력을 결합한다. 찬성론자들은 비교적 적은 양의 혼합 플라스틱의 재활용을 걱정하기보다는 인증된 생분해성 플라스틱이 다른 유기 폐기물과 쉽게 혼합될 수 있기 때문에 회수 불가능한 고형 폐기물의 훨씬 더 많은 부분을 퇴비화할 수 있다고 주장한다.

모든 혼합된 유기체에 대한 상업적 퇴비화는 상업적으로 실행가능하고 경제적으로 지속가능하게 된다. 더 많은 지방 자치 단체들은 쓰레기 흐름 전체가 생분해되어 처리하기가 더 쉽기 때문에 과도한 매립지에서 상당량의 폐기물을 전용할 수 있다. 쓰레기 매립지 사용에서 벗어난 이러한 움직임은 플라스틱 오염 문제를 완화하는데 도움이 될 수 있다.

따라서, 생분해성 플라스틱의 사용은 지금까지 토지 매립이나 소각을 제외한 다른 방법으로 복구할 수 없었던 (에어로빅 퇴비화 및 사료 처리를 통해) 많은 양의 도시 고형 폐기물을 완전히 회수할 수 있게 하는 것으로 보인다.[49]

환경 문제

옥소-생물분해: 생분해성 비닐 봉투가 금속을 방출할 수 있고, 특정 상황에서[50] 분해하는 데 많은 시간이 걸릴 수 있으며, OBD(산소-생물분해성) 플라스틱이 환경에 관계없이 눈에 띄는 속도로 계속 분해되지 않는 작은 플라스틱 파편을 생산할 수 있다는 주장이 있다.[51][52] OBD 플라스틱은 금속을 포함하고 있지 않다는 것이 옥소 생물 분해성 플라스틱 협회(www.biodeg.org)의 반응이다.[citation needed] 그것들은 금속의 염분을 함유하고 있는데, 이것은 법률에 의해 금지되지 않으며 사실 인간의 식단에 미량 원소로 필요하다. 독점적인 망간염 기반 첨가물이 함유된 저밀도 폴리에틸렌의 옥소-바이오디분해 결과 토양 환경에서 24개월 후 91%의 생물분해가 나타났다.[53]

식품 공급에 미치는 영향: 또한 천연 물질로부터 생분해성 생물성 플라스틱을 제조하는 과정에서 탄소, 화석 연료, 물의 총 사용량과 그것이 인간의 식량 공급에 부정적인 영향을 미치는가에 대해서도 많은 논쟁이 있다. 상업적으로 가장 많이 사용되는 퇴비성 플라스틱인 폴리락산 1kg(2.2lb)을 만들기 위해서는 2.65kg(5.8lb)의 옥수수가 필요하다.[54] 2010년 현재, 약 2억 7천만 톤의 플라스틱이 매년 만들어지고 있으며,[55] 지구 온난화로 열대 농장 생산성이 저하되고 있는 시점에서, 재래식 플라스틱을 옥수수에서 유래된 폴리락산으로 대체하면 세계 식량 공급에서 7억 1천 5백 톤이 제거될 것이다.[56]

메탄 방출: 진정 생분해성 플라스틱을 포함한 생분해성 물질이 혐기성 매립 환경에서 분해될 때 또 다른 온실 가스인 메탄이 방출될 수 있다는 우려가 있다. 594개의 관리되는 매립 환경에서 나오는 메탄 생산은 포착되어 에너지를 위해 사용된다;[57] 어떤 매립지는 환경으로의 메탄 방출량을 줄이기 위해 플레어링이라고 불리는 과정을 통해 이것을 태워버린다. 미국에서, 오늘날 대부분의 매립 물질은 쓰레기 매립지로 가서 깨끗하고 값싼 에너지에 사용하기 위해 메탄 바이오가스를 포획한다.[58] 비생물분해성 플라스틱을 소각하면 이산화탄소도 배출된다. 혐기성(땅콩) 환경에서 천연 재료로 만든 비생물분해성 플라스틱을 폐기하면 플라스틱이 수백 년 동안 지속된다.[59]

해양 생물분해: 완전히 분해되지 않은 생분해성 플라스틱은 결국 단기간에 분해될 것이라는 가정 하에 폐기물 관리 시설에 의해 바다에서 처리된다. 그러나, 이 과정은 미생물과 산소가 풍부한 따뜻한 환경을 선호하기 때문에, 바다는 생물분해에는 최적의 것이 아니다. 생물분해를 거치지 않은 나머지 마이크로파이버는 해양생물에 해를 끼칠 수 있다.[60]

생산을 위한 에너지 비용

다양한 연구자들은 이러한 물질들이 기존의 화석 연료 기반 수단에 의해 만들어진 폴리머보다 더 에너지 효율이 높은지를 결정하기 위해 생분해성 폴리머의 광범위한 수명주기 평가를 수행해왔다. 그른그로스 외 연구진은 폴리히드록산카노산염(PHA) 1kg을 생산하는 데 필요한 화석연료에너지가 50.4 MJ/kg으로 추정해,[61][62][63] 50-59 MJ/kg의 값을 추정하는 아키야마 외 연구원의 또 다른 추정치와 일치한다. 이 정보는 비화석 연료 기반 방법에서 얻을 수 있는 공급 원료 에너지를 고려하지 않는다. PLA(Polylactide, PLA)는 화석연료 에너지 비용이 2개 소스에서 54-56.7로 추정되었으나,[64][65] 최근 자연에 의한 PLA의 상업적 생산에서 발전하였다.작품은 화석연료를 풍력과 바이오매스 주도 전략으로 대체함으로써 화석연료 기반 에너지의 의존성을 어느 정도 없앴다. 그들은 화석 연료 기반 에너지의 27.2 MJ만으로 1킬로그램의 PLA를 만들었다고 보고하며, 이 숫자는 차세대 발전소에서 16.6 MJ/kg으로 감소할 것으로 예상한다. 이와는 대조적으로 폴리프로필렌과 고밀도 폴리에틸렌은 각각 85.9 MJ/kg과 73.7 MJ/kg이 필요하지만,[66] 이러한 값에는 화석연료를 기반으로 하기 때문에 공급원료의 내장 에너지가 포함된다.

Gerngross는 PHA 1kg을 생산하는 데 필요한 총 화석연료 에너지 등가(FFE) 2.65kg에 달하는 반면, 폴리에틸렌은 2.2kg의 FFE만을 필요로 한다고 보고했다.[67] Gerngross는 생분해성 고분자 대안으로 진행하기로 한 결정이 에너지, 환경 및 경제적 비용에 관한 사회의 우선순위를 고려할 필요가 있을 것이라고 평가한다.

나아가 대안기술의 젊음을 실현하는 것이 중요하다. 예를 들어 PHA를 생산하는 기술은 오늘날에도 여전히 개발 중에 있으며 발효 단계를 없애거나 음식물 쓰레기를 공급원료로 활용함으로써 에너지 소비를 더욱 줄일 수 있다.[68] 브라질산 사탕수수 등 옥수수 이외의 대체 작물을 사용하면 에너지 요구량이 낮아질 것으로 예상된다. 예를 들어, "브라질에서의 발효에 의한 PHA의 제조는 신재생 에너지의 원천으로 바가세스를 이용하는 에너지 소비의 유리한 계획을 가지고 있다."[69]

재생 가능한 자원(즉, 녹말 기반, PHA, PLA)에서 나오는 많은 생분해성 폴리머도 현재 주요한 공급 원료가 옥수수이기 때문에 식량 생산과 경쟁한다. 미국이 BPs로 플라스틱 생산의 현재 생산량을 맞추려면 1kg당 1.62제곱미터가 필요하다.[70]

규정/기준

"생물 분해 가능"으로 표시된 제품의 무결성을 보장하기 위해 다음과 같은 표준을 제정하였다.

미국

ASTM International은 해양 환경뿐만 아니라 혐기성 및 에어로빅성 생분해성 플라스틱에 대한 시험 방법을 정의한다. 이 표준을 감독하는 특정 소위원회 책임은 환경 분해성 플라스틱 및 바이오 기반 제품에 관한 위원회 D20.96에 있다.[71] 현재의 ASTM 표준은 표준 규격과 표준 시험 방법으로 정의된다. 표준 사양은 합격 또는 불합격 시나리오를 만드는 반면, 표준 시험 방법은 플라스틱에 대한 생분해성 시험의 특정 시간 프레임과 독성을 촉진하기 위한 특정 시험 매개변수를 식별한다.

혐기성 조건

ASTM D5511-18 - 고해상도 혐기성-소화성 조건에서[72] 플라스틱 재료의 혐기성 생분해 측정을 위한 표준시험 방법

ASTM D5526-18 - 매립형 가속 조건에서[73] 플라스틱 재료의 혐기성 생분해 측정을 위한 표준시험 방법

위의 두 표준 모두 혐기성 조건에서 생분해 가능한 것으로 간주하기 위해 재료의 최소 70%가 30일(ASTM D5511-18) 또는 시험 절차 기간(ASTM D5526-18)까지 생분해되어야 함을 나타낸다.[72][73]

에어로빅 조건

ASTM D6400 - 도시 또는 산업시설에서[74] 비산성 퇴비로 설계된 플라스틱의 라벨링 표준규격

ASTM D6868 - 플라스틱 및 폴리머를 코팅 또는 첨가물로 통합한 최종 품목의 라벨링 표준규격 - 시 또는 산업시설에서[39] 곡물성 퇴비로 설계된 종이 및 기타 기판을 부착한 종이에 대한 표준규격

위의 두 표준 모두 유산소 퇴비화 조건에서 생분해성을 시험하고 라벨 표시하기 위한 절차를 개략적으로 설명한다. 플라스틱은 물질의 90%가 180일(~6개월) 이내에 CO2로 완전 미네랄화되면 유산소 환경에서 생분해성 물질로 분류할 수 있다.[74][39]

유럽 연합 표준

혐기성 조건

EN 13432:2000 - 포장: 퇴비화와 생분해를[75] 통해 복구할 수 있는 포장 요구 사항

유럽 표준은 미국 표준과 유사하게 폴리머 파편의 90%를 6개월 이내에 CO2로 완전 광화하도록 요구하고 있다.[75]

에어로빅 조건

EN 14046:2004 - 제어된 퇴비화 조건에서 포장재의 궁극적인 에어로빅 생분해 및 분해 평가.[76]

미래 유럽 표준

2021년 유럽위원회의 과학자문기구는 개방된 환경에서 플라스틱의 생물분해를 위한 새로운 인증 및 시험 표준을 개발할 것을 위원회에 권고했다.[5]

  • 토양, 하천 및 해양과 같은 특정 개방 환경에서 실제 생물분해 성능 평가 및 환경 위험 평가
  • 실험실 및 시뮬레이션 환경 조건에서의 생물분해 테스트
  • 다양한 환경에서 재료 카탈로그 및 상대적 생분해율 개발
  • 소비자, 제조업체 및 벤더가 생분해성 플라스틱의 적절한 폐기를 보장하기 위한 "명확하고 효과적인 라벨 표시".[5]

영국 표준

2020년 10월에 영국 표준은 생분해성 플라스틱에 대한 새로운 표준을 발표했다. 기준을 준수하기 위해서는 생분해성 플라스틱이 2년 이내에 미세 플라스틱이나 나노 플라스틱이 들어 있지 않은 왁스로 분해되어야 한다. 플라스틱의 붕괴는 햇빛, 공기, 그리고 물에 노출되어 유발될 수 있다. 폴리머테리아의 CEO인 니올 던은 그의 회사가 226일 이내에 분해된 폴리에틸렌 필름과 336일 만에 고장난 플라스틱 컵을 만들었다고 말했다.[77]

유전공학 및 합성생물학의 역할

플라스틱 폐기물의 환경적 영향에 대한 우려가 높아지면서, 연구원들은 생분해성 플라스틱 생산의 최적화를 위한 유전자 공학 및 합성 생물학의 응용을 탐구해 왔다. 이것은 내생 유전적 구성이나 유기체의 다른 생물학적 체계를 바꾸는 것을 포함한다.[78]

1995년, "세균과 식물에서 생물 분해성 플라스틱과 엘라스토머의 가족인 폴리히드록산카노네이트의 생산"이라는 제목의 기사는 특히 아라비도시스 식물에서 폴리히드록산카노네이트(PHAs)의 수율을 증가시키기 위한 합성 생물학의 사용을 기술하고 있다.[79] 이와 유사하게, 1999년에 실시된 한 연구는 유채 유채 공장이 PHBV를 생산하기 위해 유전적으로 변형될 수 있는 방법을 조사했다. 비록 높은 수확량은 생산되지 않았지만, 이것은 생물 분해성 플라스틱의 생산을 위한 유전자 공학의 초기 사용을 보여준다.[80]

유전자 조작과 재설계를 통한 생분해성 플라스틱 생산 방향에 대한 노력이 여전히 이뤄지고 있다. 2014년 발간된 '유전자공학은 시아노박테리아에서 나오는 생분해성 플라스틱의 수율을 높인다'라는 제목의 논문은 산업적으로 비교 가능한 PHB의 높은 수율을 생산하기 위해 시행된 절차를 간략하게 설명하고 있다. 이전의 연구는 Rre37과 SigE 단백질 모두 시아노박테리아의 신네초시스 변종에서 PHB 생산의 활성화에 대해 별도로 책임이 있다는 것을 보여주었다. 따라서 본 연구에서는 질소 제한 조건 하에서 Rre37과 SigE 단백질을 과다압축하도록 Synechocystis 균주를 수정하였다.[81]

현재 버지니아 대학교에서 학생이 운영하는 연구단체(Virginia iGEM 2019)는 대장균을 유전공학으로 만들어 스티렌(폴리스티렌의 모노머)을 P3HB(PHA의 일종)로 전환하는 작업을 진행 중이다. 이 프로젝트는 쓰레기 폴리스티렌이 쓰레기 매립지의 폴리스티렌 폐기물 축적과 PHA의 높은 생산비 문제를 모두 다루면서 생물분해성 플라스틱 생산의 탄소원으로 효과적으로 사용될 수 있음을 입증하는 것을 목표로 한다.[82]

의료분야에서 생분해 전도성 고분자

생분해성 전도성 중합체(CP)는 인체 내에서 응용할 수 있도록 설계된 고분자 물질이다. 이 재료의 중요한 특성은 전통적인 도체에 필적하는 전기 전도성과 생분해성이다. 생분해성 CP의 의학적 적용은 조직공학이나 재생의학과 같은 의료특산물에 매력적이다.[83] 조직공학에서는 손상을 입은 장기에 물리화학 단위를 부여해 수리를 하는 것이 핵심이다. 이것은 나노 복합체 비계를 사용하여 달성된다.[84] 재생의학 응용은 신체의 수리 과정을 향상시키는 것과 함께 세포를 재생하도록 설계되었다.[85] 생분해성 CP의 사용도 임플란트와 함께 생체 의학 영상화 등으로 구현될 수 있다.[83]

생분해성 CP의 설계는 폴리락티드, 폴리카프로락톤, 폴리우레탄 등을 포함한 생분해성 폴리머의 혼합으로부터 시작되었다. 이 설계는 2019년 현재 설계되고 있는 것에 대한 혁신을 촉발했다. 현재의 생분해성 CP는 바이오의학 분야에서 사용할 수 있다. 현재 생분해성 CP의 구성 아키텍처는 선형, 별 모양 또는 초브러치 형성의 구성으로 구현되는 올리고머 기반의 생분해성 폴리머의 전도성 특성을 포함한다. CP의 생물 분해 가능 아키텍처를 강화하기 위한 또 다른 구현은 분해 가능한 단층기와 결합 링크를 사용하는 것이다.[83] 생분해성 중합체는 일반적으로 수력성 에스테르와 히드라존으로 구성된다. 이 분자들은 외부 자극에 의해 계속해서 분해되고 분해된다. 갈라짐 활성화 과정은 산성 환경의 사용, 온도 상승 또는 효소의 사용을 통해 달성될 수 있다.[83] 생분해성 CP 복합 재료의 화학적 구성과 관련하여 3가지 범주가 확립되었다. 첫 번째 범주에는 전도성과 생분해성 고분자 물질의 부분적으로 생분해성 CP 혼합이 포함된다. 두 번째 범주에는 생분해성 CP의 과점 실행이 포함된다. 세 번째 범주는 생분해성 CP 폴리머에 사용하기 위한 분해성 결합 링크의 사용과 함께 변형 및 분해성 몬퍼 유닛이다.[83][84]

참고 항목

추가 읽기

  • 생분해성 플라스틱과 해양쓰레기
  • 플라스틱의 생분해성: 도전과 오해
  • Stevens, Eugene (2002). Green plastics : an introduction to the new science of biodegradable plastics. Princeton: Princeton University Press. ISBN 978-0691049670. OCLC 47162140.
  • 개방환경에서 플라스틱의 생분해성(EU, 2021년 종합증거심사)

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