“저렴한 폐PET 재활용 방법 찾았다”

美 NREL, ‘모든 종류의 PET 분해하는 효소 변종’ 발견
기존 PET 해중합 효소, 전 처리 단계 의존…에너지 집약적이고 비용 多

TIN뉴스 | 기사입력 2023/01/15 [03:13]

 

미국 에너지부의 국립 연구소 NREL(National Renewable Energy Laboratory) 연구팀이 폐폴리에스터 직물과 PET병을 석유로 만드는 것보다 재활용하는 것이 경제성 측면에서 더 저렴한 방법을 찾았다.

 

NREL 보도 자료에 따르면 연구팀은 기계학습을 사용해 모든 종류의 PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트)를 분해할 수 있도록 적응된 ‘플라스틱을 먹는 효소 변종을 발견한 것. 1940년대 특허를 획득한 후 재료 산업에 혁명을 일으킨 플라스틱 ‘폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)’는 석유 정제 과정에서 생성된다. 내구성과 다용도성으로 잘 알려진 소재다. 밀폐 용기로 쉽게 성형되거나 내구성 있는 카펫으로 직조되고, 또는 폴리에스터 의류로 만들어진다.

 

NREL의 수석 연구원이자 미국 에너지부 BOTTLE의 CEO인 그렉 베컴(Gregg Beckham)은 “현실은 대부분의 PET제품, 특히 폴리에스터 의류, 카펫은 기존 재활용 기술을 사용해 오늘날 재활용되지 않는다는 것이다. 또한 PET를 해중합도록 설계된 효소를 포함해 유망한 대안을 개발하고 있지만 이러한 옵션조차도 에너지 집약적이고 비용이 많이 드는 전 처리 단계에 의존하는 경향이 있다”고 지적했다.

 

그러면서 “그 결과, 오늘날 생산되는 대부분의 PET는 결국 매립지나 환경, 심지어 실제로 재활용 통에 들어가는 PET제품으로 가는 길을 찾고 있다”고 덧붙였다.

 

흙 속에 숨겨진 특별한 효소

 

PET의 효소 재활용 개념은 2005년부터 일본 과학자들이 놀라운 발견을 한 이후 2016년 세계무대에 깜짝 등장했다. 일본의 한 재활용 시설 외부 흙 속에 파묻힌 ‘이데오넬라 사카이엔시스(Ideonella sakaiensis)’라는 이름의 박테리아는 여기 저기 흩어져 있는 오래된 플라스틱 음료수 병을 분해하는 효소를 조용히 분비하고 있었다.

 

자연은 PET의 화학적 결합을 끊는 우아한 해결책을 제공했다. 어쨌든 자연은 PET 병을 만드는 기본 구성 요소인 테레프탈산(TPA)과 에틸렌글리콜(Ethylene glycol·‘EG’)로 되돌리는 방법을 보여주고 있다.

 

엄청난 연구가 뒤따랐다. 과학자들은 매년 생산되는 수백만 톤의 PET를 처리할 수 있는 산업기술에 사용할 수 있도록 효소를 향상시키기 위해 노력했다. 그들은 개선된다면 효소 재활용 플랫폼이 오늘날 성능이 떨어지는 재활용 시스템을 점검하고 에너지와 온실가스 배출을 줄이며, 기존 기술로 재활용할 수 없는 카펫과 직물을 포함한 모든 PET 제품의 순환경제를 촉진할 수 있다고 가정했다.

 

NREL 연구팀은 효소 PET 재활용을 개선하기 위해 2018년~2021년까지 발표된 논문 중 자주 인용되는 것들에 집중, 그 결과, 효소를 특성화하고 효율성을 6배 향상시켰으며, 산업 규모의 PET 재활용 환경 및 경제적 영향을 분석했다.

 

해당 2022년 논문은 미래의 효소 PET 재활용 시스템에 대한 수명주기 영향을 평가했다.

이러한 연구는 측정 가능한 결과를 얻어냈다. PET를 바이오리액터에서 48시간 동안 처리함으로써 플라스틱의 거의 98%를 테레프탈산과 에틸렌글리콜로 변환할 수 있음을 보여주었다. 

 

그럼에도 산업적 규모의 효소 재활용에 있어 아주 중요한 벽을 만났다.

효소는 무정형(無定形·외형이 일정하지 않은 형태) PET로 만든 PET 제품의 일부에만 효과적이었다. 연구팀은 높은 열과 추가 에너지로 먼저 연화시키지 않고 매우 일반적이고 내구성이 뛰어난 결정성 PET 품종을 분해하는 데 어려움을 겪었다. 결정질 PET는 의류의 폴리에스터 섬유와 일회용 음료수 병 부품을 포함해 생산되는 모든 PET의 거의 90%를 구성한다. 따라서 절실히 필요했던 건 결정질 PET를 분해하는 데 더 능숙한 효소였다.

 

머신 러닝으로 새로운 효소 발굴

 

다행스럽게도 연구팀은 새로운 효소 품종을 발굴하기 위해 삽 대신 생물 정보학·기계 학습의 발전으로 이미 결정질 PET에서 활성화된 품종에 대한 기존 효소 서열의 방대한 데이터베이스를 유용하게 활용할 수 있었다.

 

NREL 전산 과학자 Japheth Gado는 “화학적 구성이 매우 유사한 효소가 반드시 플라스틱 해체 활동을 유지하지 못할 수 있기 때문에 데이터베이스에서 새로운 플라스틱을 먹는 효소를 지도화하는 전통적인 접근 방식은 비효율적일 수 있다”고 말했다.

 

이 문제를 해결하기 위해 이미 알려진 플라스틱 분해 효소의 생물학적 규칙을 배우기 위해 통계모델을 구축했다. 이 모델은 현재까지 연구된 효소의 독특한 구성에 확률을 할당했다. 또한 산업 응용 분야에서 중요한 효소의 내열성을 예측하기 위해 동반자 기계학습 모델을 구축했다.

 

 

효소의 3D 렌더링

 

DeepMind의 3D 렌더링은 여기에 표시된 효소 611과 같은 예상치 못한 구조적 특징을 드러냈다. 효소 611과 같은 단백질의 구조적 특성을 주의 깊게 분석하면 연구팀이 성능을 향상시키는 데 도움이 될 수 있다.

 

두 가지 계산 모델을 함께 사용해 Gado와 동료 연구진은 한 시간도 안 돼 2억5천만 개 이상의 단백질을 스크리닝해 유망한 후보군의 리스트를 만들 수 있었다. 이어진 추가 테스트 결과, 36개는 PET를 분해할 수 있었고, 24개는 이전에 과학 문헌에 기술되지 않은 것으로 확인됐다.

 

중요한 것은 일부는 무정형 PET보다 결정질 PET를 분해하는 데 더 뛰어났다는 것이다.

Japheth Gado는 “이 새로운 효소는 유전적으로 다양할 뿐 아니라 활성 사이트의 다양한 기하학으로 구조적으로 다양하다”고 강조했다.

 

효소 PET 재활용의 장점 정량화

 

그렉 베컴에 따르면 해체를 위해 PET를 준비하는 데 필요한 수세, 파쇄 및 가열 단계는 산업 규모의 효소 재활용 시설의 가장 중요한 지속 가능성 동인 중 하나다. “이러한 전 처리 단계를 최소화하는 것은 석유에서 PET 수지를 만드는 것과 비교해 효소 재활용 비용을 경쟁력 있게 만드는 데 중요하다”고 설명했다.

 

이후 후속 실험에서 연구팀은 기계 학습 방법에 의해 표시되는 일부 효소가 결정 및 무정형 PET를 분해하는 데 동등하게 효과적이라는 점에 주목했다. 이러한 효소는 단순히 플라스틱 결합을 부드럽게 하기 위한 전 처리가 필요하지 않았다.

 

그렉 베컴은 “이 기술은 전 처리를 생략함으로써 석유를 사용하는 버진(Virgin) PET 생산보다 실제로 더 저렴한 산업 규모의 PET 재활용을 가능하게 할 수 있으며, 무엇보다도 에너지와 온실가스 배출을 낮출 수 있다는 점”이라고 덧붙였다.

 

2021년 국제 에너지 관련 학술지인 줄(Joule)에 발표된 이전 논문에서 연구팀은 이미 결정질 PET에서 활성화된 효소를 사용하는 경제적, 환경적 이점을 정량화했다. 산업 규모의 시설에서 전 처리를 사용하는 시스템에 비해 공급망 에너지 요구사항을 45%까지, 수명 주기 온실가스 배출량을 38%까지 줄일 수 있다.

 

경제적 이점도 인상적이다. 기존 기술로는 재활용할 수 없었던 폐PET 카펫 및 의류를 분해할 경우 ㎏당 1달러 미만으로 테레프탈산을 생산할 수도 있다. 석유 유래 테레프탈산은 ㎏당 1~1.50달러 사이에 판매됐다.

 

연구팀은 “우리의 효소 플랫폼은 해양 정화를 위한 경제적 인센티브를 창출하는 동시에 이러한 가격대에서 PET 오염은 새로운 PET 제품으로 저렴하게 재활용되거나 풍력 터빈 블레이드 또는 탄소섬유 범퍼에서 새로운 용도를 찾을 수 있다”고 강조했다.

 

김성준 기자 tinnews@tinnews.co.kr

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