특 집

4 Polymer Science and Technology Vol. 32, No. 1, February 2021

생분해성 폴리머 PHA의 생물학적

합성기술Microbial Synthesis of Biodegradable Polyhydroxyalkanoates (PHAs)

고자경 | Ja Kyong Ko

Clean Energy Research Center, Korea Institute of Science & Technology (KIST), 5, Hwarang-ro 14 gil, Seongbuk-gu, Seoul 02792, Korea

E-mail: jkko@kist.re.kr

고자경

2007 고려대학교 식품공학과 (학사)2009 고려대학교 식품공학과 (석사)2014 퍼듀대학교 농생물공학과 (박사)2018 한국과학기술연구원 박사후연구원2018-현재 한국과학기술연구원 선임연구원

1. 서론

폐플라스틱과 미세플라스틱 축적으로 인한 생태계 파괴 및 오염이 전세계적으로 심화되어 난분해성 일회

용 플라스틱 제품 사용 규제를 강화하고 있으며, EU는 2021년부터 친환경 대체가능 물질이 존재하는 빨대 및

식기류 등 10개 제품을 대상으로 난분해성 플라스틱 금지 지침을 본격 시행할 예정이다. 유럽플라스틱협회

(european bioplastics)에 따르면 세계 바이오플라스틱 생산 시장은 2023년 262만 톤에 달할 것으로 전망하며,

2021년을 기점으로 바이오 플라스틱 등 친환경 제품의 수요 급증이 예상된다. 현재 EU 시장출시 금지 품목이

빨대, 식기류 등에 한정되었으나 관련 대상 품목은 향후 확대될 가능성이 높아 플라스틱 제품을 제조하는 국내

기업 또한 생분해성 친환경 제품으로 생산방식 변경을 고려하는 대응방안 마련이 시급하다. 석유계 난분해성

플라스틱 대체를 위한 생분해성 바이오플라스틱 수요가 증가함에 따라 바이오플라스틱 산업은 선진국을 중

심으로 고부가 가치 산업으로 성장해오고 있으며, starch blends, polylactic acid(PLA), polyhydroxyalkanoates

(PHA) 등이 핵심 소재이다. 생분해성 바이오플라스틱 핵심소재 중 PLA의 뒤를 이어 PHA가 두 번째로 큰 시

장 성장률을 가지고 있으며, 2023년도까지 연평균 성장률은 17.9%에 달할 것으로 예상된다.1

PHA 혹은 폴리하이드록시알카노에이트(polyhydroxyalkanoate)는 미생물 세포 내에 축적되는 열가소성의

천연 폴리에스터 고분자로써, 생분해성 소재로 퇴비화가 가능하고, 유독성 폐기물 발생도 없으면서 최종적으

로 이산화탄소, 물, 유기 폐기물로 분해된다. 특정 박테리아는 영양성분(질소원, 인 등)이 불균형적으로 공급

될 때, 탄소원과 에너지를 저장하기 위해 PHA를 세포 내 축적한다.2,3

PHA는 생분해성과 생적합성을 지닌 재

생가능한 자원 유래인 바이오플라스틱으로 분류되지만(그림 1), 아직까지 생산 비용과 가공 불안정성 문제로

인해 제한적으로 사용되어 오고 있다. 타 친환경 플라스틱 소재인 PBS, PLA, PTT와 달리, PHA는 150 종류

이상의 단량체로 합성이 가능하기 때문에 구조와 물성을 조절할 수 있다는 장점이 있다.

2. 본론

2.1 PHA계 고분자의 구조와 분류

PHA 계열 고분자 중 가장 대표적으로 알려진 물질은 C4 단량체 3-hydroxybutyrate(3HB)로 중합된 폴리

하이드록시 뷰티르산(polyhydrohybutyrate, PHB)이며, 그 외 다른 다양한 PHA는 3-hydroxyvalerate(3HV)

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그림 3. 다양한 PHA 생산에 관여하는 탄소원 및 박테리아 균주 종류(www.marketsandmarkets.com).3

그림 1. 생분해성과 원료에 기반한 바이오 플라스틱 분류(https:// www.european-bioplastics.org/). 그림 2. 탄소 사슬 길이에 따른 PHA 분류.

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및 3-hydroxyhexanoate(3HHx)와 같은 긴 탄소 사슬의 3-

하이드록시 지방산으로 구성된다(그림 2). PHB와 PHV는

짧은 탄소 사슬 길이의 PHA로 구분되며, 중간 탄소 사슬 길

이의 PHA는 C6-C16의 3-하이드록시 지방산을 포함한다.

PHB는 폴리프로필렌과 비슷한 물성을 가지고 있고 미생물

이 비교적 효율적으로 합성할 수 있어 상업적 생산 연구가

많이 진행되어 왔다. 하지만 높은 결정화도로 인해 강하고

부서지기 쉬운 특성을 가지고 있으며, 녹는점이 상대적으로

높고 녹는점 근처에서 분해가 시작되어 가공성에 한계가 있

다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 다양한 소재의 블렌딩

및 단량체의 공중합을 통한 다양한 종류의 PHA 공중합체를

합성하는 연구가 많이 진행되어 오고 있다. C5 이상 단량체

의 비율에 따라 PHA 고분자의 물성이 달라지며, 이는 다양

한 제품 생산에 응용될 수 있다.

2.2 PHA 합성 메커니즘

PHA의 생분해성, 생적합성, 기계화학적 물성 및 분자량

을 포함하는 특성은 미생물 세포 내 대사경로와 PHA 합성

효소의 구조와 활성을 조절함으로써 다양화될 수 있다(그

림 3, 4).2 미생물 세포 내 축적되는 다양한 구조의 PHA는

미생물의 종류 및 미생물에게 공급되는 탄소원에 의해 결정

되기도 한다. 즉, PHA 합성 효소의 기질인 단량체를 공급하

는 PHA 합성 대사경로가 최종적인 PHA 구조를 결정하며,

탄소원은 PHA와 구조적으로 관련된 탄소원과 그렇지 않은

탄소원으로 구분된다. 예를 들면, 하이드록시 지방산과 구

조적으로 유사한 탄소원인 지방산은 구조적으로 관련된 탄

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그림 4. Three major pathways related to the production of various PHA.

1

그림 5. Transmission electron micrographs of ultrathin sectionsof R. eutropha strains. Magnification: x10,000; scale bar 0.5 um.

6

그림 6. CO2 production (a) and CO2 carbon loss from samples(b) in aerobic biodegradation in seawater. The headspace of each digesterwas purged using CO2 free air at day 14, 26, 35,44, 55, 85, 107, 127, and 163. PHA-S and PHA-F indicate thesheet and flake forms of poly(3HB-co-3HHx) samples, respectively.PP indicates polypropylene pellets.

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소원으로 구분되며, ß-oxidation 대사 경로를 통해 중간 탄

소 사슬 길이의 PHA를 합성하는데 사용된다.5

다양한 PHA 고분자는 당(sugar) 혹은 식물성 오일 중심

의 탄소 원료를 이용하는 미생물 발효 공정 기술을 중심으

로 생산되어 왔다. 당 기반 발효 공정에서는 C5 이상 단량체

를 포함하는 공중합체 합성을 위해 소량의 유기산(propionate,

valerate, hexanoate 등)을 보조 원료로 공급한다. 유기산이

고농도로 공급될 경우 독성을 띄게 되어 미생물의 성장을

저해하므로 이러한 문제를 극복하기 위해 연속적으로 저농

도의 유기산을 주입하는 공정이 개발되고 있다.

2.3 다양한 PHA 합성을 위한 미생물 엔지니어링 기술

다양한 PHA 공중합체 합성을 위해 C5 이상 단량체와 구

조적으로 유사한 탄소 원료인 유기산을 추가적으로 공급하

게 되면 추가적인 비용 발생과 독성 문제가 야기된다. 따라

서 최근에는 C5 이상 단량체를 미생물 세포 내 자체적으로

합성할 수 있는 신규 대사경로를 도입하는 연구가 진행되고

있다. 다양한 PHA 단량체를 합성하는 대사 경로가 신규 미

생물로부터 발굴되었고, 미생물 세포 내에 단량체 합성 경

로를 구축하거나 조작하여 새로운 물성의 PHA를 생산할 수

있다. 예를 들면, polyhydroxybutyrate-co-hydroxyhexanoate

공중합체(PHB-co-HHx)를 생산하기 위해 개발된 재조합

미생물은 다양한 조성(1.6-17.2 mol% HHx)의 PHB 공중

합체를 합성하며, 분자량도 조절 가능하다(그림 5).6 또한

기존 PHA의 합성 경로를 강화시켜 생산 효율을 증진시키는

방향으로도 연구가 진행되고 있다.

2.4 해양 환경에서의 PHA 생분해도 규명

세계적 플라스틱 오염 문제의 해결법으로 다양한 생분해

성 플라스틱 합성 개발이 제안되어 오고 있지만, 생분해성

플라스틱 폐기물 처리와 제어 방법에 있어서 아직 논란이

되는 부분이 많다. 현재 퇴비화가 가능한(compostable) 플

라스틱이 생분해성 플라스틱으로 분류가 되고 있지만, 실제

토양과 해양 환경에서 분해가 되지 않는 물질이 대다수이

다. 예를 들면 대표적인 생분해 플라스틱인 polylactic acid

(PLA)는 50 ℃ 이상의 산업용 퇴비화 시스템에서는 분해가

되지만 다른 조건의 환경에서는 분해가 되지 않아 제어 방

법에 있어서 논란의 여지가 있다. 하지만 미생물에 의해 합

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성되는 PHA는 혐기성 소화 공정(메탄 발효 공정) 및 호기

성 해양 환경에서도 분해가 되는 것으로 알려져 있다(그림

6).7 따라서 친환경 플라스틱의 생분해성 논란 문제 및 최근

미세 플라스틱 이슈 관련 급증에 대응할 수 있는 가장 바람

직한 플라스틱 대체제로써 PHA가 주목받고 있다.

3. 결론

경제적이고 생분해가 되는 플라스틱으로써의 PHA 활용

은 높은 생산가와 물성 조절의 어려움으로 산업에서의 활용

이 아직 제한적이지만, 앞으로 미생물 균주 개량 및 공정 개

발을 통해 다양한 PHA의 효율적인 생산이 가능해질 것으로

기대한다. PHA는 환경친화적 포장재와 같은 범용성 저가

제품 외에도 고부가 의료용 생체고분자 용도로 시장 전개가

용이할 것으로 예상된다.

참고문헌

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2. R. A. J. Verlinden, D. J. Hill, M. A. Kenward, C. D. Williams,

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3. Polyhydroxyalkanoate (PHA) market – global forecast to

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