생분해성 첨가제

Biodegradable additives

생분해성 첨가제미생물이 폴리머 체인 내 탄소를 에너지원으로서 활용할 수 있도록 해 중합체생분해를 높이는 첨가제다. 생분해성 첨가제는 플라스틱 제품에서 바이오필름 생성 후 쿼럼 감지를 통해 미생물을 폴리머로 유인한다. 첨가물은 일반적으로 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같은 캐리어 레진을 사용하는 마스터바치 형성에 있다.

대부분의 일반적인 합성 플라스틱은 생분해되지 않으며, 플라스틱의 화학적, 물리적 특성 모두 플라스틱 분해 과정에서 중요한 역할을 한다. 생분해성 첨가물을 첨가하면 플라스틱의 화학적·물리적 특성을 변화시켜 분해 속도를 높임으로써 플라스틱 분해의 메커니즘에 영향을 미칠 수 있다.[1] 생분해성 첨가제는 플라스틱 분해 과정을 생분해로 바꿀 수 있다. 생분해성 첨가제는 햇빛(사진-산소화)이나 열(열 분해) 등 환경적 요인만으로 분해되는 대신, 직접 또는 간접 공격을 통해 중합체가 미생물과 박테리아에 의해 분해되도록 한다.

일부 플라스틱 첨가제는 플라스틱 표면(: 착색제)에만 영향을 미치지만, 효과적인 생분해성 첨가제는 플라스틱의 내부와 그 화학적 특성 또한 바꾸어야 한다.[2] 좋은 생분해성 첨가제는 폴리머의 특정 성질의 강도를 낮추고 미생물에 대한 매력을 높여 분해 속도를 높인다.

생물분해 메커니즘

일반적으로 미생물 플라스틱 생분해 과정은 고분자 분자량이 상당히 감소하여 플라스틱의 구조적 무결성을 떨어뜨린다. 미생물이 플라스틱 분해 과정을 수행할 수 있는 방법에는 여러 가지가 있으며, 그 메커니즘은 환경 조건에 따라 조금씩 다르다.

직접 액션

일부 미생물은 플라스틱 파편을 직접 소비할 수 있으며, 그 탄소를 영양 공급원으로 사용할 수 있다. 예를 들어, Brevibacillus borstelensis, Rhodococcus 고무, Phyomonas cloraphis, Comamonas acidovorans TB-35는 모두 폴리에틸렌을 소비하기 위해 직접 작용하는 것으로 실험적으로 보여졌다.[3] 덜 일반적으로 사용되는 다른 플라스틱의 경우, 연구자들은 특정 플라스틱을 직접 분해할 수 있는 마이크로바이 변종만을 발견했다. 플라스틱을 효과적으로 생분해시킬 수 있는 다른 미생물 변종을 발견하기 위한 더 많은 연구가 현재 행해지고 있다.

고분자 분자량은 미생물이 고분자량 고분자를 직접 분해하는 것이 상당히 어렵기 때문에 미생물이 방향 작용을 이용해 플라스틱을 분해할 수 있는지에 중요한 역할을 한다. 또한 폴리머의 기능 그룹들은 대형 대체물이 더 분해되기 어려운 상태에서 폴리머가 직접 분해될지 여부를 결정한다.[4]

에어로빅과 혐기성 조건에서 모두 나타난 미생물 분해 메커니즘의 단계.[5]

간접 작용

화석 기반 플라스틱의 파괴에 관여하는 미생물들은 일반적으로 미생물 효소가 플라스틱을 분해하는 간접적인 메커니즘을 사용한다. 간접적인 작용을 통해 미생물의 대사생물이 플라스틱의 성질에 영향을 미치게 되어 분해된다.[3]

효소에 기반한 미생물 생분해효소는 에어로빅과 혐기성 두 가지 조건에서 발생할 수 있다. 플라스틱은 전형적으로 소수성 고분자로 이루어져 있기 때문에 두 조건에서 생분해 1단계는 효소에 의해 고분자가 과점, 조광기, 단층기와 같은 작은 성분으로 분해되는 것을 포함한다.[6] 플라스틱을 더 작은 분자로 분해하는 것을 가수분해 또는 산화라고 하며, 이 과정은 폴리머의 수질을 증가시킨다.[4] 가수분해나 산화는 플라스틱 생분해 전 과정을 시작하기 때문에 메커니즘에서 가장 중요한 단계다.[5] 일단 가수분해나 산화가 일어나면 미생물은 낮은 분자량 생산물에 직접 작용하여 이들 단편 속의 탄소를 에너지의 원천으로 활용할 수 있다.

미생물 플라스틱 생분해와 관련된 일반적인 효소로는 지질, 단백질 분해효소 K, 프로나아제, 수소 분해효소가 있다.[3] 이러한 효소의 효능은 분해되는 플라스틱의 종류에 따라 달라진다. 나아가 미생물 생분해 산물은 환경조건에 따라 차이가 날 것이다.

에어로빅

유산소 조건 하에서 미생물은 산소를 전자 수용기로 사용할 것이다. 결과물은 이산화탄소(CO2)와 물(HO2)이다.[5] 미생물 생분해를 위한 유산소 조건의 예로는 매립지와 퇴적물이 있다.[4]

혐기성

혐기성 조건 하에서, 산소의 부족은 박테리아가 전자 수용기에 다른 공급원을 사용할 것을 요구한다. 혐기성 박테리아가 사용하는 일반적인 전자 수용체는 황산염, 철, 질산염, 망간, 이산화탄소다. 혐기성 조건 하에서 발생하는 생산물은 이산화탄소(CO2), 물(HO2), 메탄(CH4)이다.[6]

혐기성 과정의 간단한 화학 방정식은 다음과 같다.

C6H12O6 → 3CO2 + 3CH4

미생물 생물분해를 위한 혐기성 조건의 예로는 토양과 퇴비가 있다.[4]

생분해성 첨가제의 종류

전분

전분은 흔한 생분해성 첨가물로, 합성 플라스틱과 전분의 혼합이 점점 더 보편화되고 있다. 전분은 고분자 탄수화물이기 때문에 미생물이 직접 섭취할 수 있다. 녹말은 연중 내내 사용할 수 있는 재생 가능하고 값싼 자원으로, 생분해 가능한 첨가제가 된다.[1]

녹말은 플라스틱 알갱이로 변환될 수 있으며, 폴리에틸렌과 같은 다른 플라스틱의 생분해성 첨가물로 사용될 수 있다.[7]

전분은 생분해성이 유망한 첨가제지만, 현재는 특정 합성 플라스틱과 혼합되어 있을 뿐이다. 녹말과 폴리비닐알코올(PVA) 혼합물은 두 성분이 모두 생분해되기 때문에 다양한 미생물에 의해 완전히 생분해된다.[6] 그러나 전분을 첨가하면 PVA의 분해 속도가 증가할 수 있다. 녹말과 폴리에스테르 혼합물도 완전히 생분해되는 것으로 밝혀졌다.[5] 연속적인 녹말 단계가 존재하면 미생물이 플라스틱을 직접 소비할 수 있게 되는데, 그 이유는 물질이 더 친수성이 되기 때문이다. 미생물은 플라스틱의 전분을 직접 공격해 제거할 수 있어 분해로 이어질 수 있다. 전분은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 모두를 위한 생분해성 첨가제로 가장 많이 사용된다.[8] 폴리에틸렌은 비닐봉지부터 플라스틱 물병, 야외 가구 등 광범위한 용도로 사용되기 때문에 매년 다량의 PE 플라스틱이 버려지고 있으며, 그 생분해성을 높일 방법을 결정하는 것이 중요한 연구 분야가 되었다.

미국 국립옥수수 재배농가협회(미국)가 생산하는 콘플라스트는 합성 폴리에틸렌의 생분해성을 높이는 데 사용할 수 있는 특정 전분 첨가제다. 콘플라스트는 폴리에틸렌 20%와 전분 80%의 성분으로, 콘플라스트와 LDPE, HDPE의 중량 혼합으로 50%~50%를 연구해 생분해성 첨가제로서 전분의 효과를 파악했다.[8]

생물증강

플라스틱에 특정 미생물 변종을 첨가하는 것을 바이오증강이라고 하며, 플라스틱의 생분해성을 높이는 방법이다. 생물확장법은 이미 퇴비가 가능한 폴리(lactic acid)와 같은 플라스틱의 분해능률을 높이기 위해 사용되어 왔다. 플라스틱을 퇴비화하는 것은 쓰레기 매립지에 플라스틱을 처리하는 데 있어 유망한 대안이다. 그러나 플라스틱은 특정한 성질을 퇴비화할 수 있어야 한다. 플라스틱의 퇴비성 및 생분해성을 높이기 위해 바이오 증식법은 플라스틱에 미생물을 직접 첨가하는 방식이다. 이 경우 생분해성 첨가물은 미생물 그 자체다.[9]

실험은 퇴비에 존재하는 특정 미생물 변종이 생물 증강의 잠재적 원천을 결정하기 위해 실제로 플라스틱에 결합할 수 있는지를 결정하기 위해 행해져야 한다. 이러한 실험은 플라스틱의 성질의 차이가 미생물 변종의 결합 능력에 영향을 미치기 때문에 다양한 플라스틱에 대해 수행되어야 한다. 미생물 변종이 플라스틱을 분해하는지 여부를 판단하기 위해 이산화탄소는 유산소 및 혐기성 미생물 분해의 산물이기 때문에 존재하는 이산화탄소의 양을 측정하는 것이 일반적으로 사용된다. 연구 중인 미생물이 특정 종류의 플라스틱에 끌리는 것을 확인하기 위해서는 합성 플라스틱이 실험용 퇴비나 토양에서 유일한 탄소 공급원이 되는 것이 중요하다.[9] 이산화탄소가 많이 배출된다면, 그것은 미생물이 성공적으로 플라스틱의 탄소를 소비했다는 것을 의미한다.

폴리(락트산)의 성공적인 생물 증식에 이용된 미생물 변종의 한 예는 Geacobillus Thermoleovorans이다. 이 박테리아 변종은 해양과 육지 모두에서 자랄 수 있으며 다양한 당류, 탄화수소, 카르복실산을 영양 공급원으로 사용할 수 있다. 지오바실러스 보온병균은 폴리(락트산) 표면에 성공적으로 부착되며, 실험 결과 이러한 군집화로 인해 플라스틱의 미생물 분해율이 높아질 것으로 보인다.[9]

산화방지제 첨가제

산화방지제 첨가제는 열산화율과 광산화율을 모두 증가시켜 더 많은 양의 저분자 추출성 화합물이 생성된다.[10] 그러면 미생물 변종은 이 대형 체인 폴리머의 낮은 분자량 조각에 있는 탄소를 효율적으로 공격할 수 있다.

항산화 첨가제는 폴리에틸렌과 폴리에틸렌 필름의 생분해율을 높이기 위해 일반적으로 사용된다. 폴리에틸렌은 물병, 식료품 가방, 배수관과 같은 많은 일상 플라스틱 제품에서 사용되는 매우 흔한 폴리머다. 그러나 분자량이 높으면 미생물이 자연적으로 물질을 분해하는 능력이 떨어진다. 산화방지제 첨가제는 폴리머의 작은 파편을 만들어 폴리에틸렌의 생분해성을 높이는 데 효과적이었다.[11]

대표적인 산화방지제 첨가제는 전환금속 복합체나 과도 금속 이온으로 플라스틱에 스테아레이트나 기타 유기 리간드 복합체 형태로 첨가된다. 프로옥시드로 가장 많이 사용되는 금속은 철(Fe), 망간(Mn), 코발트(Co)이다. fe 콤플렉스는 작은 분자량 파편을 생성하는 과정에서 개시 단계에 대한 활성산소의 공급원을 제공함으로써 광산화 속도를 높인다.[11] 이러한 OXO-생물분해 첨가제의 사용은 처리된 플라스틱이 완전히 생분해되지 않고 대신 미세플라스틱의 빠른 형성을 초래한다는 우려 때문에 2019년[12] EU에서 금지되었다.[13]

폴리에틸렌의 생물분해 연구에 따르면, 초기에는 산화제 첨가물이 플라스틱에 포함되었을 때 생물분해가 상당히 빠른 것으로 나타났는데, 이는 미생물이 저분자량 플라스틱 파편을 빠르게 소비했기 때문일 가능성이 가장 높다.[10]

생분해성 첨가제 시험

시험방법

잠재적 첨가물이 생분해성을 증가시키는지 여부를 판단하기 위해 특정 플라스틱에 대해 몇 가지 테스트를 수행할 수 있다.

분해 과정 전반에서 잠재적 생분해성 첨가물을 사용한 경우와 사용하지 않은 경우 모두 플라스틱의 물리적 특성 변화를 비교하면 첨가물의 효능에 대한 통찰력을 제공할 수 있다. 첨가물을 첨가하여 열화에 상당한 영향을 미치는 경우, 생물분해가 개선되었음을 나타낼 수 있다.[14] 실험적으로 측정할 수 있는 중요한 물리적 특성으로는 인장강도, 분자량, 탄력성, 결정성 등이 있다. 잠재적인 미생물 생분해 전후의 플라스틱의 외관을 측정하는 것 또한 분해의 효과에 대한 통찰력을 제공할 수 있다.[4]

열 분석은 중합체의 물리적 특성에 미치는 열화의 영향을 특성화하는 데 유용한 방법이다. 열분해의 열안정성 및 운동변수에 대한 정보는 열가비계 분석을 통해 얻을 수 있다. 이러한 운동 매개변수는 분해의 지표인 분자 사슬의 파괴에 대한 정보를 제공한다. 녹은 상태와 결정 상태의 엔탈피 측정으로부터 플라스틱의 결정성 함량의 진화를 기록할 수 있다. 결정성에 대한 변화는 열화가 성공적이거나 성공적이지 못했음을 나타낼 수 있다. 플라스틱의 성층 두께 분포도 열분석을 사용하여 측정할 수 있다.[8]

생물분해의 효능을 판단하는 또 다른 방법은 플라스틱을 분해하는 미생물에 의해 생성되는 이산화탄소 및/또는 메탄의 양을 측정하는 것이다. 이산화탄소와 메탄은 미생물 분해 과정의 산물이기 때문에, 공기 중에 많은 양의 이 제품들은 합성 플라스틱이 소비되어 에너지로 전환되었음을 나타낸다.[9]

시험환경조건

열산화 처리

합성 플라스틱의 열-산소 처리법은 플라스틱이 사용될 조건(예: 물병에 물을 저장하는 조건)을 복제할 수 있다. 이러한 테스트는 플라스틱을 자연적으로 관찰하는 데 필요한 훨씬 더 짧은 시간 내에 사용 수명 동안 플라스틱의 변화를 관찰하는 데 사용될 수 있다. 일반적인 대기 조건은 특정 계측기를 사용하여 제어된다(예: 헤레이우스 UT 6060 오븐).[8]

토양 매장

가속토매립시험은 대표적인 플라스틱 처리장소인 매립지의 상태를 그대로 재현해 지상에서 플라스틱의 열화 과정을 기록하는 데 사용된다. 이러한 테스트는 재료의 사용 수명이 고갈된 후에 사용되며, 재료의 다음 단계는 폐기다. 전형적으로 샘플은 생물학적으로 활성 토양에 6개월 동안 묻혀 공기 중에 노출되어 충분한 산소가 있는지 확인함으로써 분해의 에어로빅 메커니즘이 발생할 수 있다. 실험 조건은 자연 상태를 면밀히 반영해야 하므로 토양의 수분과 온도를 세심하게 조절한다.[14] 사용하는 토양의 종류도 기록해야 하는데, 이는 열화 과정에 영향을 미칠 수 있기 때문이다.[8]

특정 테스트 방법

미국시험재료학회(American Society for Test and Materials)가 승인한 테스트 방법은 다음과 같다.

  1. ASTM D5511-12 테스트는 "고해상도 혐기성-소화 조건 하에서 고형질 환경에서 플라스틱 재료의 생물분해 방지"[15]를 위한 것이다.
  2. ASTM D5526-12 테스트는 "가속 매립 조건에서 플라스틱 재료의 혐기성 생분해 측정을 위한 표준 테스트 방법"[16]을 위한 것이다.
  3. ASTM D5210-07 시험은 "시내하수 슬러지가 존재하는 곳에서 플라스틱 물질의 혐기성 생분해 측정을 위한 표준시험 방법"[17]을 위한 것이다.

ASTM 테스트 방법을 수행하는 실험실

  • 에덴 리서치 랩스
  • 인공호흡기
  • NE 연구소
  • NSF

환경 영향

많은 땅이 현재 플라스틱 쓰레기로 덮여 있다. 생분해성 첨가제는 플라스틱의 생분해 과정을 빠르게 진행시켜 플라스틱 더미가 덜 빈번해질 수 있도록 도울 것이다.[18]

생분해성 첨가제는 환경에 플라스틱의 축적을 현저하게 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 플라스틱은 일상생활에서 어디서나 볼 수 있으며 매년 엄청난 양의 생산과 폐기된다. 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리염화비닐, 폴리(에틸렌 테레프탈레이트)와 같은 대부분의 일반 플라스틱은 생분해성이 없다.[1] 게다가, 버려진 플라스틱의 약 9-10%만이 매년 재활용된다. 비생물 분해성 플라스틱은 환경에 축적되어 인간, 동물, 환경 건강을 위협한다.

버려지는 플라스틱의 양에 대처하기 위한 현재의 해결책으로는 플라스틱을 태워서 넓은 들판이나 매립지에 버리는 것이 있다. 플라스틱을 태우면 상당한 양의 대기오염이 발생하는데, 이는 인간과 동물의 건강에 해롭다. 플라스틱은 밭이나 매립지에 버리면 토양의 pH에 변화를 일으켜 토양 불임으로 이어질 수 있다.[3] 게다가 쓰레기 매립지로 끝나는 플라스틱 병과 비닐봉지는 동물들에 의해 자주 소비되고, 이것은 그들의 소화기관을 막아서 죽음에 이르게 한다.[4]

플라스틱 소비의 상당한 성장으로 인해, 일반 플라스틱의 분해율을 증가시키기 위해 생분해성 첨가제가 점점 더 필요해지고 있다. 현재의 연구는 분해 과정을 수십 년에서 수 세기까지 걸리던 것에서 불과 몇 달에서 몇 년밖에 걸리지 않는 것으로 단축시킬 새로운 생분해성 첨가제를 찾는 데 초점을 맞추고 있다.

생분해성 첨가제 제조업체

참조

  1. ^ a b c Tokiwa, Yutaka; Calabia, Buenaventurada; Ugwu, Charles; Aiba, Seiichi (2009-08-26). "Biodegradability of Plastics". International Journal of Molecular Sciences. 10 (9): 3722–3742. CiteSeerX 10.1.1.394.2078. doi:10.3390/ijms10093722. ISSN 1422-0067. PMC 2769161. PMID 19865515.
  2. ^ "Biodegradable Plastic by Additives". BioSphere Biodegradable Plastic. Retrieved 2012-08-30.
  3. ^ a b c d Ghosh, Swapan Kumar; Pal, Sujoy; Ray, Sumanta (2013). "Study of microbes having potentiality for biodegradation of plastics". Environmental Science and Pollution Research. 20 (7): 4339–4355. doi:10.1007/s11356-013-1706-x. ISSN 0944-1344. PMID 23613206. S2CID 6292451.
  4. ^ a b c d e f Koshti, Rupali; Mehta, Lincohn; Samarth, Nikesh (2018). "Biological Recycling of Polyethylene Terephthalate: A Mini-Review". Journal of Polymers and the Environment. 26 (8): 3520–3529. doi:10.1007/s10924-018-1214-7. S2CID 139274331.
  5. ^ a b c d Shah, Aamer Ali; Hasan, Fariha; Hameed, Abdul; Ahmed, Safia (January 2008). "Biological degradation of plastics: A comprehensive review". Biotechnology Advances. 26 (3): 246–265. doi:10.1016/j.biotechadv.2007.12.005. PMID 18337047.
  6. ^ a b c Ahmed, Temoor; Shahid, Muhammad; Azeem, Farrukh; Rasul, Ijaz; Shah, Asad Ali; Noman, Muhammad; Hameed, Amir; Manzoor, Natasha; Manzoor, Irfan (2018). "Biodegradation of plastics: current scenario and future prospects for environmental safety". Environmental Science and Pollution Research. 25 (8): 7287–7298. doi:10.1007/s11356-018-1234-9. ISSN 0944-1344. PMID 29332271. S2CID 3962436.
  7. ^ "CSIRO Science Image - CSIRO Science Image". www.scienceimage.csiro.au. Retrieved 2019-05-24.
  8. ^ a b c d e Santonja-Blasco, L.; Contat-Rodrigo, L.; Moriana-Torró, R.; Ribes-Greus, A. (2007-11-15). "Thermal characterization of polyethylene blends with a biodegradable masterbatch subjected to thermo-oxidative treatment and subsequent soil burial test". Journal of Applied Polymer Science. 106 (4): 2218–2230. doi:10.1002/app.26667.
  9. ^ a b c d Castro-Aguirre, E.; Auras, R.; Selke, S.; Rubino, M.; Marsh, T. (May 2018). "Enhancing the biodegradation rate of poly(lactic acid) films and PLA bio-nanocomposites in simulated composting through bioaugmentation". Polymer Degradation and Stability. 154: 46–54. doi:10.1016/j.polymdegradstab.2018.05.017.
  10. ^ a b Koutny, Marek; Sancelme, Martine; Dabin, Catherine; Pichon, Nicolas; Delort, Anne-Marie; Lemaire, Jacques (2006). "Acquired biodegradability of polyethylenes containing pro-oxidant additives" (PDF). Polymer Degradation and Stability. 91 (7): 1495–1503. doi:10.1016/j.polymdegradstab.2005.10.007. ISSN 0141-3910.
  11. ^ a b Koutny, Marek; Lemaire, Jacques; Delort, Anne-Marie (2006). "Biodegradation of polyethylene films with prooxidant additives" (PDF). Chemosphere. 64 (8): 1243–1252. Bibcode:2006Chmsp..64.1243K. doi:10.1016/j.chemosphere.2005.12.060. ISSN 0045-6535. PMID 16487569.
  12. ^ EU 지침 2019/904 (제5조), EU 지침 2019년 6월 5일
  13. ^ "on the impact of the use of oxo-degradable plastic, including oxo-degradable plastic" (PDF). EUROPEAN. Retrieved 11 November 2020.
  14. ^ a b Selke, Susan; Auras, Rafael; Nguyen, Tuan Anh; Castro Aguirre, Edgar; Cheruvathur, Rijosh; Liu, Yan (2015-03-17). "Evaluation of Biodegradation-Promoting Additives for Plastics". Environmental Science & Technology. 49 (6): 3769–3777. Bibcode:2015EnST...49.3769S. doi:10.1021/es504258u. ISSN 0013-936X. PMID 25723056.
  15. ^ "ASTM D5511-12". ASTM International. Retrieved 2012-06-30.
  16. ^ "ASTM D5526-12". ASTM International. Retrieved 2012-06-30.
  17. ^ "ASTM D5210-07". ASTM International. Retrieved 2012-06-30.
  18. ^ "Plastic waste at Batlapalem". 2011.