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  • 기사등록 2018-09-14 14:42:52
  • 수정 2018-09-14 14:44:25
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재료연구소가 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 8번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘기후변화대응 소재’다. 태양전지, 풍력발전, 연료전지, 에너지효율화 및 경량화, 수소생산 및 이산화탄소 전환, 공기정화 및 수처리 등으로 나눠 각 분야별로 가치 있고 다양한 정보를 담았다. 이에 본지는 재료연구소와 공동기획으로 ‘소재기술백서 2016’을 연재한다.

초우량 균주가 CO₂ 소재화 이끈다


■ 기술의 정의 및 분류


태양광으로부터 오는 빛 에너지가 광합성을 통하여 생산된 유기물 자체 즉, 그 유기물을 소비하여 생산되는 유기물을 바이오매스(Biomass)라 정의한다. 또한 바이오매스로부터 얻는 에너지 또는 바이오매스를 활용하는 에너지를 바이오에너지라고 한다. 바이오매스는 태양에너지로부터 온 빛 에너지를 광합성을 통하여 유기물을 합성하는 식물, 광합성을 하는 미생물들을 광범위하게 일컬으며, 자연 생태계에 따라 광합성 미생물로부터 생산되는 유기물도 에너지원으로서 쓰일 수 있다. 또한 식물체, 균체와 이를 먹고 살아가는 동물체를 포함하는 생물 유기체로 정의될 수 있다.


따라서 본 기술동향 분석에서는 이산화탄소를 이용할 수 있는 미생물을 중심으로 미생물학적 이산화탄소의 소재전환 기술을 소개하는 것으로 한정한다.


우선, 생물학적 광합성 미생물을 이용하여 이산화탄소와 빛 에너지만으로도 생물학적인 고정방법으로 <그림 3-5-4-1>에서 보듯이 바이오에너지와 관련 바이오물질을 생산함으로써 미생물 자체가 소재 기술로서 적용될 수 있음을 보여준다. 세부적으로 에너지원과 영양분의 원료에 따라 생물군을 분류하면 광독립영양미생물(Photoautotroph), 화학무기영양미생물(Chemoautotroph), 광유기영양미생물(Photoheterotroph), 화학유기미생물(Chemoheterotroph)과 같이 4가지로 나뉜다. 따라서 이산화탄소와 광 에너지를 직접 이용할 수 있는 미생물은 광합성 미생물과 조류 종류로 photoautotroph에 해당된다. 본 기술보고서에 정의하고 분류하고자 하는 이산화탄소 전환 소재 생산 미생물은 광독립영양미생물(Photoautotroph)에 대부분 분류되어 있다.


또한, 일반적으로 조류(algae)는 육상식물을 제외하고, 물, 이산화탄소와 태양광을 이용하여 광합성 성장이 가능한 모든 광합성 생물의 통칭으로 매우 다양한 분류군(거대 조류 등)을 포함하고 있으며 제3세대 바이오매스로서 바이오에너지와 산업 소재로서 이용할 가치가 점점 증가하고 있다. 특히, 조류 중에서 미세조류는 단세포성 광합성 미생물이며, 바이오디젤 생산의 중요한 미생물 종으로 구분되고 있다.


따라서 이산화탄소를 전환하는 미생물 이용 기술은 광합성 미생물을 이용하여 직접 이산화탄소를 흡수하여 바이오매스 및 유용한 화합물을 생산할 수 있다. 이를 응용하여, 이산화탄소 유래 바이오연료와 바이오소재로 활용될 수 있다. 또한, 바이오매스의 활용기술의 경우, 고속 유기화된 미세조류의 바이오매스를 이용하면 간접적 이산화탄소기반 바이오화합물을 생산할 수도 있다.


■ 기술의 원리


이산화탄소를 유일한 탄소원으로 이용하여 생체를 합성하는 미생물들은 광에너지 또는 이에 상응하는 환원력을 이용하여 이산화탄소를 고정화 할 수 있다. 다음의 그림은 일반적인 이산화탄소의 고정화 원리를 나타낸다.


이후 이산화탄소는 미생물 내의 이산화탄소 고정화 대사회로를 거쳐 다양한 바이오화합물로 전환된다. 광독립영양미생물(Photoautotroph)은 주로 칼빈 회로(Calvin cycle)를 통해 이산화탄소를 고정하며, 일부 독립영양미생물의 경우는 reductive TCA 회로를 통해 이산화탄소를 고정한다. 또한, 혐기성 autotroph인 황화수소 생산 세균, 메탄 생산세균 그리고 homoacetogen은 acetyl-CoA 경로를 통해 이산화탄소를 고정하여 생합성에 필요한 탄소골격을 공급한다. 또한 광합성 세균 Chloroflexus aurantiacus는 3-hydroxypropionate 회로를 통해 이산화탄소를 고정한다.


원핵세포 생물에서는 위 4경로가 모두 이용되지만 진핵세포 생물에서는 칼빈 회로만이 알려져 있다. 앞의 그림에서 보듯이 칼빈 회로를 이용하는 광독립영양미생물(Photoautotroph)은 칼빈 회로의 Ribulose-1,5-diphosphate carboxylase(RuBisCo)를 포함하고 있고, Ribulose-1,5-diphosphate carboxylase는 식물을 비롯한 거의 모든 광합성 생물 및 미생물의 공통으로 갖는 효소이다.


따라서 다양한 이산화탄소 고정화 효소 및 그에 상응하는 대사경로를 이용하고 대사회로를 재조합함으로써, 중간 산물체, 효소와 환원력 등의 결합체의 연속적인 반응들의 산물을 광합성 미생물이 생산할 수 있다면, 이산화탄소의 소재기술전환의 일환으로 볼 수 있다.


■ 기후변화대응 관점에서 기술의 중요성


IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change) IPCC : 기후변화와 관련된 전 지구적 위험을 평가하고 국제적 대책을 마련하기 위해 세계기강기구(WMO)와 유엔환경계획(UNEP)이 공동으로 설립한 유엔 산하 국제 협의체 5차 보고서에 따르면 지구온난화의 주된 원인이 인간 활동에 의한 온실가스 배출의 집적과 무관하지 않음을 밝히고 있다. 2015년 12월 프랑스 파리에서 열린 제21차 기후변화협약 당사국 총회의 서명식에는 우리나라를 비롯해 168개국이 참여하였다. 특히, 온실가스 배출량이 세계 8위인 우리나라도 국제사회에 2020년 BAU BAU(Business As Usual) : 온실가스 감축을 위한 인위적인 조치를 취하지 않을 경우 배출이 예상되는 온실가스의 총량 대비 30%라는 국가감축목표를 발표하고 이를 위한 온실가스 감축로드맵을 수립, 이산화탄소의 감축의 일환으로 전 산업 전반적인 감축 제도와 기술발전과 의식의 전환의 필요성이 점차 가중되었다. 이에 따라 화석연료 사용에 따른 지구환경의 오염, 화석연료 고갈의 위험을 극복하는데 반드시 필요한 신재생에너지에 대한 인식의 전환과 기술의 개발은 더 강조할 필요가 없을 만큼 중요성이 커지고 있다.


생물학적 이산화탄소기술의 경우, 전주기 분석의 관점에서 볼 때 최종원료인 이산화탄소로부터 최종산물의 바이오재료 및 바이오연료를 생산할 때, 부가적인 이산화탄소의 발생이 전혀 없는 순수한 탄소네거티브 기술인 점에서 타 기술과 견주어 기술의 우월성이 있고, 기존의 식품산업에서 이미 검증된 기술을 바탕으로 환경 친화적인 생물공정 개발이 이루어지고 있어서, 이산화탄소 저감 및 전환 기술에 대한 중요도가 높아지고 있다. 이에 발맞추어 대량의 이산화탄소를 생물학적으로 처리하여 바이오연료(바이오디젤 및 바이오에탄올)로 전환하려는 정책과 기술에 정부단체와 대학 등 연구기관들이 주목하고 있다.


■ 이산화탄소가 직접 고정화된 바이오매스의 소재 전환


앞서 광합성 생물 중 분류된 거대조류와 광합성 미생물인 미세조류는 이산화탄소 저감 및 바이오연료 생산에 용이하다. 특히, 바이오디젤은 식물성 기름이나 폐식용유를 메탄올과 함께 에스테르 반응을 거쳐 디젤엔진에 사용되는 경유와 물리적인 특성이 같은 자동차 연료로 이용될 수 있다. 바이오디젤의 원료인 식물원자재의 수급이 원활하지 않은 단점을 극복할 수 있는 대안으로 미세조류 연구가 활발히 진행되고 있다. 즉, 생명공학기술을 이용한 지질 함량이 높은 미세조류의 선별 및 자체 균주 개발, 대량 배양기술 등의 원천 기술에 관한 개발이 주요하며, 따라서 우수 균주 확보를 위한 기술이 개발되고 있다.


자연계로부터 분리한 미세조류의 돌연변이 유발로 인한 재래식 방법을 사용하거나 분자생물학의 발달로 특정물질의 생산과 지질함량이 우수하며 다른 미생물과 경쟁 시 생존에 우수한 유전적으로 조작된 미생물 개발이 가능하게 되어 최종적으로 내성이 강하고 생산수율이 높고 생장이 왕성한 우량 미세조류의 개발이 수행되고 있다.


이산화탄소의 미생물 생물학적 고정 및 바이오디젤 주요공정은 미세조류의 기능강화를 목적으로 하는 균주개량, 대량배양에 의한 저감 실증 단계 실현, 미세조류의 바이오매스로부터 바이오디젤 생산으로 구분될 수 있다.


미세조류의 배양을 위해서는 탄소원으로 이용되는 이산화탄소를 적정량 공급하는 것이 필수적이며, 광량 및 광도의 조절 최적화, 온도조절, 혼합 그리고 영양 염류의 균형 있는 공급이 수반되어야 한다. 그래서 산업체 규모에서 배가스를 이용한 생물학적 전환 시도연구가 진행되고 있다. 미세조류 대량 배양의 실제적 방법으로 수로형 연못 배양과 광생물반응기 배양으로 구분할 수 있다. 일반적으로 광생물반응기는 고밀도 배양이 가능하다. 수로형 연목의 사용은 광생물반응기보다 비용이 적게 들지만 바이오매스 생산성이 낮고, 균주의 오염 등의 문제가 발생할 수 있다.


광합성 미생물 생물학적 에너지 전환의 공정에서 조류연료 생산에 필요한 원천기술 중에 경제적인 수확 방법 개발도 포함된다. 수확은 여과, 침전화, 부유, 원심분리, 응집 등과 같은 복잡한 과정을 통해 이루어지며 많은 비용이 소모된다. 미세조류 바이오매스의 바이오디젤 전환 생산을 위해서는 세포의 파쇄, 지질 추출 그리고 전화하는 단계가 필요하다.


바이오 디젤 이외의 바이오소재로써 바이오화합물로 전환하는 연구개발도 진행되고 있다. 이산화탄소를 고속으로 고정화할 수 있는 미세조류의 경우, 바이오매스 내 탄수화물의 형태로 60% 이상을 축적할 수 있으며, 다량의 단백질 또한 미세조류의 바이오매스 내 존재한다. 따라서 기존의 바이오디젤 추출을 위한 세포생장 이외에 바이오매스를 확보하기 위한 공정개발이 진행되고 있고, 기존의 발효산업과 연계하여 바이오에탄올을 생산하는 연구도 수행되어 왔다.


최근에는 유전공학기술을 이용하여 당화효소 없이 미세조류 내 탄수화물을 당화할 수 있는 미생물이 개발되고 있으며, 이를 이용해서 바이오에탄올 이외의 숙신산과 같은 바이오플라스틱의 전구체 생산 기술 연구도 진행되고 있다. 다음의 그림과 같이 이산화탄소 유래의 미세조류 바이오매스를 활용하여, 이산화탄소 유래의 바이오화학 소재 생산이 가능할 것으로 판단된다.


대사공학·합성생물학 기술 활발히 발전
국내 초기 R&D단계, 상업화 연구 활발


■ 광합성 미생물을 통한 이산화탄소의 바이오화합물로 직접 전환


시아노박테리아(cyanobacteria)를 포함한 광합성 미생물은 대기 중 이산화탄소 고정능력을 가지고 있고 온실가스의 제거로 인한 지구온난화 기후 변화의 저감 효과를 일으킬 수 있는 생물학적 주체로서 활발한 연구가 진행되고 있다. 특히, 최신 유전공학기술을 이용하여 생체 내 대사과정에서 일어나는 탄소의 흐름을 적절히 제어하고, 새로운 대사과정을 삽입하는 대사공학 및 합성생물학의 기술이 활발히 발전되고 있다.


이런 유전공학적 기술에 기반을 두어, 유전자 조작이 가능한 광합성 미생물인 시아노박테리아를 개량하는 연구를 통해서 이산화탄소를 바이오매스 이외의 다양한 바이오화합물로 생산의 연구결과가 발표되고 있다.


최종 산물로 가기까지는 기술정의에서 언급한 이산화탄소 고정회로에서 기인한 대사경로를 거친다. 이 과정 중에 다양한 유전학적 접근방법이 도입될 수 있으며, 시아노박테리아에서 생산 시 적은 생산량의 단점을 극복하기 위하여 대사공학 전략을 도입하여 생산성 향상을 높이고자 하는 활발한 연구가 진행 중이다.


현재의 기술로는 상업화 수준에 적합한 균주개발 및 대량생산 공정 시스템은 개발되지 않고 있으나, 최신 생물학적/유전공학적 기술을 이용하여 초우량 균주개발을 하는 등 대량 배양 기술이 발전하고 있다. 이는 이산화탄소 기반 다양한 소재를 생산할 수 있는 중요한 쏠라세포공장의 핵심기술로 그 기술적 중요성이 있다. 향후 초우량 균주를 통한 이산화탄소의 소재화 사업을 기대하고 있다.


■ 비-광합성 미생물을 통한 이산화탄소의 바이오화합물로 직접전환


광합성 미생물은 태양에너지를 이산화탄소의 고정화의 환원력으로 이용하여 이산화탄소를 다양한 화합물로 직접 전환한다. 반면, 비(非)광합성 미생물의 경우, 태양에너지 이외의 에너지원으로부터 환원력을 얻어야 이산화탄소를 고정화할 수 있다. 다양한 서식지에서 생존할 수 있는 미생물의 경우, 태양에너지 없이 수소에너지의 환원력을 이용하여 이산화탄소를 고정화할 수 있는 미생물이 발견되었고, 그 미생물의 능력을 이용하여 이산화탄소를 고정화할 수 있다.


대표적으로 연구된 미생물로써, 이산화탄소와 수소를 이용하여 바이오연료 플랫폼으로 이용될 수 있는 모델균주 Cupriavidus necator는 오랜 기간 동안 연구가 진행되어 왔고, 대량생산과 배양의 최적화를 통한 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근에는 이산화탄소로부터 직접 높은 yield의 poly 3-hydroxybutyrate(PHB)와 바이오매스를 축적함을 확인하였다.


■ 국내외 선도기관


국내 이산화탄소의 생물학적 고정화 연구는 1998년 과학기술부의 환경기반기술개발 중점사업의 이산화탄소 생물학적 처리기술로부터 시작되었다(한국에너지기술연구원). 그 후 교육과학기술부의 21세기 프런티어 연구개발 사업 중에서 ‘이산화탄소 저감 및 처리기술개발사업’(2002∼2012)의 ‘생물학적 전환에 의한 이산화탄소 고부가 생물제품 기술 개발’이 이루어지고, 미세조류의 생물연료 생산에 관심이 높아지면서 지식경제부 신재생에너지기술개발사업(2007∼2010), 농림수산식품부 등에서도 이와 관련된 기초연구가 수행되었다. 지구온난화 및 에너지 위기에 적극 대처하기 위해 “기후변화 대응 국가 연구개발 중장기 마스터 플랜”을 수립하였다. 저탄소 녹색 기술 연구개발종합대책의 일환으로 KCRC 2020 이산화탄소포집 및 처리연구개발센터 중심으로 연구가 진행 중이며, 삼면이 바다로 둘러싸여 풍부한 해양바이오매스를 활용한 바이오에너지 개발로 그린 에너지(green energy) 자립국 실현을 위한 해양바이오에너지 생산기술개발연구센터(2009∼2019)가 진행되고 있다.


국내에서는 이산화탄소 생물학적 전환 기술의 현재 대부분 상업화 단계보다는 초기 시작단계와 R&D 단계에 있다. 또한, CCS(Carbon Capture&Storage) 기술의 포집 및 운반, 처리 과정 같은 생물학적 전환 외의 기술의 정책과 투자와 따로 떨어뜨려 고려하지 않고 있다. 미세조류의 경우 생산과정을 완전히 상업화하거나 산업화한 기업은 없으나, 연구 단계의 착수 및 초기 사업화하여 활발히 연구진행 중에 있다.


국외에서는 미국은 향후 신규발전소 배출규제안과 기존 화석연료 발전소의 배출규제를 목적으로 한 기후 변화 대책안을 발표하였다. 에너지부(DOE) 화석 에너지국(Office of Fossil Energy)이 주관하며 국가에너지기술연구소(NREL)가 주도적으로 추진하고 있으며 시아노박테리아를 이용하여 다양한 바이오화학물질 및 연료를 생산하기 위한 원천기술을 확보하고 있다. 또한 Arpa-e 국가 프로그램을 통하여, 이산화탄소의 생물학적 연구에 많은 연구비를 투여하여 원천기술 확보에 주력하고 있다. 또한, 미국 내 벤처 기업인 Algenol의 시아노박테리아의 핵심균주를 바탕으로 이산화탄소를 이용한 소재 및 연료의 직접전환 기술을 개발하고 있다. 또한. 미국은 정부 및 주정부와 민간부분과 잘 연결되어 미세조류에너지 개발에 과감한 투자와 연구개발을 진행하고 있다. 캘리포니아 주립대(UC-San Diego 및 UC-Berkeley), 애리조나 주립대(Arizona State University), Texas A&M 대학 등을 비롯한 많은 대학들도 조성된 대형 컨소시움 NAABB 등의 형태로 미세조류 연구에 참여하고 있다. 2020년까지 미 해군 사용연료의 50%를 신재생에너지로 대처하기로 하여 미세조류 에너지 부분에도 힘을 쏟고 있다. 미세조류 배양연구에 타깃팅 되어 있다. 미국 뿐 아니라 다른 주요 국가(캐나다, 프랑스, 영국, 뉴질랜드, 이스라엘, 일본, 중국, 호주)에서도 연구개발을 진행하고 있다.


EU는 기후변화대응 관련 유럽지역 국가들의 향후 기후 및 에너지 정책체제 수립을 위한 대화문을 발표하고, 2030년까지 1990년의 40% 수준으로 온실가스 감축을 목표로 EU 중심의 FP7 및 Horizon2020 대규모 연구 사업을 시행하고, 이산화탄소의 생물학적 전환 기술 개발에 집중하고 있다. 특히, CyanoFactory의 연구그룹에서는 이산화탄소의 직접 전환을 목표로 시아노박테리아의 유전적 조절 도구를 개발하고, 이산화탄소의 고정화를 높이는 연구를 수행하고 있다.


중국의 경우, 칭다오 대학교(Qingdao University)의 Xuefeng Lu 교수팀을 중심으로 이산화탄소의 직접전환 기술을 개발하고 있으며, 중국과학원(Chinese Academy of Science)의 Qiang Hu 교수팀의 선도핵심 기술을 바탕으로 미세조류의 대량 생산 기술 및 바이오디젤 생산기술을 선도하고 있다.


▲ <그림 3-5-4-1>미생물을 통한 생물학적 이산화탄소 고정


▲ <표 3-5-4-1>에너지원(Energy source)과 탄소원(Carbon source)에 따른 생물 분류표


▲ <표 3-5-4-2>생물학적 소재로서 분류


▲ <그림 3-5-4-3>미생물 생체 시스템 내 다양한 이산화탄소 고정회로


▲ <그림 3-5-4-4>유럽 내 수송용 연료에서 사용되는 예상 신재생 바이오연료


▲ <그림 3-5-4-5>거대조류 및 미세조류의 바이오에탄올, 디젤로 전환공정 모식도


▲ <그림 3-5-4-6>국내 및 해외 미세조류 바이오매스 대량 생산 실증사례


▲ <그림 3-5-4-7>통합공정을 이용한 미세조류 바이오매스로부터 플라스틱 전구체 생산


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