PHA(폴리하이드록시알카노에트) 는 어떻게 만들어지 지는 것인가요?

Question

최근 석유화학물을 대체할 수 있는 생분성 플라스틱 개발이 활발합니다. 그 가운데 PHA(폴리하이드록시알카노에트) 는 어떻게 만들어지 지는 것인가요?

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

PHA(폴리하이드록시알카노에트)는 자연계의 특정 박테리아가 스스로 합성하는 생분해성 고분자로, 미생물 발효 과정을 통해 만들어집니다. 원리는 비교적 단순합니다. 박테리아가 충분한 탄소원(포도당, 식물성 기름, 지방산 등)을 공급받지만 질소나 인 같은 필수 영양소가 부족한 환경에 놓이면, 생존을 위해 남는 탄소를 세포 내에 고분자 형태로 저장합니다. 이때 합성되는 물질이 바로 PHA입니다.

산업적으로는 발효조에서 박테리아를 배양해 이 과정을 인위적으로 유도합니다. 먼저 탄소원을 과잉 공급하고 다른 영양소를 제한해 PHA 축적을 촉진합니다. 박테리아는 세포 안에 과립 형태로 PHA를 쌓아두는데, 대표적인 것이 PHB(Poly-3-hydroxybutyrate)입니다. 이후 배양된 세포를 수확해 파괴하고, 내부에 저장된 PHA를 용매 추출이나 효소 처리 같은 방법으로 회수합니다. 마지막으로 정제 과정을 거쳐 고분자를 플라스틱 원료로 가공하면, 사출 성형이나 필름 제조 등 일반 플라스틱과 동일한 방식으로 제품을 만들 수 있습니다.

이렇게 생산된 PHA는 자연 환경에서 미생물에 의해 물과 이산화탄소로 분해되며, 인체 내에서도 안전하게 분해되기 때문에 의료용 소재로도 활용됩니다. 다만 생산 비용이 아직 높고 대량 생산 공정의 효율성이 충분히 확보되지 않았다는 점이 과제로 남아 있습니다.

즉, PHA는 박테리아의 대사 특성을 이용해 발효로 합성·축적된 후 추출·정제하여 얻는 생분해성 바이오플라스틱이라고 정리할 수 있습니다.

Answer 2

안녕하세요.

말씀해주신 PHA란 일반적인 플라스틱과 달리 미생물이 스스로 만들어 세포 안에 저장하는 천연 고분자 물질입니다. PHA가 만들어지는 이유는 미생물의 에너지 저장 전략과 관련이 있는데요, 어떤 세균들은 당, 식물성 기름, 유기산과 같은 탄소원은 충분하더라도 질소, 인, 산소 같은 다른 영양소가 부족한 환경에 놓이면, 세포 분열을 계속하기 어렵습니다. 따라서 남는 탄소를 그냥 버리는 것이 아니라 저장하는데, 그 저장 형태가 바로 PHA인 것입니다. 우선 미생물은 먼저 포도당이나 지방산 같은 탄소원을 분해하여 아세틸-CoA를 만들고, 이후 여러 효소 반응을 거쳐 하이드록시알카노일-CoA 형태의 단량체가 생성되고, 최종적으로 PHA 합성효소가 단량체들을 연결하여 긴 고분자 사슬을 만듭니다. 이 고분자는 세포질 내부에서 작은 과립 형태로 축적됩니다.

대표적인 생산 미생물로는 Cupriavidus necator가 있는데요, 이러한 미생물은 당밀, 옥수수 전분 가수분해물, 폐식용유, 글리세롤, 음식물 폐기물 유래 탄소원 등을 먹고 PHA를 축적합니다. 산업 생산 공정은 우선 발효조에서 미생물을 대량 배양하고, 영양 조건을 조절하여 PHA 축적을 유도합니다. 이후 세포를 수확하여 파쇄하고, 용매 추출이나 효소 처리 등으로 세포 내부의 PHA를 분리 및 정제합니다. 최종적으로 정제된 PHA는 펠릿 형태로 가공되어 필름, 용기, 섬유, 의료용 소재 등에 사용됩니다. 말씀해주신 것처럼 PHA가 주목받는 이유는 생분해성 때문인데요, PHA는 토양이나 해양 등의 환경에서도 미생물 효소에 의해 분해되어 물과 이산화탄소로 전환 가능하다는 장점이 있습니다. 감사합니다.