플라스틱은 저렴하고 튼튼하고 형태 변형이 용이한 물질로, 지난 수십년 간 폭발적인 생산량 증가와 함께 인간 생활의 모든 곳에 스며들었습니다. 그러나 이 매력적인 중합체는 치명적인 단점이 있습니다. 바로 물질 분해에 수백년이 걸린다는 것입니다. 전세계적으로 연간 3억 5천만 톤이라는 천문학적인 생산량을 볼 때 플라스틱 오염은 오늘날 인류가 마주한 가장 중대한 환경 문제 중 하나입니다.  

매년 믿기 어려울 정도로 많은 1억 5천만 톤의 플라스틱이 매립지에 묻히거나 환경에 그대로 배출되며 강을 거쳐 바다로 흘러가는 양도 8백만 톤에 달합니다. 이 플라스틱은 대부분 분해되지 않고 미세 입자로 쪼개집니다. 미세플라스틱으로 규정된 이 입자는 바다 속, 해양 동물 체내, 심지어 인체 위장계 깊은 곳에서도 발견됩니다. 플라스틱 오염은 오늘날 인류가 처한 가장 중요한 환경 문제 중 하나이며 이 복잡한 플라스틱 문제의 해답을 찾기 위한 연구가 활발히 진행되고 있습니다.

해중합: 중합체 재활용 난제 해결

플라스틱은 단량체 블록의 반복으로 생성된 긴 체인 구조의 중합체로 만들어집니다. 널리 사용되는 플라스틱의 대부분은 열가소성 또는 열경화성을 갖습니다. 아크릴, 폴리아미드, 폴리에틸렌과 같은 열가소성 물질은 고온에서 부드러워지고 형태가 쉽게 변형되며 온도가 낮아지면 단단해집니다. 따라서 품질은 저하되더라도 부드러운 상태에서 새로운 제품으로 재생할 수 있기 때문에 상대적으로 쉽게 재활용할 수 있습니다. 폴리우레탄, 에폭시 수지, 멜라민 수지와 같은 열경화성 플라스틱은 열을 가하면 단단해지며 재활용이 거의 불가능합니다. 열가소성 수지와 열경화성 수지의 재활용과 관련된 문제는 결국 모든 플라스틱이 환경 오염을 유발한다는 것입니다.

실질적인 재활용, 즉 새로운 제품으로서 재사용하기 위해서는 해중합 프로세스를 통해 폐기 플라스틱을 원래 단량체로 복원시켜야 합니다. 전세계 순환 자원 경제를 지원하기 위해서는 이러한 기술 발전이 반드시 필요합니다. 생물학적 시스템에서는 미생물 섭취와 성장에 있어 단량체로의 완벽한 해중합이 필요합니다.

과학자들은 해중합의 해답을 자연에서 찾고 있습니다. 즉 플라스틱을 분해할 수 있는 미생물 효소를 찾고 있습니다. 2012년, 오사카대학교 연구진은 전세계적으로 가장 많이 사용되는 플라스틱 중 하나인 폴리에틸렌 테레프타레이트(PET, CAS 레지스트리 번호 25038-59-9, 분자식(C₁₀H₈O₄)_n)을 분해할 수 있는 효소를 퇴비 더미에서 발견했습니다.  

나뭇잎 퇴비 큐틴 분해효소(LLC)로 알려진 이 효소는 PET 단량체 결합을 해체하면서도 65°C의 PET 연화 온도를 견딜 수 없습니다. 따라서 이 온도에서 며칠 간 처리하면 변성이 되어 산업적 실용성이 제한됩니다. 해중합은 녹은 플라스틱에서만 발생할 수 있으므로 효소가 고온에서도 안정적인 상태를 유지해야 합니다.

잘 알려지지 않은 토양 박테리아로부터의 이중 작용 PET 해중합

PET는 열가소성 수지이자 세계에서 가장 널리 사용되는 폴리에스테르 중 하나입니다. 전세계 PET 생산량은 2014년 4천 2백만 톤에서 2016년 5천만 톤으로 증가했으며 2022년에는 8천 7백만 톤에 이를 것으로 예상됩니다. 

이 합성 중합체는 석유 유도 테레프탈산(TPA)과 에틸렌글리콜(EG)이 원재료입니다. PET는 결정 구조와 입자 크기에 따라 투명, 불투명 또는 흰색으로 만들 수 있는 다기능성 중합체입니다(그림 1). 의류 섬유와 물병과 같은 용기를 만드는 데 널리 사용되며 무방향성 PET의 경우 열성형(또는 주형) 과정을 거쳐 블리스터 팩과 같은 다른 포장재를 만들 수 있습니다¹. PET를 효과적으로 해중합할 수 있는 방법을 찾는다면 진정한 의미의 플라스틱 재활용과 그에 따른 환경 보호를 위한 여정에서 중요한 업적을 달성하게 될 것입니다.

에스테라아제 효소(에스테르를 산과 알코올로 분해하는 효소)는 자연 상태에서 풍부하게 존재하므로 PET 생물 분해에 대한 연구가 광범위하게 진행되고 있습니다². 그러나 PET의 생물 분해 또는 미생물 증가에 도움을 주는 활용도에 대한 보고서는 많지 않습니다. 일부 곰팡이균류, 푸사리움 옥시스포럼과 푸사리움 솔라니는 PET 방적사가 함유된 광물성 매개체에서 자랍니다³.

2016년, Yoshida를 비롯한 연구진⁴은 토양 박테리아 균주, 이데오넬라 사카이엔시스 201-F6의 발견과 특성화 결과를 보고했습니다. 이 미생물은 일본 플라스틱 재활용 시설 인근의 PET 오염 퇴적물에서 자라고 있는 것이 확인되었습니다. 막대 모양의 이 그람 음성, 호기성 박테리아는 PET를 주요 탄소 및 에너지원으로 사용하여 증식하는 놀라운 능력을 갖고 있습니다.   

이데오넬라 사카이엔시스는 2-효소 시스템을 사용하여 PET를 기본 구성 요소인 TPA와 EG로 해중합하며 이 두 물질은 이화 작용을 통해 탄소와 에너지원이 됩니다. 두 효소 중 하나인 ISF6_4831 단백질은 가수분해 작용으로 에스테르 결합을 해체합니다. 지방족 에스테르보다 방향족 에스테르를 선호하고 PET에 대한 특정 성향으로 인해 이 단백질은 PET 가수 분해 효소(PETase)로 지정되었습니다. 이데오넬라 사카이엔시스의 PETase 효소는 PET 중합체를 공격하는 큐티나제 유사 세린 가수 분해 효소로, 비스(2-하이드록시에틸) 테레프탈레이트(BHET), 모노(2-하이드록시에틸) 테레프탈레이트(MHET) 및 TPA를 배출합니다. PETase는 또한 BHET를 MHET와 EG로 분해합니다. 두 번째 효소이자 ISF6_0224 단백질인 MHET 가수 분해 효소(MHETase)는 용해성 MHET를 가수 분해하여 TPA와 EG를 생성합니다(그림 2). 효소를 사용하여 PET를 친환경 단량체인 TPA와 EG4로 변환하려면 두 가지 효소가 모두 필요하며 시너지 효과를 통해 PET를 완벽하게 재활용할 수 있습니다.

 

PETase 돌연변이의 초대규모 PET 분해 능력

PETase 효소의 염기서열 및 구조 연구에서는 큐틴 분해 효소와의 유사성을 강조합니다. 이 효소는 많은 식물에서 보호 큐티클의 일부를 구성하는 천연 왁스 중합체인 큐틴을 분해하도록 많은 박테리아에 의해 진화되었습니다. 결정 구조 분석과 생화학 테스트 결과, 이데오넬라 사카이엔시스 2의 PETase가 결합 부위에서 열린 활성 부위 구조를 가지며 기본 세린 가수 분해 효소 촉매 메커니즘에 따라 작용하는 것으로 밝혀졌습니다⁵.   

PETase의 구조 변형과 동종 큐티나제 활성 부위 틈을 기반으로, 이제 촉매 중심 말단에 이중 돌연변이가 나타난 변종을 포함하여 PETase 변형이 생성되었으며 PET 분해 테스트를 거쳤습니다. 이 부위는 중요한 기질 결합 상호작용을 수정할 수 있다는 가설이 세워졌습니다6. 큐티나제 구조를 기반으로 하는 이 이중 돌연변이는 야생형 PETase에 비해 PET 분해 능력이 우수한 것으로 밝혀졌으며⁶ 현재 특허 출원 중에 있습니다⁷. 

연구원들은 큐티나제 내 두 활성 부위 잔여물의 돌연변이를 통해 결합 틈을 좁힌 결과 PET 분해도가 개선되었음을 확인했으며 이는 PET가 풍부한 환경에서의 진화에도 불구하고 PETase가 결정체 PET 분해를 위한 최적의 구조를 보이지 않음을 보여줍니다. 이 돌연변이 효소가 플라스틱 분해를 시작하는 데는 며칠밖에 걸리지 않으며 이는 바다에서 분해하는 수백 년에 비해 엄청나게 빠른 속도입니다.

이중 돌연변이에서 이중 효소 칵테일로

MHETase 효소가 반응에 추가되면 PETase만 사용하는 경우보다 이 효소 혼합물이 PET를 두 배 더 빠른 속도로 분해합니다. 테스트 대상 효소 로딩 범위 내에서 관찰되는 분해 추세는 두 효소 농도가 증가함에 따라 구성 요소 단량체의 수준 또한 증가함을 보여줍니다. 이는 반응이 제한적인 기질이 아닌 효소임을 나타냅니다. 또한 시너지 분석 결과를 보면 PETase 로딩에 따라 분해율이 증가하고 MHETase가 존재하는 경우 PETase에 비해 상대적으로 낮은 농도에서도 전체 분해도가 향상되는 것으로 나타났습니다. 현재 실험에서는 최적의 PETase 대 MHETase 비율은 알 수 없습니다.

수퍼 효소로 PET 분해도 3배 향상

연구원들은 PET 분해의 특성과 범위를 연구하는 추가 실험에서 MHETase와 PETase를 하나의 긴 체인으로 연결하여 새로운 수퍼 효소를 만들었습니다. 유연한 글리신-세린 링커를 사용하여 MHETase의 C 말단을 PETase의 N 말단에 공유 결합 방식으로 연결하는 이 융합 단백질은 생성 후 무정형 PET 분해도에 대한 분석을 마쳤습니다(그림 3). 서로 다른 효소의 분해도 범위를 비교해 보면 융합 단백질이 PETase와 MHETase는 물론 결합이 해제된 효소 혼합물보다도 우수한 성능을 보입니다.  

3가지 다른 융합 효소 스케치" data-entity-type="file" data-entity-uuid="be1accc2-3d3b-4504-b905-8a015a43802f" src="/sites/default/files/inline-images/PET-Figure3.jpg" />

 

흥미로운 사실은 수퍼 효소가 PET를 단량체로 분해할 뿐만 아니라 맥주병에서 사용되는 당류로 만든 바이오플라스틱인 PEF(폴리에틸렌 푸라노에이트)에도 작용한다는 것입니다.  
 
셀룰로스, 키틴과 같은 일부 천연 중합체의 효소 분해는 미생물에서 분비되는 상승 작용 효소의 혼합물에 따라 자연적으로 발생합니다⁸. 이러한 천연 미생물 시스템은 오랜 세월을 거쳐 진화해 왔으며 해당 중합체를 최적화된 상태로 분해합니다. 이데오넬라 사카이엔시스와 같은 일부 토양 박테리아 역시 2-효소 시스템의 폴리에스테르 기질을 활용하여 유사한 방식으로 진화해 왔습니다^4,9. 수백 년이 걸리는 자연 분해와 달리 수퍼 효소는 단 며칠만에 PET를 원래 단량체로 변환시킬 수 있지만 여전히 너무 느려 상용화는 어려운 상황입니다.

플라스틱 분해를 통한 무한 재활용

수퍼 효소가 PET를 최초 단량체 구성 요소로 변환할 수 있다는 것은 플라스틱을 만든 후 계속 재사용함으로써 화석 연료에 대한 의존을 줄일 수 있음을 의미합니다. 혁신은 여기에 그치지 않았습니다… 

2020년, 과학자들은 PET를 단 10시간만에 분해할 수 있는 또 다른 효소를 발견하는 중요한 성과를 거두었습니다¹⁰. 이 연구에서는 2012년 처음 발견된 나뭇잎 퇴비 큐틴 분해효소(LLC)를 포함하여 잠재적 후보 물질에 사용할 수 있는 다양한 박테리아와 효소를 연구했습니다. 결합 부위에서 다양한 아미노산을 적용하고 열 안정성을 개선함으로써 수백 가지 돌연변이 PET 가수 분해 효소가 생성되었습니다. 다음으로 박테리아 돌연변이를 선별하여 효율적인 PET 분해자를 식별할 수 있었습니다. 이 프로세스를 여러 번 실행한 결과, 기존 LCC보다 PET 분해 능력이 10,000배 더 효율적인 돌연변이 효소가 분리되었습니다. 이 효소는 PET의 융해 온도에 가까운 72°C에서도 안정적입니다. 이 연구 결과는 PET의 무한 재활용에 큰 기여를 했으며 이미 산업 현장에서 시험이 진행되고 있습니다¹⁰. 

지금까지의 성과는 이러한 미생물과 그 효소가 제공할 수 있는 가능성의 빙산의 일각에 불과합니다. 대부분의 플라스틱은 한정적인 화석 연료를 기반으로 하며 일상 생활 전반에 걸쳐 사용됩니다. 플라스틱 오염은 순환 경제 구축을 위한 방법을 찾지 못한다면 문제의 심각성이 더욱 커질 것입니다. 기존 폐기물을 재활용할 수 있는 방법을 찾지 못하면 몇십 년 안에 필요한 플라스틱 제품을 생산하지 못하게 될 것입니다. 전통적인 재활용 방법은 효과적이지도 친환경적이지도 않습니다. 또한 산업 전반에 걸쳐 플라스틱을 단량체 구성 요소로 줄일 수 없다면 이 문제를 해결할 수 없습니다. 다행히, 자연의 도움, 기술적 진화, 여기에 약간의 과학적 역량을 더해 이 문제를 해결할 수 있다는 희망을 갖게 되었습니다.  

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참고 문헌

(1)    Pasbrig, E.; Claessens, P.; Walker, R. I.; Walker, R. 블리스터 팩과 같은 제약 포장재용 박리형 커버 필름은 종이, 알루미늄 포일 또는 내열성 플라스틱, 특수 플라스틱 필름막, 메시 또는 패브릭, 알루미늄 포일층, 열 실링층으로 구성됩니다. EP1767347-A1; WO2007038488-A2; EP1928654-A2; AU2006294788-A1; US2008251411-A1; CN101316702-A; CA2623586-A1; JP2009509874-W; TW200727887-A; MX2008004201-A1; IN200801248-P2; ZA200802826-A; BR200616412-A2; WO2007038488-A3; EP1928654-A4. 

(2)    Han, X.; Liu, W. D.; Huang, J. W.; Ma, J. T.; Zheng, Y. Y.; Ko, T. P.; Xu, L. M.; Cheng, Y. S.; Chen, C. C.; Guo, R. T., PET 가수 분해 효소의 촉매 메커니즘에 대한 구조적 통찰 Nature Communications 2017, 8. DOI: 10.1038/s41467-017-02255-z 

(3)    Nimchua, T.; Eveleigh, D. E.; Sangwatanaroj, U.; Punnapayak, H., 섬유 변형을 위한 폴리에틸렌 테레프탈레이트 가수 분해 효소를 생성하는 열대 균류 검사. J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 2008, 35 (8), 843-850. DOI: 10.1007/s10295-008-0356-3 

(4)    Yoshida, S.; Hiraga, K.; Takehana, T.; Taniguchi, I.; Yamaji, H.; Maeda, Y.; Toyohara, K.; Miyamoto, K.; Kimura, Y.; Oda, K., 다량체(에틸렌 테레프탈레이트)를 분해 및 흡수하는 박테리아. Science 2016, 351 (6278), 1196-1199. DOI: 10.1126/science.aad6359 

(5)    Rauwerdink, A.; Kazlauskas, R. J., 동일한 핵심 촉매 장치로 17가지 다른 반응을 촉매하는 방법: 알파/베타-가수 분해 효소 폴드의 세린-히스티딘-아스파르트산 촉매 3가 원소. Acs Catalysis 2015, 5 (10), 6153-6176. DOI: 10.1021/acscatal.5b01539 

(6)    Austin, H. P.; Allen, M. D.; Donohoe, B. S.; Rorrer, N. A.; Kearns, F. L.; Silveira, R. L.; Pollard, B. C.; Dominick, G.; Duman, R.; El Omari, K.; Mykhaylyk, V.; Wagner, A.; Michener, W. E.; Amore, A.; Skaf, M. S.; Crowley, M. F.; Thorne, A. W.; Johnson, C. W.; Woodcock, H. L.; McGeehan, J. E.; Beckham, G. T., 플라스틱 분해 방향족 폴리에스테라제의 특성화 및 설계. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2018, 115 (19), E4350-E4357. DOI: 10.1073/pnas.1718804115 

(7)    Beckham, G. T.; Johnson, C. W.; Donohoe, B. S.; Rorrer, N.; McGeehan, J. E.; Austin, H. P.; Allen, M. D. 활성 부위 잔여물의 아미노산 돌연변이를 구성하는 새로운 변형 폴리에틸렌 테레프탈레이트 소화 효소를 사용하여 폴리에스테르, 방향족 중합체 또는 반방향족 중합체와 폴리에틸렌 테레프탈레이트 등의 중합체를 분해하는 데 사용됩니다. WO2019168811-A1. 

(8)    Payne, C. M.; Knott, B. C.; Mayes, H. B.; Hansson, H.; Himmel, M. E.; Sandgren, M.; Stahlberg, J.; Beckham, G. T., Fungal Cellulases. Chem. Rev. 2015, 115 (3), 1308-1448. DOI: 10.1021/cr500351c 

(9)    Taniguchi, I.; Yoshida, S.; Hiraga, K.; Miyamoto, K.; Kimura, Y.; Oda, K., PET의 생물 분해: 현황과 응용 양상. Acs Catalysis 2019, 9 (5), 4089-4105. DOI: 10.1021/acscatal.8b05171 

(10)    Tournier, V.; Topham, C. M.; Gilles, A.; David, B.; Folgoas, C.; Moya-Leclair, E.; Kamionka, E.; Desrousseaux, M. L.; Texier, H.; Gavalda, S.; Cot, M.; Guémard, E.; Dalibey, M.; Nomme, J.; Cioci, G.; Barbe, S.; Chateau, M.; André, I.; Duquesne, S.; Marty, A., 플라스틱 병을 분해 및 재활용하도록 설계된 PET 해중합 효소. Nature 2020, 580 (7802), 216-219. DOI: 10.1038/s41586-020-2149-4 

하계 올림픽은 놀라운 승리, 투지, 경기 기록이 펼쳐지는 멋진 행사입니다. 선수들은 항상 규칙 범위 내에서 최선의 방법(식이요법, 고압실, 냉동 요법 등)을 찾으며 경기력 향상 약물(PED)은 절대로 넘어서는 안 되는 경계선입니다. 경기력 향상 약물(PED)은 국제올림픽위원회(International Olympic Committee), 미국 도핑방지위원회(US Anti-Doping Agency), 세계도핑방지기구(World Anti-Doping Agency)로부터 지속적인 조사, 추적 및 테스트를 받고 있습니다. 약물과 방법의 계속된 진화에도 불구하고 단백동화남성화 스테로이드(AAS)는 올림픽에서 투르 드 프랑스, 철인 3종 경기는 물론 크로스핏 경기 같은 보다 전문적인 스포츠에서도 주된 경기력 향상 약물로 사용되고 있습니다. 이 블로그에서는 대표적인 경기력 향상 약물과 그러한 약물의 검출 방법을 세부적으로 알아봅니다.

경기력 향상 약물이란?

스테로이드와 그 대사 산물, 테스토스테론을 검출하기 위한 분석 프로토콜을 개발하는 데는 해당 물질에 대한 구조적 이해가 중요합니다. 테스토스테론(T)은 자연적으로 생성되는 호르몬으로, 안드로겐 수용체의 기본 리간드입니다. 이 수용체가 테스토스테론 또는 합성 스테로이드와 같은 안드로겐과 결합되어 활성화되면 근력, 골밀도, 적혈구 세포 생산 증가와 같은 매력적인 경기력 향상 효과가 나타납니다. 강한 근력과 높은 골밀도는 운동 선수들에게 분명한 이점이며 적혈구 세포 생산 증가 역시 근육과 장기에 더 많은 산소를 공급하여 에너지 생성과 회복에 도움을 줍니다. 따라서 합성 또는 천연 테스토스테론은 모두가 단백동화 스테로이드의 기초 성분입니다.

단백동화 스테로이드는 다음과 같은 세 가지 유형으로 분류됩니다(아래 그림 1 참조).

• 테스토스테론 파생물
• 5α-디히드로테스토스테론(DHT) 파생물
• 19-노르테스토스테론 파생물

그림 1: 일반 단백동화 안드로겐성 테스토스테론 파생물, 5α-디하이드로테스토스테론 파생물, 19-노르테스토스테론 파생물과 비교한 테스토스테론 구조.

구조, 기질 활동, 반감기의 차이가 이들 단백동화 안드로겐성 테스토스테론 파생물의 생물학적 특성에 영향을 미칩니다. 테스토스테론은 자연적으로 생성되는 물질이기 때문에 이러한 차이는 해당 화합물의 검출 방법을 설계하는 토대가 됩니다.

경기력 향상 약물의 검출 방법

각 약물마다 주요 대사 물질을 식별하는 것이 직접 소변, 혈액 또는 타액 진단 테스트를 개발하는 첫 번째 단계입니다. 인체는 천연(내인성) 테스토스테론(T)과 에피테스토스테론(E)을 약 0.4-2 비율로 생성합니다(그림 2A)¹. 첫 번째 검출 방법 중 하나는 단순히 소변 샘플의 테스토스테론과 에피테스토스테론의 비율을 측정했습니다. T/E 비율이 4를 초과하면 외인성 테스토스테론 생성물 도핑이 의심됩니다. 외인성 테스토스테론 존재 사실을 확인하기 위해 실험실에서는 테스토스테론 내 ¹³C:¹²C의 동위원소 비율을 측정할 수 있습니다. 실험실에서 만든 테스토스테론은 내인성 T²보다 ¹³C:¹²C의 비율이 약간 더 낮습니다. 이 방법은 2006년 투르 드 프랑스에 참가한 Floyd Landis의 경기력을 조사하는 데 사용되었으며 그는 실제로 외인성 테스토스테론을 사용한 것으로 밝혀졌습니다.

그림 2. 단백동화남성화 스테로이드 검출을 위한 테스트 매개변수 A: 인체 내에서 0.4-2 비율로 생성되는 테스토스테론(T)과 에피테스토스테론(E)의 구조. T/E 값이 4보다 크면 AAS 도핑 증거로 간주됩니다. B: 소변 검사 방식의 스타노졸롤 검출에 필요한 대사 및 분석 절차.

경기장에서 스테로이드 약물이 처음 발견되면 규제 기관이 해당 약물 검출과 분석을 위해 그 특성과 대사 과정을 이해해야 합니다. 1988년 서울 올림픽에서 육상 선수 Ben Johnson이 세계 기록을 세웠지만 테스트 결과 스타노졸롤 양성 판정을 받고 금메달이 박탈된 사례가 있습니다. 이 약물의 검출 방법을 개발하기 위해 연구원들은 스타노졸롤의 대사와 가장 정확한 검출 방법을 이해해야 했습니다. 오랜 시간 검증을 거친 가스크로마토그래피-질량분석법(GC-MS)³으로 대사 물질을 검출하는 데 필요한 샘플 처리와 함께 스타노졸롤의 주요 대사 경로가 그림 2B에 세로 경로로 나와 있습니다. 그러나 스타노졸롤은 17-에피-스타노졸롤-N-글루쿠로나이드라는 또 다른 소량의 대사 물질을 생성합니다(그림 2B의 가로 경로). 이 대사 물질은 수명이 길어 투여 후 28일까지 검출될 수 있습니다! 이 대사 물질로 스타노졸롤을 검출하기 위해 전기분무 이온화(ESI), 액체 색층분석 질량 분광법(LC-MS)을 활용하는 복잡한 방법의 조합이 최근 개발되었습니다. 간단히 말해, 이들 기법은 질량으로 분리 및 식별될 수 있는 이온을 생성하여 해당 대사 물질을 특성화하고 식별합니다.

경기력 향상 약물이 계속 문제가 되는 이유

과학자들이 2000년대 초반 알게 된 단백동화남성화 스테로이드 검출 기법을 개선하기 위해 노력하는 동안 Barry Bonds는 홈런을 치며 경기력을 발휘하고 있었습니다. MLB는 Bonds와 다른 선수가 강력한 동화작용 효과를 내면서 동시에 반도핑 테스트 프로토콜을 고려하여 특별히 고안된 새로운 합성 스테로이드인 테트라하이드로게스트리논(THG)을 몰래 사용해 왔다는 사실을 알지 못했습니다. 반도핑 프로그램에 해당 물질의 존재 여부에 대한 정보나 대사 물질에 대한 정보가 없었기 때문에 “더 클리어(The Clear)”라는 별칭을 가진 THG는 처음에는 소변에서 검출되지 않았습니다. 조사 과정에서 사용한 주사기의 잔여물에서 THG 샘플이 추출 및 식별되었으며 이후 검사하기 위한 LC-MS/MS 방법이 쉽게 개발될 수 있었습니다⁴.

이 야구 스캔들은 반도핑 프로그램에서 AAS의 직접 검출을 둘러싼 몇몇 이슈의 대표적인 사례입니다. 우선, 검사 프로세스는 알려진 물질의 알려진 대사 물질을 조사합니다. 따라서 우수한 장비를 갖춘 조직이 아직까지 검출 회피 사례가 없는 "디자이너 스테로이드"를 합성할 수 있습니다. 테스트 프로토콜이 구축되어 있더라도 테스트를 자주 하지 않으면(일례로 MLB에서는 연간 2회 테스트 실시) 스테로이드 사용이 검출되지 않을 수 있습니다. 테스트 간격이 길어질수록 스테로이드 대사 물질의 농도가 검출 한계 아래로 보다 쉽게 감소할 수 있습니다. 운동 선수가 검출을 회피하기 위해 은폐제와 이뇨제를 사용할 수도 있습니다⁵. 이는 테스트를 관리하는 데 또 다른 부담으로 작용합니다.

반도핑기구들은 이러한 문제점과 함께 방지 노력에도 불구하고 경기력 향상 약물이 계속 사용되고 있다는 사실을 알고 있었습니다. 1990년대 초, 외인성 약물이 없더라도 테스토스테론과 그 전구 물질 및 대사 물질의 농도와 비율이 소변에서 명확하게 안정적인 상태를 유지하며 단백동화남성화 스테로이드가 이 안정적인 수치에 지속적인 영향을 미친다는 사실이 연구 결과 밝혀졌습니다. 그러나 연구원들은 이러한 비율의 비정상적인 값 검출을 공식화하기 위해 2007년 베이지안 추론을 채택했습니다. 이러한 비율과 혈액학적 측면이 선수생체수첩(ABP)을 구성합니다. 이 수첩은 경기력 향상 약물에 대한 검출 성능을 높일 수 있는 강력한 벤치마킹 도구입니다.

미래의 경기력 향상 약물에 대한 모니터링 기술 발전

체외 생물검정은 안드로겐 검출을 위한 또 다른 유망한 비표적화 방식입니다. 이 방법은 안드로겐 반응 요소를 조절한 상태에서 세포를 리포터 단백질로 교체함으로써 그 소스에 관계없이 안드로겐 수용체 활성화를 검출할 수 있습니다⁶. 따라서 최근 몇년 동안 운동선수들이 금지된 약물을 실수로 섭취하게 만든 식이 보조제의 경우처럼 알려지지 않은 구성의 샘플에서 안드로겐을 생물검정 방식으로 쉽게 검출할 수 있습니다. 비표적화 생물 작용 기반 검출 방법을 더 개발함으로써 연구원들이 새로운 안드로겐 특성을 분석하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 이러한 안드로겐은 천연 스테로이드이거나 새로운 선택적 안드로겐 수용체 조절자의 일부일 수 있으며 테스토스테론과 구조적으로 다르고 대사 작용으로 이해되지 않습니다⁷(그림 3).

그림 3. 남용된 잘 알려진 선택적 안드로겐 수용체 조절자(SARM)의 화학 구조.

요약

올림픽 경기뿐만 아니라 개인의 도핑 스캔들이 계속될 것이라는 점은 의심의 여지가 없는 사실이며 경우에 따라서는 소속 조직의 지시도 있을 것입니다. 이는 엘리트 스포츠의 명백한 속성입니다. 검출을 회피하기 위해 디자이너 약물을 사용하는 경우 해당 화합물은 당연히 안전성에 대한 임상적 테스트가 이루어지지 않았을 것이며 선수 건강이 위험에 처하게 됩니다. 그러나 스포츠 단체가 약리학을 활용한 창의적인 노력을 계속 기울이면서 과학계 역시 반도핑 기관에 경기력 향상 약물을 검출하는 데 필요한 지식과 분석 능력을 제공할 것입니다. 이러한 능력을 극대화함으로써 도핑을 최소화하고 스포츠를 통한 건강을 촉진하며 공정성의 가치를 유지하는 데 도움이 될 수 있을 것입니다.

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참고 문헌

1. Donike, M., Nachweis von exogenem Testosteron. Dt. Ärzte-Verl.: Köln, 1983; p S. 293-298.

2. Polet, M.; Van Eenoo, P., 일반 도핑 관리 업무에서의 GC-C-IRMS: 3년 간에 걸친 약물 테스트 데이터, 품질 관리 및 방법의 혁신. Anal Bioanal Chem 2015, 407 (15), 4397-409.

3. Schänzer, W.;  Opfermann, G.; Donike, M., 스타노졸롤 대사: 소변 대사 산물의 식별과 합성. J Steroid Biochem 1990, 36 (1-2), 153-74.

4. Catlin, D. H.;  Sekera, M. H.;  Ahrens, B. D.;  Starcevic, B.;  Chang, Y. C.; Hatton, C. K., 테트라하이드로게스트리논: 발견, 합성 및 소변 내 검출. Rapid Commun Mass Spectrom 2004, 18 (12), 1245-049.

5. Alquraini, H.; Auchus, R. J., 운동 선수가 단백동화남성화 스테로이드 도핑 검출과 제재를 피하기 위해 사용하는 방법. Molecular and Cellular Endocrinology 2018, 464, 28-33.

6. Lund, R. A.;  Cooper, E. R.;  Wang, H.;  Ashley, Z.;  Cawley, A. T.; Heather, A. K., 디자이너 안드로겐의 비표적화 검출: 체내 생물검정의 과소평가된 역할. Drug Testing and Analysis 2021, 13 (5), 894-902.

7.Thevis, M.; Schänzer, W., 도핑 관리 분석에 있어 SARM 검출. Molecular and Cellular Endocrinology 2018, 464, 34-45.

 

나노 기술 혁신으로 백신 생산 가속화

델타 변이에 따라 COVID-19 핫스팟이 계속 생겨나고 있지만 데이터상으로는 아직까지 백신 접종이 입원과 사망을 예방하는 데 효과적인 것으로 나타나고 있습니다. 전세계적으로 40억 회가 넘는 백신 접종이 이루어졌지만 COVID-19 백신을 한 번 이상 접종한 비율은 전세계 인구의 27%이며 저소득 국가 국민의 접종률은 1.1%에 불과합니다. 이들 백신의 생산과 배포에는 냉장, 비용 및 운반과 같은 많은 공급망 과제가 존재하지만 그중 하나가 바로 백신에 필요한 지질 나노 입자의 생산입니다.

그림 1: 국가 및 대륙별 백신 접종 현황

mRNA 치료법에 있어 지질 나노 입자의 역할

mRNA 치료법을 인체에 적용하기 위해서는 핵산의 본질적인 불안정성과 특징에 따른 다음과 같은 주요 과제를 해결해야 합니다.

• 음전하와 친수성이 바이오-멤브레인 간 수동 확산 차단
• 혈청 단백질과의 연관성, 포식 세포 흡수, 내생 뉴클레아제에 따른 분해로 효율적인 전달 방해
• 분해를 방지하고 표적 세포로 전달하여 흡수 효율성을 높이기 위한 전달 벡터 필요  

지질 나노 입자(LNP)는 최근 mRNA COVID-19 백신 사례를 통해 mRNA를 효과적으로 보호하고 세포로 전달할 수 있는 것으로 입증되었습니다.  

지질 나노 입자 생산이 백신 생산에 미치는 영향

치료제 생산 확대는 어려운 일이지만 전세계적인 백신 수요를 충족하기 위해 이러한 지질 나노 입자를 생산해야 하는 것이 주요 과제입니다. 이러한 백신 용도로 개발 및 최적화된 전용 이온화 양이온성 지질을 합성하려면 복잡한 다단계 프로세스를 거쳐야 합니다. 그러나 대규모 LNP 생산에 있어 더 큰 과제는 지질과 mRNA를 나노 입자에 결합하는 것입니다.

실제로 제약 처방 약물을 효율적으로 생산하기 위해서는 제조 기법이 가장 중요합니다. 박막 수화, 역상 증발, 솔벤트 주입, 세제 제거 등을 포함하되 이에 한정되지 않는 전통적인 LNP 제조 방식의 경우 일반적으로 피막 형성 수득률이 낮은 크고(>100 nm) 이질적인 입자가 생성되므로 압출 또는 초음파 분해와 같은 소형화 단계가 추가적으로 필요합니다. 또한 이러한 방법은 확장이 어려워 지속적인 재현이 불가능합니다. 

새로운 미세 유체 공학적 접근법

최근 LNP 생산에 있어 미세 유체 공학적 접근법의 효과가 입증되었습니다. 미세 유체 공학적 방식에서는 알코올 지질 용액이 수상의 동축류와 피복 형태로 교차되는 채널을 통해 생성됩니다(그림 2A). 알코올/물 인터페이스에 알코올과 물의 상호 확산이 이루어지면 지질이 침전되어 자체적으로 LNP에 포함됩니다. 미세 유체 공학적 기법은 강력하고 확장 가능하며 재현성이 우수합니다. mRNA 백신 제형의 경우, 지질 혼합물에는 이온화 양이온성 지질과 PEG-지질, 헬퍼 지질(포스파티딜콜린, 콜레스테롤)이 함께 포함되며 수상에는 핵산이 포함됩니다. 양이온성 지질과 음전화 핵산의 상호 작용을 통해 캡슐화 효율성이 우수한 LNP가 만들어집니다. 유량, 구성비와 같은 미세 유체 작동 매개 변수를 정확하게 제어함으로써 정의된 크기와 작은 크기의 LNP를 생산할 수 있습니다. 그러나 공정 처리량은 10 mL/h 미만으로 제한적이어서 대규모 mRNA 백신 생산에 병목 현상이 발생합니다.

그림 2. 단일 채널 미세 유체 공학 장치(A)와 병렬 방식으로 작동하는 128개 마이크로믹싱 채널을 포함하는 새로운 병렬식 미세 유체 공학 장치(B)

조기 결과의 유용성

최근 제조 기술의 혁신은 현재 미세 유체 공학적 생산율을 100배 넘게 향상시켰습니다. 병렬로 작동하는 128개 마이크로믹싱 채널을 포함하는 미세 유체 장치(병렬 방식 미세 유체 장치)가 구성되었으며, 초대규모 미세 유체 통합(VLSMI) 플랫폼 기술을 활용합니다. 이러한 채널은 정밀한 양의 지질과 mRNA를 혼합하여 캡슐화된 mRNA의 크기와 양이 정확하게 제어되는 지질 나노 입자를 만듭니다. 장치의 처리량은 단일 채널 미세 유체 장치(18.4 L/h) 대비 100배가 넘으며 높은 추가 확장 가능성을 제공하므로 RNA 전달 지질 나노 입자를 대량 생산할 수 있습니다. 발표된 결과에 따르면 병렬 방식 미세 유체 장치가 siRNA 및 mRNA 기반 치료법과 백신에서 효과적으로 사용되는 지질 나노 입자를 생산하는 것으로 나타났습니다.  

더 많은 mRNA 치료법을 지원하게 될 지질 나노 입자 생산

그러한 백신과 치료법을 개발함으로써 유전자 편집과 단백질 대체 치료법으로 의학 혁신을 촉진할 수 있습니다. 현재 LNP 기반 mRNA 백신은 다양한 감염병에 대한 임상 시험 단계에 돌입했습니다(예: 지카 바이러스, 거대세포 바이러스, 결핵, 인플루엔자 치료를 위한 뉴클레오시드 변형 mRNA 백신). mRNA 치료 백신은 또한 흑색종, 난소암, 유방암 및 기타 고형 종양에 대한 면역항암제에 큰 효과가 있습니다.

치료 단백질 발현에 mRNA를 사용하면 단백질 대체 요법을 통해 다양한 질병을 효과적으로 치료할 수 있습니다. 새로 개발된 이 미세 유체 제조 기술은 확장 가능하고 고도로 정밀하며 재현 가능한 LNP 생산과 관련한 임상적 요구를 충족하므로 다양한 RNA 치료법과 백신에 필요한 LNP를 빠르게 만들어 낼 수 있습니다. 이 기술만으로 전세계를 대상으로 한 배포 과제를 해결할 수는 없지만 mRNA를 통한 새로운 잠재적 치료법과 백신 시대에 중대한 발전을 가져올 것입니다.

 

최근 mRNA 부스터샷 접종 권고 발표와 함께 자신과 가족이 COVID-19 부스터샷을 접종해야 하는지 여부와 그 과학적 근거를 묻는 사람들이 많아졌습니다. 이 블로그는 부스터샷의 기본 원리를 설명하고 최신 전문가 권고 사항을 검토하며 새롭게 발표된 연구 결과를 살펴봅니다.  

COVID-19 부스터샷이란?

COVID-19 부스터샷은 간단히 말해 백신을 접종한 사람이 추가로 백신을 접종하는 것입니다. 즉 Pfizer-BioNTech 또는 Moderna의 mRNA 백신 2회 또는 Johnson & Johnson의 바이러스 벡터 백신 1회를 추가로 접종해 일반적인 면역 반응 효과를 얻게 됩니다. 부스터샷 백신은 이름 그대로 최초 접종한 백신의 예방 효과를 높여주며, 개인의 면역 체계에 자극을 주어 추가 항체와 기억 B 세포 및 T 세포를 만들어냅니다.

많은 사람들에게 친숙한 성인 부스터샷 백신으로는 Tdap(디프테리아, 파상풍, 무세포성 백일해) 부스터샷이 있습니다. 미국 질병관리본부(CDC)에서는 성인 부스터샷을 10년 간격으로 접종하도록 권장하고 있지만 특수한 경우에도 부스터샷 접종을 장려하고 있습니다. 예를 들어 유아의 부모와 간병인의 경우 연약한 영유아의 백일해 감염을 막기 위한 예방 백신 차원에서 Tdap 부스터샷을 접종하도록 장려합니다. Tdap 부스터샷은 부상에 따른 파상풍 위험이 있는 경우에도 접종이 권장됩니다. 이 경우 면역 체계가 파상풍 감염을 유발하는 세균독소에 반응하도록 "촉진"하는 효과가 있습니다.

COVID-19 부스터샷을 접종하면 최초 접종한 백신이 제공하는 체액 및 세포 면역력이 모두 강화되어 면역 체계가 SARS-CoV-2 바이러스에 노출될 때 더 빠르게 대응할 수 있습니다.

COVID-19 백신 부스터샷을 권장하는 이유는 무엇인가요?  

특정한 경우, 면역력이 약해진 사람에 대한 추가 접종과 고위험군을 대상으로 한 부스터샷이 유익한 효과를 가져온다는 명확한 증거가 존재합니다. 아래 데이터는 변이 출현, 면역력 약화, 많은 양의 바이러스에 대한 노출 시 COVID-19 백신의 효과가 감소한다는 사실을 보여줍니다. 2021년 여름, 대부분 지역에서 전염성이 강한 델타 변이가 우세종이 된 후 사례 수가 많아지면서 백신 효과에 대한 인식이 바뀌었습니다. 또 다른 시사점은 미국의 경우 공공 장소에서의 마스크 착용과 같은 많은 COVID-19 공중 보건 지시가 2021년 여름 또는 그 이전에 종료되었다는 것입니다.

• CDC 연구에 따르면 양로원 대상 모집단의 경우 mRNA 백신 접종 효과가 2021년 3월 74.7%에서 2021년 7월 53.1%로 감소했습니다.
• 이스라엘 연구에서는 백신을 먼저 접종한 사람이 늦게 접종한 사람에 비해 감염 위험이 크게 높은 것으로 나타났습니다. 2021년 1월에 백신을 접종한 사람은 2021년 4월 백신을 접종한 사람에 비해 돌파 감염 위험이 2.26배 더 증가했습니다. 미국과 마찬가지로 이스라엘 역시 나이와 건강 상태를 고려하여 가장 취약한 계층에 먼저 백신을 접종했습니다. 따라서 백신을 최초로 접종한 사람들이 COVID-19 감염 위험이 가장 높았습니다. 12세 이상 이스라엘 인구의 78%가 Pfizer-BioNTech BNT162b2 COVID-19 백신을 접종했습니다.
• 뉴욕 연구 결과 역시 델타 변이가 우세종이 되면서 뉴욕에서 백신을 접종한 성인의 감염 예방 효과가 2021년 5월 91.7%에서 2021년 7월 79.8%로 감소한 것으로 나타났습니다.
• 영국의 ZOE COVID 연구에서 수집한 데이터를 분석한 영국 연구 사례도 있습니다. 이 연구에서는 델타 변이 출현과 함께 Pfizer-BioNTech 백신 효능이 백신 접종 완료 후 1개월 시점의 88%에서 백신 접종 완료 후 5개월 또는 6개월 시점에 74%로 감소한 사실을 발견했습니다. Oxford-AstraZeneca 바이러스 벡터 백신의 효능은 접종 완료 후 1개월 시점의 77%에서 접종 완료 후 4개월 또는 5개월 시점에 67%로 감소했습니다.
• 캘리포니아대학교 샌디에이고 건강 연구팀(UCSDH)은 2021년 6월에서 7월까지 의료 종사자의 백신 효능이 급격하게 감소했다는 점을 확인했습니다. 3월에서 6월 사이 백신 효능이 90%를 넘은 반면 7월에는 65.5%까지 떨어졌습니다. 7월 말까지 UCSDH 사례의 95%가 델타 변이에 대한 것이었습니다.

미국 백신 제조업체의 부스터샷 백신 접종 권고 사항

백신	권고 사항
Pfizer-BioTech BNT162b2	접종 완료 6~12개월 후 부스터샷 접종
Moderna mRNA-1273	접종 완료 6개월 후 부스터샷 접종
Johnson & Johnson COVID-19 백신	접종 완료 8개월 후 부스터샷 접종

현재 Pfizer-BioNTech 및 Johnson & Johnson(18~64세)은 현재 백신의 표준 투여량을 권고하고 있으며 Moderna는 표준 투여량 100 µg보다 적은 50 µg 투여량을 권고하고 있습니다. Johnson & Johnson은 65세 이상인 경우 부스터샷 투여량을 줄이도록 권고하고 있습니다.

CDC와 FDA는 COVID-19 백신 부스터샷에 대해 어떤 의견을 갖고 있나요?

면역력이 약해 면역 반응이 약하고 COVID-19로 인한 중증 질환, 입원 및 사망 위험에 취약한 계층의 경우 추가 접종의 필요성에 대한 강력한 증거가 존재합니다. 전문가들은 위험 계층의 부스터샷 효과에 대해서는 동의하지만 일선 종사자와 일반 대중에 대한 정부 기관의 권고 내용에는 차이가 있습니다.  

기관	위험 계층*	일선 종사자	일반 대중
CDC	권고	권고	미권고
HHS	권고	권고	권고
FDA	권고	권고	미권고

*면역력이 약한 사람 또는 65세 이상인 자.

8월 중순, 미국식품의약국(FDA)은 면역력이 약한 개인을 대상으로 한 Pfizer-BioNTech(BNT162b2) 또는 Moderna COVID-19(mRNA-1273) 백신의 추가 접종을 승인했습니다. 이후 일주일 내에 미국보건복지부(HHS)에서는 모든 개인을 대상으로 한 COVID-19 부스터샷 백신 접종 권고를 발표했습니다. 당시 FDA 및 미국질병통제예방센터(CDC)의 승인과 권고는 보류 상태였습니다. CDC는 현재 Pfizer-BioNTech 또는 Moderna COVID-19 백신을 접종했지만 면역 체계가 다소 또는 심각한 수준으로 약한 사람들을 보호하기 위해 이들을 대상으로 한 3차 백신 접종을 권고하고 있습니다.

그러나 FDA 자문위원회는 2021년 9월 17일 회의를 마친 후 해당 시점에서 일반 대중을 대상으로 한 부스터샷 백신의 효능을 뒷받침할 수 있는 과학적 증거가 존재하지 않는다는 결론을 내렸습니다. 현재 백신 접종 방식만으로도 COVID-19로 인한 중증 질환, 입원 및 사망 위험을 매우 효과적으로 방지할 수 있기 때문입니다. 과학적으로는, 기존 백신이 새로운 변이에도 불구하고 최초 개발 방식에 따라 효과를 보이고 있다는 점에서 언론 또한 긍정적이었습니다. 그러나 광범위한 부스터샷 접종을 뒷받침하는 과학적 근거가 마련된다면 이러한 FDA 자문위원회 권고 내용은 재고될 것입니다.

가장 최근인 9월 22일, FDA는 65세 이상이거나 중중 질환 위험이 높고 2차 접종 후 6개월이 경과한 사람에게 Pfizer-BioNTech의 COVID-19 부스터샷 백신을 접종할 것을 공식적으로 권고했습니다. FDA는 또한 의료 종사자, 응급 의료요원, 직업상 특수 위험에 노출되어 있는 경우 부스터샷 접종 의무를 규정했습니다. 교사와 같은 직군도 여기에 포함됩니다.

9월 23일, CDC의 예방접종자문위원회(ACIP)는 65세 이상인 사람, 장기 요양원 입원 환자, 기저 질환이 있는 18~64세를 대상으로 한 Pfizer-BioNtech Covid-19 백신 부스터샷 접종 권고에 대한 투표를 실시했습니다. 그러나 의료 종사자, 응급 의료요원, 교사 등 직업 또는 근무 장소의 특성상 COVID-19 감염 위험이 높은 18~64세 성인을 대상으로 한 부스터샷 접종 권고에 반대했습니다. 위원회는 더 많은 증거가 확보될 때 이 권고 내용을 재고할 예정입니다.  

몇 시간 후 CDC 디렉터, Rochelle Walensky 박사는 Pfizer-BioNtech Covid-19 백신 부스터샷에 대한 공식 권고안에 서명했습니다. 그러나 그 내용은 자문 위원회 회의 결과와 달랐습니다. 그녀는 FDA 권고 내용에 따라 직업 또는 근무 장소의 특성상 COVID-19 감염 위험이 높은 18~64세 성인을 대상으로 한 부스터샷 접종 권고를 포함했으며 그 근거로 국가 공중 보건에 대한 최선의 이익을 인용했습니다.

부스터샷은 1차 접종과 같은 백신을 접종해야 하나요? 

CDC는 현재 기존 Pfizer-BioNTech 또는 Moderna의 COVID-19 백신 접종자의 경우 같은 mRNA 백신을 3차에 접종하도록 권고하고 있습니다. 1, 2차 접종한 mRNA 백신을 구할 수 없거나 접종한 백신을 알지 못하는 경우에는 두 가지 mRNA COVID-19 백신 모두 부스터샷으로 적합합니다.

그러나 초기 연구 결과에 따르면 영국, 독일, 스페인의 경우 백신을 교차 접종하면 바이러스 벡터 백신을 2차례 투여한 사람보다 더 많은 항체가 생성된다고 나타났습니다. 이 연구에서는 1차 접종 때 Oxford-AstraZeneca 바이러스 벡터 백신을 사용하여 면역 체계를 "준비"했으며 2차 접종 시 Pfizer-BioNTech mRNA 백신을 사용하여 면역력을 "촉진"했습니다. 백신 유형마다 면역 체계의 다른 영역에 자극을 주므로 바이러스 벡터 백신만 투여하는 것보다 강력한 면역 반응을 일으킬 수 있습니다.

미국국립보건원(NIH)은 현재 COVID-19 백신 교차 접종으로 부스터샷 교차 접종에 따른 안전성과 면역원성을 확인하기 위해 제1/2상 임상 시험을 수행하고 있습니다.  

CAS COVID-19 관련 자료:

부스터샷이 개인의 증상 감염을 치료하는 데 도움을 줄 수는 있지만 COVID-19 팬데믹을 종식시킬 수 있는 방법은 아닙니다. 전세계적인 예방 접종, 부스터샷 접종, 마스크 착용, 사회적 거리두기 등을 통한 대규모 질병 발병 예방으로 COVID-19 바이러스 변이에 대비하려는 노력은 계속되는 바이러스성 돌연변이와 전파 위험을 최소화하는 데 여전히 중요한 역할을 합니다. COVID-19 백신, 기술 및 혁신 사례에 대한 최신 정보를 얻으려면 COVID-19 관련 자료를 참조하십시오. CAS의 모든 간행물, 데이터 집합, 통찰력을 확인할 수 있습니다.

 

 

10년 전 Nature에 발표된 한 논문에서 “리튬, 새로운 황금인가?"라는 질문을 던졌습니다. 이는 리튬 이온 배터리(LIB)에서의 금속 사용과 자원 매장량, 수요의 불확실성을 고려한 질문이었습니다. 오늘날 리튬 이온 배터리의 재활용 산물로 금속이 풍부한 물질을 의미하는 ‘블랙 매스(black mass)’를 리튬 이온 시장의 새로운 "황금"으로 볼 수 있을 것입니다. 현재 전세계 LIB 시장의 전체 규모는 410억 달러에 달하며 2030년까지 1160억 달러 규모로 증가할 것으로 예상됩니다.

또한 2040년에는 전세계에서 판매되는 모든 차량의 58%가 전기 자동차로 대체될 것이며 관련 일반 폐기물의 양은 최대 8백만 톤에 이를 것으로 예상됩니다. 이러한 예측에도 불구하고 현재 전세계 LIB 재활용율은 5%에 불과하며 이는 환경과 지구 광물 자원이 위험한 상황에 처해 있다는 것을 의미합니다.

CAS 정식 보고서에서 다룬 내용을 살펴보면 LIB 재활용은 배터리 재료의 금전적 가치 변화, 배터리 설계 및 재료와 재활용 시설 내 기술적 융합의 부족(및 관련 재활용 인력 비용)을 비롯한 다양한 요인의 영향을 받기 때문입니다. 재료 보안, 안전 및 환경 이점을 포함하여 재활용 이점의 활용 부족과 세계 각국의 재활용 규정 부재 또한 주요 요인입니다.

리튬 이온 배터리 재활용 과제에 대한 대처

리튬 이온 배터리 재활용 과제는 엄청난 성장 기회를 함께 가져다 줍니다. 예를 들어, 2019년 전세계 생산에서 재활용된 약 50만 톤의 배터리에서 15,000톤의 알루미늄, 35,000톤의 인, 45,000톤의 구리, 60,000톤의 코발트, 75,000톤의 리튬, 90,000톤의 철을 회수할 수 있었으며 이는 물질 보안과 함께 경제 및 환경 측면에서 큰 이점을 제공합니다.

CAS 정식 보고서에도 나와 있듯이 리튬 이온 배터리 재활용에 대한 관심이 빠르게 증가하는 것은 당연한 일이며 ‘블랙 매스’에 대한 일반 대중의 관심 급증 또한 이러한 추세를 반영합니다. CAS Content Collection™은 리튬 이온 배터리 재활용에 대한 과거 학술지와 특허 문헌에 대한 고유한 접근 방식으로 재활용 가능 배터리의 새로운 동향을 파악하고 일회용 재료의 용도를 새롭게 정의하며 미래 기회를 예측할 수 있도록 했습니다.

현재 사용되고 있는 리튬 이온 배터리 재활용 방법

대부분의 경우 습식 제련과 건식 야금법의 조합이 LIB를 처리하는 데 사용되지만 직접 재활용에 대한 인기도 높아지고 있습니다(다음 내용 참조). 습식 제련은 용액(주로 수용성)을 사용하여 배터리 재료에서 금속을 추출 및 분리합니다. 건식 제련은 열을 사용하여 배터리 재료에 사용되는 금속 산화물을 금속 또는 금속 화합물로 변환합니다. 직접 재활용은 음극 재료를 제거한 후 재사용 또는 재생 과정을 거칩니다.

라이 사이클에서 증가하는 연구 동향

지난 10년 간 전세계 과학 간행물 수가 점진적으로 증가한 한편, 라이 사이클 주제 관련 연간 간행물 증가율(32%)이 그 새로운 관심도를 반영하여 전체 과학 간행물 증가율(연간 4%)보다 훨씬 높은 것으로 나타났습니다.

이와 같은 맥락에서, 3가지 LIB 재활용 방법과 관련된 간행물 수가 지난 10년 간 전반적인 증가 추세를 보였으며 최근 그 증가세가 더욱 커졌습니다(그림 2). 그중에서도 중국이 학술지와 특허 간행물에서 모두 가장 높은 비율을 나타냈습니다(전체 간행물의 약 90%, 그림 3 참조).

 

사용한 특정 프로세스 관점에서는 2015년 이후 습식 제련 방식이 건식 제련 방식을 크게 앞질렀으며 최근에는 직접 재료 재활용 또한 크게 증가했습니다(그림 2). 과거 연구량이 많지 않았던 LIB 구성품(보다 종합적이고 새로운 재활용 관리에 대한 관심 시사)과 LIB 분해에 대해서도 많은 연구 노력이 이어지고 있습니다(그림 4). 배터리 분해는 재활용 가능한 재료의 양을 극대화할 수 있다는 점에서 바람직한 시도입니다.

전세계 배터리 재활용 역량

현재 LIB 재활용 역량은 동아시아 지역에 집중되어 있습니다. 그중 중국이 전세계 재활용 역량의 절반 이상을 차지하고 나머지 LIB 재활용 역량의 대부분은 유럽이 보유하고 있습니다(그림 5). 제안된 LIB 재활용 시설은 재활용 역량을 약 25% 개선하며 대부분의 새로운 역량은 북미 지역에 집중되어 있습니다. 현재 재활용 역량을 갖추는 데는 LIB 재활용 규제 효과가 영향을 미치고 있으며 향후 역량을 갖추는 데는 경제적 동기가 더 큰 영향을 미치게 될 것입니다.

 

전세계 리튬 이온 배터리 재활용 규제 현황

전반적으로 리튬 이온 배터리 재활용 규제가 증가하고 있습니다. 많은 국가들이 재활용 방법에 대한 연구 자금을 지원하고 있으며 리튬 이온 배터리 재활용법을 보유하고 있는 국가도 많습니다. 중국과 유럽 연합의 경우 LIB 재활용을 위한 포괄적인 규제 프레임워크를 보유하고 있거나 입법 단계에 있습니다. 리튬 이온 배터리 재활용 관리에 대한 관심 증가와 함께 이러한 노력은 전기차, 휴대 전화 사용의 증가 사례처럼 전세계 리튬 이온 배터리 사용량이 계속 증가하는 상황에서 미래를 위한 고무적인 조치입니다.

CAS Insights 보고서의 리튬 이온 배터리 재활용 연구 동향에 대한 개요를 확인하십시오. 전세계 규제 현황, 경제적 이점에 대한 평가와 함께 현재와 미래의 전세계 LIB 재활용 노력을 이해할 수 있습니다.

20세기 중후반부터 온실 가스의 대기 농도가 증가하고 있으며 이로 인한 지속적인 온난화로 이제 매일 매일의 날씨에서 기후 변화를 체감할 수 있습니다. 그러나 화석 연료에 대한 의존도가 높은 세계 최대 경제국들은 계속 엄청난 양의 CO₂를 배출하고 있습니다(그림 1). 

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친환경 에너지원을 찾기 위한 지속적인 노력 속에서 리튬 이온 배터리와 수소 연료 전지에 대한 연구의 중요성과 대중의 관심이 커지고 있습니다. 리튬 이온 배터리와 수소 연료 전지 산업은 향후 10년 내에 각각 약 1,170억 달러와 2,600억 달러 규모에 도달할 것으로 예상됩니다.

리튬 이온 배터리의 주요 인기 요인 중 하나는 무엇보다 전기 자동차 산업과 가전 산업에서의 폭발적인 사용 증가이며 H₂는 에너지원과 저장 매체로써 교통, 건물의 에너지 공급원, 가역 시스템 그리드의 장기 에너지 저장 용도로 이용되고 있습니다. 두 기술 모두 전기 공급장치의 탄소 제거에 있어 중요한 역할을 하게 될 것입니다.

CAS Content Collection™을 활용한 분석 결과, 리튬 이온 배터리와 수소 연료 전지에 대한 지난 10년 간의 연구 중 상당수가 이들 기술 사용에 있어 현 과제와 장애물 해결에 집중되어 있었으며 이 글에서도 그 일부를 다루게 됩니다. 이러한 기술이 에너지 사용 방식을 바꾸고 친환경 미래로의 발전을 가능하게 해준다는 점이 바로 이 연구의 중요성입니다.

리튬 이온 배터리와 수소 연료 전지 중에서 미래가 더 유망한 기술은 무엇일까요?

표면적으로는 교통 산업에서 수소 연료 전지가 더 많은 가능성을 갖고 있다고 쉽게 주장할 수 있을 것입니다. 교통 분야는 두 기술 모두 활용도가 높지만 우수한 에너지 저장 밀도, 가벼운 무게, 적은 공간 요구 활용도 측면에서 리튬 이온 배터리보다 수소 연료 전지가 더 매력적입니다. 수소 자동차는 또한 리튬 이온 배터리 차량보다 충전 속도가 더 빠릅니다. 그러나 수소 연료 전지에도 단점이 없는 것은 아닙니다. 저장된 H₂ 에너지의 약 60%까지 H₂로부터 에너지를 모으는 과정에서 손실되며 이는 리튬 이온 배터리와 비교할 때 약 3배에 달하는 많은 에너지가 손실되는 것입니다.

명백한 사실은 두 기술 모두 다양한 용도로 활용할 수 있어 직접적인 비교는 쉽지 않다는 점입니다. 또한 이 관점에는 현재 진행 중인 연구와 기술의 다양한 이점과 비용은 배제되어 있습니다. CAS 컨텐츠 컬렉션 검색을 통해 오늘날 리튬 이온 배터리와 수소 연료 전지의 사용 현황을 보다 세부적으로 파악하고 미래를 예측할 수 있습니다.

리튬 이온 배터리 사용을 위한 과제

리튬 이온 배터리의 제조와 폐기는 항상 정치, 환경적인 관심사를 불러일으키는 주제였으며 리튬 이온 및 기타 주요 자원의 재생 불가능 에너지원과 상당한 관련 오염이 주요 관건이었습니다.

전기 자동차의 폭발적인 증가와 배터리 크기의 대형화, 여기에 스마트폰 및 기타 가전 제품에서 사용되는 리튬 이온 배터리의 짧은 수명, 에너지 낭비, 재생 불가능 자원에 대한 의존도 또한 점점 더 심각해지고 있습니다. 2040년에는 전세계 판매 차량의 58%가 전기 자동차로 대체될 것이며 총 폐기물량은 최대 8백만 톤에 이를 것으로 예상되고 있습니다. 따라서 리튬 이온 배터리에 대한 최근 연구는 오염을 줄이고 광물 자원에 대한 압박을 완화시키는 것을 목표로 하는 배터리 재활용 방법에 집중되어 있습니다.

배터리 재료의 금전적 가치 변화, 배터리 설계 및 재료에 있어 기술적 융합의 부족(및 관련 재활용 인력 비용)을 비롯하여 재활용 시설 내 많은 재활용 이점(재료 보안, 안전 및 환경 이점 포함)의 활용 부족, 세계 각국의 재활용 규제 부재로 인해 오늘날 전세계 리튬 이온 배터리의 재활용율은 약 5%에 불과합니다.

수소 연료 전지 사용을 위한 과제

수소 연료 전지는 백금 사용으로 인해 그 비용이 매우 높지만 가장 큰 과제는 H₂ 저장과 운반의 어려움입니다. 소비자 제품 연료로서의 H₂ 성공 여부는 강력한 H₂ 저장 물질 발굴과 안전한 최신 운반 시스템 개발이 관건입니다.

주요 연구 동향: 리튬 이온 배터리

앞서 말한 것처럼 재활용이 리튬 이온 배터리 연구의 주요 관심사인 이유는 LIB와 관련된 오염, 폐기물, 한정적인 광물 자원에 대한 당면 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있기 때문입니다. 이 주제에 대한 연간 간행물 증가율(32%)은 그 새로운 관심도를 반영하여 전체 과학 관행물(연간 4%)을 훨씬 초과합니다(그림 2).

과거 연구량이 많지 않았던 리튬 이온 배터리 부품(보다 종합적이고 새로운 재활용 관리에 대한 관심 시사)과 분해에 대한 많은 연구 노력이 진행되고 있습니다(그림 3). 배터리 분해는 재활용 가능한 자원의 양을 극대화할 수 있다는 점에서 고무적이고 친환경적인 시도입니다. 음극 재료를 제거한 후 재생 과정을 거쳐 새로운 배터리에서 재사용하는 직접 재활용 방법 또한 많은 관심을 받고 있으며(그림 4) 다른 재활용 방법보다 에너지 비용과 시약 비용이 낮을 것으로 예상됩니다.

주요 연구 동향: 수소 연료 전지

1997년 이후 H₂ 연료 분야의 특허 건수가 지속적으로 증가하고 있으며 이는 이 기술에 대해 확대되고 있는 전세계적인 관심사를 반영하는 것입니다(그림 5). H₂ 저장 주제는 지난 10년 동안 계속 많은 관심을 받아 왔습니다(그림 6, 7). 효율적이고 안정적인 저장과 운반이 불가능하면 공급망 구축도 어려워지기 때문에 H₂ 경제 개발은 가스를 저장하고 운반할 수 있는 능력에 큰 영향을 받습니다.

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수소 저장 다음으로는 탈수소 반응으로(그림 6), 2012년 이후 2위 자리를 지키고 있습니다. 탈수소 반응 방법을 사용하면 암모니아와 같은 액체 H₂ 운반체에서 H₂ 가스를 추출할 수 있습니다. 암모니아는 저장 및 운반 인프라가 이미 구축되어 있는 화학 물질입니다. 따라서 H₂를 보다 널리 활용하기 위한 노력에 있어 효과적인 솔루션이 될 수 있습니다. 운반체에서 H₂를 추출하는 데 필요한 하버-보슈법과 같은 고비용 프로세스의 효율성을 높이거나 (암모니아원과 같은 경우) 더 에너지 효율이 뛰어난 대안을 찾기 위한 지속적인 연구가 진행되고 있습니다.

전망

CAS 컨텐츠 컬렉션을 활용하여 리튬 이온 배터리와 수소 연료 전지의 가능성을 극대화하기 위한 주요 연구 동향을 파악할 수 있습니다. LIB와 수소 연료 전지는 친환경 미래를 위해 전세계 에너지 사용에 혁신을 가져다줄 수 있는 중요한 기술입니다.

관련 연구는 이 두 기술과 관련된 주요 현안을 해결하는 데 초점이 맞춰져 있습니다. 즉 리튬 이온 배터리는 재활용 관련 연구, 수소 연료 전지는 H₂ 저장이 주된 관심 주제입니다.

이 두 주요 기술의 경제, 정치, 환경 및 연구 동향에 대해 보다 깊은 통찰력을 얻으려면 CAS의 리튬 이온 배터리 재활용 및 수소 연료 전지 정식 보고서를 참조하십시오.

전세계 에너지 조합에서 그린 에너지의 비율이 가장 빠른 속도로 계속 증가하고는 있지만 효율성과 용량 문제로 인해 아직 기존 고탄소 에너지원보다 크게 뒤쳐져 있는 것이 사실입니다. 효율성과 용량 문제는 그린 에너지가 지배적인 주류 에너지 옵션이 되는 데 장애 요인으로 작용합니다. 그린 에너지가 대규모로 실현될 때까지 그 격차를 메꾸는 데 도움이 될 수 있는 다른 형태의 확장 가능한 이산화탄소 미방출 에너지원은 무엇일까요? 탄소를 배출하지 않는 원자력의 효율성과 확장성이 입증된다면 미래를 위한 새로운 에너지 대안으로서 폭넓게 이용될 수 있을까요? 

약 450개의 원자력 발전소는 무공해 청사진뿐만 아니라 오늘날 화력 발전소 50%, 태양열 발전소 25% 대비 90%가 넘는 시간 동안 최대 운영 효율을 나타내고 있습니다. 그러나 현재 원자력 발전소는 전세계 총 전기 수요의 10%만 공급하고 있습니다(그림 1). 오랜 시간 원자력이 더 빠른 속도로 성장하지 못한 이유는 무엇일까요? 

원자력은 그 효율성과 경제적 가치가 입증되기는 했지만 방사능 관련 위험과 환경에 미치는 영향으로 인한 논란은 계속되고 있습니다. 체르노빌과 후쿠시마 사건은 원자 분열 기술을 활용하기 위해서는 완벽한 관리와 경계가 필요하며 작은 사건이 큰 재앙을 불러일으킬 수 있다는 사실을 상기시켰습니다.

핵 반응과 방사능

18,000개가 넘는 원자로를 구축하면서 쌓은 경험을 바탕으로 원자로 기술은 다양하면서도 확고하게 정립되었으며 오랜 세월을 거친 기술 발전으로 원자로의 안전성, 신뢰성, 내구성, 효율성이 모두 개선되었습니다.

원자력 발전소는 전기 생산을 위해 다양한 우라늄 동위 원소, 그중에서도 ²³⁸U와 ²³⁵U를 연료로 사용합니다.대부분의 민간 원자력 발전소는 저농축 우라늄(LEU)(3~5% 농도의 ²³⁵U 우라늄)을 사용하는 반면 무기급 용도에는 고농축 우라늄(HEU, 농도가 90% 미만인 ²³⁵U)이 필요합니다.  

²³⁵U와 ²³⁸U는 원자로에서 LEU 연료로서 그림 3과 같은 두 가지 다른 원자 변환 단계를 따릅니다.중성자 포획 과정에서, 또한 핵분열성 ²³⁹Pu로 변화되는 ²³⁸U의 경우, ²³⁹Pu와 ²³⁵U 모두 더 작은 핵, 즉 핵분열성 생성물로 분열됩니다. 각각의 분열 반응은 또한 3개의 핵과 많은 양의 에너지를 열 및 전리 방사선의 형태로 발생시킵니다.

이러한 원자 변환 또는 감쇠는 축복이자 저주입니다. 축복은 적은 양의 연료로 엄청난 양의 에너지를 만들 수 있다는 것입니다. 열교환기와 고압 수력 터빈을 통해 추출된 에너지로 전기를 만드는 원리입니다. 원자 감쇠와 관련된 변환으로 전리 방사선과 입자, 즉 방사능이 생성되기 때문에 저주라고 표현하는 것입니다. 전력 생산을 위해서는 원자로 내 방사능이 필요하지만 이 방사능이 연료 폐기물("사용후 연료")에 잔존하며 차단 및 통제되지 않은 상태에서는 위험 요인으로 작용할 수 있습니다.

3~5년 동안 원자로 내에서 핵 활성도가 지속된 후 핵분열 동위원소의 연료 농도가 최소 수준 밑으로 내려가면 전기 생산 목적의 연쇄 반응을 유지하게 됩니다. 원자로에서 꺼낸 사용후 연료는 “고준위” 방사성 폐기물(HLW)로 분류됩니다. HLW는 전체 방사선 폐기물 양의 3%에 불과하지만 전체 폐기물 방사능의 95%를 차지합니다. 따라서 HLW는 전세계 방사선 폐기물 관리 전략의 핵심 항목입니다.   

1000MWe(1백만 명이 넘는 사람들에게 필요한 전기를 공급하는 데 충분한 수준) 용량의 일반 원자력 발전소는 연간 25~30톤의 HLW를 만들어내지만 탄소 배출량은 0입니다. 화력 발전소는 연간 300,000톤의 재와 6백만 톤의 CO₂를 대기 중에 방출합니다. 그러나 사용후 연료의 재가공 및 재사용을 통해 핵 폐기물의 방사선과 그 영향을 줄임으로써 복잡한 유해 폐기물 관리 과제를 해결할 수 있습니다.

사용후 핵 연료 재활용 방법

사용후 핵 연료 재가공 기술은 1940년대 후반부터 존재했습니다. 이 기술은 잘 정의되고 기술적으로도 입증되었지만 실제 이 부분에 투자한 국가는 많지 않았습니다. 프랑스와 러시아는 사용후 연료를 재가공 및 재사용하는 대표적인 국가입니다. 평균적으로 사용후 연료 폐기물의 약 95%가 우라늄(대부분 ²³⁸U)이고 1%는 플루토늄이며 나머지는 원자 번호가 낮은 작은 악티나이드로 구성되는 다양한 핵분열 생성물입니다(그림 4). 사용후 연료 재가공 기술은 우라늄과 플루토늄 동위원소를 다른 악티나이드 및 핵분열 생성물과 분리합니다.  

가장 많이 사용되는 재가공 기술은 PUREX(Plutonium and Uranium Reduction EXtraction)입니다. PUREX는 습식 제련 분리 기술을 사용하여 사용후 연료를 다음 3단계로 분리합니다.

1. 우라늄 동위원소
2. 플루토늄 동위원소
3. 작은 악티나이드로 구성된 핵분율 생성물

작은 악티나이드와 고방사성, 중간 정도 수명의 핵분율 생성물(즉 방사선 반감기가 약 30년인 ⁹⁰Sr 및 ¹³⁷C)이 있기 때문에 세 번째 단계는 HLW로 간주됩니다 PUREX의 주된 이점은 사용 가능한 많은 양의 우라늄을 재활용하며 HLW 양이 크게 감소한다는 것입니다. 재활용하지 않는 우라늄은 폐기물로 간주됩니다.

PUREX는 폐기물 양은 줄여주지만 방사능 문제는 해결하지 못합니다. 또한 다른 악티나이드에서 ²³⁹Pu를 분리하면 핵무기 확산의 문제가 발생합니다.

HLW 방사능과 플루토늄 확산 위험 문제를 해결하기 위해 전세계적으로 다양한 PUREX 공정이 제안 및 구현되었습니다. 이러한 PUREX 변형은 ²³⁹Pu와 작은 악티나이드를 혼합하는 데 존재하며 허용되는 재가공 악티나이드 연료 혼합을 만드는 과정에서 무기화되는 것을 방지합니다. 다른 변형은 우라늄, 플루토늄 및 모든 초우라늄원소(원자 번호가 우라늄보다 큰 성분)의 혼합 과정에 존재하며 핵분열 생성물이 폐기물이 됩니다.

원자로에서 사용후 연료봉을 꺼낼 때 우라늄의 90% 이상이 "연소되지 않은 상태"라는 사실을 고려할 때 HLW 재활용은 합리적인 선택입니다. 사용하지 않은 우라늄과 플루토늄을 재활용하면 25~30% 가량 전기를 더 생산할 수 있습니다. 2020년 말 기준, 전세계적으로 400,000톤의 사용후 연료가 민간 원자력 발전소에서 생성되었으며 그 중 약 120,000톤(30%)이 재가공을 거쳐 핵연료로 재사용되었습니다.  

원자로 설계 기술의 발전

최근의 원자로 설계 기술 발달로 에너지 생산 효율성과 안전성이 향상되었습니다. CAS Content Collection™에 따르면 2018년 이후 특허 및 학술 활동이 크게 증가했으며 이는 주로 아시아 지역 학술 단체의 새로운 관심을 나타냅니다(그림 5a 및 5b).  

그림 6은 최신 원자로 설계와 관련된 간행물 수 현황을 보여줍니다. 이 데이터를 통해 새로운 원자로 기술과 관련된 연구 활동의 증가 추세를 알 수 있습니다.  

 

원자력의 미래와 그 가능성

원자력 르네상스는 오래된 주제이지만 원자력이 수십년 전 제시한 희망과 약속을 이행하기에는 여러 가지 장애물과 과제가 아직까지 존재합니다. 많은 초기 투자 자본, 규제 변화, 과도한 비용 지출, 정치적 양극화는 원자로 설비 확대를 길고 복잡한 여정으로 만드는 요인입니다. 이는 그 이점과 가능성이 명백하게 입증된 지금에도 정부와 투자자가 원자력을 고려하는 데 중대한 제약 요인으로 작용하고 있습니다. 최근 한 Wall Street Journal 기사에서도 이러한 과제와 함께 원자력 기술 분야의 최근 발전 동향을 다루고 있습니다.

탄소를 배출하지 않는 에너지에 대한 요구, 새로운 원자로 기술의 발전, 새로운 사용후 재활용 및 재사용 대안은 지구 기후 변화 과제를 해결하기 위한 중요 도구로서의 원자력 활용을 촉진할 수 있습니다.

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과학 자문: Elaine McWhirter.

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원자력 애니메이션 참조문헌

IAE, World Energy Outlook. https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2022(2023-01-09 기준)

세계 원자력 협회(World Nuclear Association). https://world-nuclear.org/nuclear-essentials/how-can-nuclear-combat-climate-change.aspx(2022-09-09 기준)

NEK. https://www.nek.si/en/longevity-for-sustainability/production-performance/high-energy-density-of-uranium-is-one-of-key-advantages-of-nuclear-energy (2022-09-09 기준)

세계 원자력 협회(World Nuclear Association). https://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/fuel-recycling/processing-of-used-nuclear-fuel.aspx(2022-09-09 기준) IAE,

World Energy Outlook. https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2022(2023-01-09 기준)

 

현재 방법과 전세계 개발 현황 검토

오늘날 전세계 리튬 이온 배터리의 재활용률은 5%에 불과한 것으로 알려져 있으며 8만 톤의 폐기물 추정량을 고려할 때 엄청한 환경적, 경제적 영향이 우려됩니다. 재활용 관련 문제는 경제성, 정책 결정 등 다양하지만 이 정식 보고서에서는 과학적 과제와 함께 이 엄청난 기회를 둘러싼 세계 각국의 새로운 연구 동향을 세부적으로 알아봅니다.  

전세계 화석 연료의 약 10%가 플라스틱 생산에 사용되는 상황에서 지난 20년 동안 화석 연료 기반 플라스틱의 가능한 대안을 찾는 것이 주된 목표가 되어 왔습니다. 재생 가능 바이오매스에서 얻을 수 있는 친환경 중합체가 이상적인 대안으로 폭넓게 관심을 받아 왔습니다. 이러한 중합체는 석유로 만드는 플라스틱의 유망하고 지속 가능한 대안인 바이오플라스틱을 만드는 데 사용됩니다. 바이오플라스틱은 외국 석유에 대한 의존도가 큰 국가에도 도움을 줄 수 있습니다.

ChemRxiv의 이 학술지 글은 3가지 유형의 친환경 중합체와 각각의 강점 및 약점, 최신 연구 진행 상황과 해당 연구 분야의 동향을 세부적으로 설명합니다. 바이오플라스틱에 대한 대중의 평가는 대부분 잘못된 정보로 인해 회의적인 경우가 많으므로, 이 자료는 사실을 명확하게 전달하고 지속 가능성에 있어 친환경 중합체의 중요성에 대한 인식을 높이는 데 그 목적이 있습니다.

합성 계획 용도를 지원하는 머신 러닝 모델은 트레이닝 과정에서 나타나는 화학 분야로 제한되는 것이 일반적이며 데이터가 많지 않은 화학 관련 하위 분야에서는 예측의 정확도와 다양성이 낮아지는 경우가 많습니다. 서로 다른 데이터세트가 트레이닝 대상 모델의 성능에 미치는 영향을 측정함으로써 합성 계획 솔루션의 예상 범위와 참신성을 보다 정확하게 평가하고 과거 어려운 과학 영역에 접근할 수 있는 데이터세트를 설계할 수 있습니다.

이 연구에서는 Bayer 과학자들이 과학자가 엄선한 CAS 컨텐츠 컬렉션의 반응 데이터가 합성 계획 모델의 예측 성능에 미친 중대한 영향을 입증합니다. 드문 반응 유형의 결과에 대한 예측 정확도가 32%로 크게 향상되어 새롭고 유용한 화학 분야에 대한 이해도를 높였습니다.