온실가스를 바이오 연료로, 미생물 전기합성 공정의 첫걸음!

온실가스를 바이오 연료로, 미생물 전기합성 공정의 첫걸음!

17기 서유경

 

1. e-바이오리파이너리 기술

정부 차원에서 2030년까지 온실가스 배출량을 5억 3600억t으로 줄이기 위한 제2차 ‘기후변화대응 기본계획’이 결정되었다. 이에 이산화탄소를 자원화 하는 기술에 주목하고 있으며 활발히 연구 중이다.

이산화탄소 감축을 위한 다양한 기술 중 바이오리파이어리(Bio-refinery) 기술에 대해 알아보려한다. 지난 5월 27일 국내 한국에너지기술연구원 광주바이오에너지연구개발센터 이진석 박사 연구진은 전해전지(Electrolytic cell)시스템과 미생물 대사과정을 결합한 ‘e-바이오리파이너리 기술’을 개발했다. 이진석 센터장은 “e-바이오리파이너리 기술은 기존 바이오매스 기반 바이오연료, 화학소재 생산 생물 공정 기술의 한계를 극복하는 신개념 기술”이라고 소개했다.

이에 바이오파이너리 기술은 무엇인지, e-바이오리파이너리 기술이 기존의 바이오매스 기반 전기합성 기술과 비교하였을 때 어떤 강점이 있는지 그리고 e-바이오리파이너리 기술에 대한 앞으로의 가능성에 대해 다루려고 한다.

 

2. 바이오파이너리란?

바이오리파이어리(Bio-refinery)란, 휘발유, 경유와 같은 연료와 플라스틱, 섬유 등 수많은 화학제품들을 오일리파이어리(Oil refinery, 석유정제)를 통해 생산했던 것을 바이오매스(Biomass) 자원으로 대체하는 개념이다.

바이오 리파이너리는 단순히 석유자원을 대체하는 수준을 넘어 재생 가능한 바이오매스 자원을 활용함으로써 바이오에탄올, 바이오디젤 등과 같은 연료와 바이오플라스틱 등 각종 화학제품을 대체 생산하여 기존의 석유자원을 바이오매스자원으로 변환하려는 것이다. 이러한 바이오리파이너리는 미세조류 등 바이오매스를 원료로 사용하기 때문에 석유화학 및 각종 공정기술에 비해 에너지 소비량과 CO2(이산화탄소) 발생이 적다는 이점이 있다.

 

3. 기존 바이오매스 전력 합성 기술과 e-바이오리파이너리 기술 비교

우리나라의 경우 기존의 바이오매스 기반의 전기합성 기술을 위한 바이오매스 확보가 어려웠다. 산이 많고 좁은 영토를 가졌기 때문이다. 또한, 기존의 기술은 광합성으로 생산된 유기물 또는 바이오매스가 당화 과정 후 미생물 발효를 거쳐 바이오연료 및 화학물질이 생산되는 방식으로 길고도 복잡한 공정을 거쳐야 했다.

[자료 1. 파이오리파이너리 기술 요약 그림]

출처 : 포토뉴스

한편, e-바이오리파이너리 기술은 이산화탄소를 먹이로 활용하여 성장하는 미생물에 환원력을 제공해주는 미생물 전기합성 바이오 융합기술이다. 미생물을 통한 전기합성 반응은 기존에 미생물 배양공정에서 필요하던 유기산, 당 등의 전자 공급자 역할을 전극으로 대체할 수 있어 효율적이다. 또한, 대사공학을 적용할 경우 이산화탄소를 환원시켜 유용한 바이오화학소재를 생산할 수 있다. 하지만 해당 기술은 미생물이 전자를 내부로 받아들이는 효율이 낮고 이산화탄소 전환 속도가 낮다는 문제를 가졌다.

[자료 2. e-바이오리파이너리 기술 설명 그림]

출처 :cctvnews

이를 극복하기 위해 광주바이오에너지연구개발센터 연구진은 넓은 면적의 탄소전극 표면을 설치하여 강력한 환원제 역할을 하도록 했다. 그리고 미생물 세포벽 사이에 전자 이동을 도와주는 매개체 물질을 연결했다. 또한, 미생물 세포벽에 분포하는 전자수용체의 성능 개선을 통해 전자 흡수 효율을 향상시켰다. 계속해서 이산화탄소로부터 전환되는 고부가 유용물질의 생산성을 향상시키기 위해 대사경로 최적화 연구도 진행중인 것으로 알려졌다.

 또한, 미생물 종의 개량, 고성능 이산화탄소 전환효소 및 가스 생물반응기 원리를 도입하여 생물전기합성 시스템의 효율을 더욱 높이기 위한 연구가 진행되고 있다.

 

4. 앞으로의 가능성 및 기대

 타 국가들과 달리 한국은 좁은 면적의 국토와 많은 산지 지형 때문에 바이오매스를 이용한 기술 연구에 어려움을 겪고 있다. 그렇기 때문에 경쟁력을 키우기 위해서는 효소의 효율성이나 비용적인 측면, 유전자 조작을 통한 생물종의 개량 등을 통해 생산에 사용된 원료 대비 생산량을 높여야 한다. 이러한 이유에서 바이오리퍼너리 기술은 국내 바이오산업 시장에 굉장히 매력적이다.

 광주바이오에너지연구개발센터는 2018년 3월 개소하였고, 매년 12억원을 지원받아 연구를 수행 중이다. 2년이라는 짧은 시간동안 많은 성과를 보이고 있다. 이렇듯 한국만의 고유한 공정 기술 개발 및 상용화의 가능성을 열고 있어 앞으로의 행보가 몹시 기대된다.

---

참고문헌

[1. e-바이오리파이너리 기술]

1) 김애경, hellodd, "온실가스를 바이오 연료·화학물질로···新공정 개발", 2020년5월27일, https://hellodd.com/?md=news&mt=view&pid=71932 [2020.06.06]

[2. 바이오파이너리란?]

1) 이창수, 농기자재신문, "바이오리파이너리란", 2019년12월16일, http://www.newsam.co.kr/news/article.html?no=30166 [2020.06.06]

[3. 기존 바이오매스 전력 합성 기술과 e-바이오리파이너리 기술 비교]

1) 광주바이오에너지연구개발센터,  https://www.kier.re.kr/board?menuId=MENU00787&siteId=null [2020.06.06]

2) 한국에너지기술연구원 https://www.kier.re.kr/main [2020.06.06]