[특별기획(Ⅱ)] 미세조류 바이오매스의 연료화 연구개발 현황 및 전망

서론

근래에 지구상에서 일어난 사건들의 근본적 영향을 분석하면 바로 지구온난화와 세계인구의 급증이다.

이로부터 식량문제, 환경문제, 에너지문제가 전 지구 적 규모로 발생하고 있으며, 이와 같이 급변하는 시대 를 에너지기후시대(Energy-Climate Era)라고 칭할 수 있다[토머스 프리드먼, 2008]. 최근 원유가격의 급 격한 상승으로 생물자원을 활용한 대체에너지 개발, 특히 바이오연료(바이오에탄올, 바이오디젤, 바이오 가스 등) 생산이 주목을 받고 있다. 특히 해수나 담수 에 널리 분포하는 광합성 생물인 조류(Algae)로부터 생산되는 바이오연료는 소위 곡물 자원을 사용한 1세

대 바이오연료, 작물의 줄기나 폐목재 등을 사용하는 2세대 바이오연료에 이어 미래의 3세대 바이오연료 (3rd generation biofuel)로 인식되고 있다.

조류는 대기나 수중의 이산화탄소와 물을 원료로 광에너지를 이용하여 유기물질을 합성하고 산소를 생 산하는 광합성 생물로써 지구상에서 육상식물과 대등 한 수준의 이산화탄소를 흡수하여 전환하는 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 조류는 식물과 달리 형태적 으로 뿌리, 줄기, 잎의 구분이 명확하지 않으며, 지구 상에 약 300,000종(species) 이상이 분포하는 것으로 알려져 있고[Scott et al., 2010], 크기에 따라 육안관 찰이 가능한 미역, 김 등의 대형조류(Macroalgae)와

미세조류 바이오매스의 연료화 연구개발 현황 및 전망

오 희 목

한국생명공학연구원 바이오시스템연구본부 [email protected]

그림 1. 미세조류로부터 유용물질 및 바이오연료 생산 공정도.

현미경으로 관찰되는Chlorella, Spirulina 등의 미세조 류(Microalgae)로 구분된다.

광합성 미생물인 미세조류의 단위면적당 바이오디 젤 생산(oil 함량이 30%인 경우)은 약 58,700 L/ha로 대두의 446 L/ha에 비해 130배에 달한다[Chisti, 2007]. 또한 미세조류는 고밀도 대량배양이 가능하고, 생명공학기술의 핵심인 형질전환 기술을 이용한 미세 조류의 분자적 개량이 고등식물보다 용이할 것으로 보인다. 뿐만 아니라 미세조류는 작물과 경쟁하지 않 고, 유휴 경작지를 이용하여 바이오연료를 생산할 수 있다는 장점이 있다.

본론

1) 핵심연구개발 분야

미세조류로부터 바이오디젤 생산의 주요 공정은 ① 미세조류 탐색 및 기능강화(균주 개량), ② 미세조류 의 고밀도 대량배양, ③ 미세조류의 효율적 수확, ④ 미세조류 바이오매스로부터 유용물질 및 바이오연료 생산으로 구분해 볼 수 있다[그림 1].

① 토착 미세조류 확보 및 기능강화(균주 개량) 광합성능이 우수하고, 지속적인 배양이 가능하며,

바이오디젤 전환용 지질함량이 높은 조류종의 탐색이 무엇보다 우선되어야 한다. 현재 전 세계적으로 1,600 여 종 만이 Culture Collection에 의해 유지, 보존되고 있는 실정이다. 따라서 더 많은 조류자원의 확보 및 이들을 대상으로 우량 미세조류 주(strain)의 선별을 위한 광범위한 탐색 작업이 필요하다.

특히, 2010년 10월 일본 나고야에서 개최된“제10차 생물다양성협약 당사국총회”에서는 자원 제공국(개발 도상국)과 자원 이용국(선진국) 간에 유전자원에 대 한“접근 및 이익 공유(Access and Benefit Sharing on Genetic Resources, ABS)”에 관련하여 1) 타국의 유전자원 활용 시 승인 획득 및 이익 공유, 2) 유전자 원에 대한 전통지식의 포함 등에 대한“나고야 의정 서”가 채택되었고, 회원국의 비준을 거쳐 2012년경 발 효될 것으로 예상되므로, 향후 미세조류를 포함한 토 착 유전자원의 중요성이 더욱 증가할 것이다.

일반적으로 조류나 식물의 형질전환을 성공시키기 위해서는 다음의 4가지 조건이 충족되어야 한다. 즉, 유용유전자의 선정 및 분류법, 분리된 clone의 유전자 조작법, 유전자의 세포내로의 도입방법, 그리고 형질 전환체의 선별 및 재분화법의 확립이다. 일례로, 바이 오연료를 효율적으로 생산하기 위하여 조류는 광합성,

그림 2. 바이오연료 생산을 위한 이상적 미세조류가 갖는 특성[Wijffels & Barbosa, 2010].

지질생산, 생장 등과 관련하여 바람직한 유전적 형질 을 갖추어야 한다[Wijffels & Barbosa, 2010]. 즉, 이 상적 형질전환체의 특성으로 높은 광도에서 고생산성, 얇은 막을 갖는 대형 세포, 높은 산소분압에서의 내성, 각종 오염에 견디는 강인함, 빠른 생장과 높은 지질 생산량, 세포내 오일의 분비, 적절한 세포 flocs의 형 성 등이 있다[그림 2].

② 고밀도 대량배양 최적화

미세조류는 고등식물에 비하여 배양장치가 단순하 고 차지하는 토지 면적이 적은 유리한 점을 지니고 있 다. 미세조류의 배양을 위해서는 탄소원으로 이용되 는 이산화탄소를 적정량 공급하는 것이 필수적이며, 광합성 효율을 극대화하기 위해서는 광량 및 광도의 조절과 최적화, 온도조절, 혼합 그리고 영양염류의 균 형 있는 공급 등이 수반되어야 한다. 현재 미세조류 대량 배양의 역사는 약 70년 정도로 미세조류 대량배 양의 실제적 방법으로는 대표적으로 Raceway pond (수로형 연못) 배양과 Photobioreactor(광생물반응 기) 배양으로 구분할 수 있다.

참고로 산업적 생산은 거의 개방형 pond에서 이루 어지고 있으며, 타 생물에 의한 오염(contamination) 의 문제는 기술적으로 극복될 수 있다. 한편 광생물반 응기는 시설 및 유지관리비가 많이 소요되지만 연못 에 비해 다음과 같은 장점을 갖는다: 조류 배양의 조 절이 용이, 비교적 큰 surface-to-volume ratio로 광조 사 및 이산화탄소 공급에 유리, 배지의 증발 억제, 각 종 오염의 방지 가능, 고밀도 배양, 유체역학적 안정성 으로 다양한 종류의 미세조류 배양 가능 등이다.

최근에 미국 NASA의 Jonathan Trent 박사는 OMEGA(Off-shore Membrane Enclosure for Growing Algae) 프로젝트를 수행하고 있다. 즉, 연안 에 설치된 반투과성 비닐막 내에서 영양염류가 다량 포함된 폐수를 이용하여 담수조류를 배양하는 것이다.

삼투압에 의해 담수는 비닐막 밖으로 이동하지만 조 류는 비닐막 내에 유지되고, 파도는 비닐막 내의 조류

에게 shaking의 효과를 준다. 이 기술은 연안 해역에 서 폐수처리와 동시에 조류 대량배양의 이중 효과를 낼 수 있다.

③ 미세조류 수확기술 개발

미세조류의 대량배양을 통한 유용물질의 생산과정 에서 해결되어야 할 중요한 과제 중의 하나가 경제적 인 수확(harvesting) 방법의 개발이다. 대부분의 미세 조류는 배양액에서의 농도가 낮으며, 크기가 30 ㎛ 이 하이고, 물의 밀도보다 약간 크다는 이유로 분리하기 가 용이하지 않다. 또한 적합한 수확방법은 조류의 종 및 조류로부터 얻어질 유용물질의 용도에 따라서도 달라진다. 배양된 조류의 수확은 일반적으로 여과 (filtration), 침전화(sedimentation), 부유(flotation), 원심분리(centrifugation), 응집(flocculation) 등과 같 은 복잡한 과정을 통해 이루어지며, 많은 비용이 소모 된다.

미세조류 연료생산 시 각 공정에 소요되는 비용 중 에서 수확 비용은 20~30%를 차지하는 것으로 조사 되었다[Kim et al., 2005]. 따라서 경제성, 효율성, 환 경친화성 등의 요소를 고려하여 배양규모 및 배양 종 에 따른 최적의 수확기술을 적용하여야 한다. 실제로 미세조류의 자연적 응집을 유도하여 침강시키는 생물 응집(bioflocculation)은 대규모 배양 시 적용될 수 있 는 적절한 방법으로 인식되고 있다.

④ 지질의 바이오디젤 전환

조류에서 추출한 지질을 바이오디젤로 전환하는 공 정들 중, 기존 촉매를 이용하거나 산성 촉매 에스테르 화 반응을 이용한 공정과 같은 전통적인 방법들은 반 응 시간이 느리고, 필요한 메탄올의 양이 많으며, 공정 중에 원하지 않은 비누성분들이 발생하는 등의 문제 점이 발견되고 있다. 최근 새로이 연구되고 있는 초임 계 메탄올을 이용한 바이오디젤 전환방법은 원료 물 질을 녹임으로써 촉매의 필요성을 제거하여 비누성분 의 발생 및 바이오디젤 전환수율 저하와 같은 문제점

의 해결이 가능하며, 지방산 원료물질들을 실질적으 로 처리하는 장점이 있다. 이와 같이 미세조류로부터 지질 추출, 지질의 바이오디젤 전환 분야는 최근에 본 격적으로 연구되기 시작한 신생분야로써 경제적이고, scale-up 적용이 가능한 실제적 기술개발이 절실하다.

2) 산업계 및 학계 현황

① 산업계 현황

미국 에너지성(US DOE)에서는 2010년 Biomass Program의 일환으로 “National Algal Biofuels Technology Roadmap”을 작성하여, 이 분야에 대한 국가 차원의 체계적 기술개발 및 지원을 추진하고 있 다. 또한 조류는 바이오디젤 생산을 위한 3세대 원료 로 간주되고 있으며, 2010년 중순 현재 조류 연료를 생산하는 회사는 전 세계적으로 200여 개에 이르며, 전 세계적인 바이오디젤 산업은 2009년 50억 gallons 에서 2015년에는 144억 gallons로 증가될 전망이다.

세계적인 정유회사인 Exxon Mobil 사는 2009년 7 월 미국의 저명한 생명공학자인 Craig Venter 박사가 창립한 Synthetic Genomics Inc. (SGI)와 향후 5년 간 6억 달러 규모의 연구개발 계약을 체결하고, 미세 조류에서 바이오연료를 개발하기로 하였다. Exxon Mobil의 연구부서 담당자는“미세조류는 석유 연료와 비슷한 분자구조의 연료를 생산한다. 이는 미세조류 로부터 생산한 연료가 가솔린과 디젤로 전환될 수 있 고 기존의 파이프를 활용해 운반될 수 있으며 현재의 주유소 시스템에서 소비자에게 판매할 수 있음을 의 미한다.”고 하였다.

② 조류 바이오매스 협의체

조류 바이오매스의 생산 및 바이오연료화 연구개발 을 활성화하고, 산업화를 촉진하기 위하여 산·학·

연·관으로부터 다양한 분야의 많은 전문가들이 참석 하는 지역 협의체를 구성하고, 매년 회의를 개최하는 등 활발히 움직이고 있다. 실제로 2010년 한해에만 유 럽 Brussels에서는 5월에“2nd Algae World Europe”

이 개최되었고, 미국의 Algal Biomass Organization (ABO)은 9월에 Phoenix에서“4th Annual Algae Biomass Summit”을 개최하였으며, 한국, 일본, 중국 등을 주축으로 12월에는 일본 Tsukuba에서“1st Asia-Oceania Algae Innovation Summit (AO AIS)”이 개최되었다.

3) 발전 전망

① 조류 바이오연료의 생산성 향상

미세조류 바이오디젤의 생산가는 전문가에 따라 많 은 차이가 있다. Chisti(2007)에 의하면 광생물반응기 를 이용하여 미세조류 바이오매스로부터 생산된 바이 오디젤 생산가는 $2.80/L로 추산된다. 2006년 기준 으로 식물성 기름인 palm oil 가격은 $0.52/L이었다.

즉, 미세조류 바이오디젤은 현재 판매되고 있는 식물 성 바이오디젤 보다 약 5배의 가격임을 알 수 있다.

한편 최근 미국 DOE에서 발간한 National Algal Biofuels Technology Roadmap(2010)에 의하면 조류 바이오디젤 생산에 중요한 조류 오일인 Triglyceride의 생산에 관한 최근 20여 편의 논문자료 를 분석한 결과, Triglyceride 생산가는 평균 US$19.25/gallon으로 조사되었다. 참고로 2010년 가을 미국 텍사스지역의 주유소에서 석유디젤은 US$3.09/gallon에 판매되고 있었다. 즉, 현재의 조류 바이오디젤 가격은 석유디젤에 비하여 6~7배 이상의 높은 가격임을 알 수 있다.

미국 NREL(National Renewable Energy Laboratory) 의 연구팀은 조류의 오일생산성에 대한 이론적 최대 값 및 현재의 생산성을 조사하였다[Weyer et al., 2010]. 광량이 많은 적도지방에서 조류의 이론적, 실 제적 최대 일생장률(Maximum daily growth)은 각 기 196 g/m²/d, 33~42 g/m²/d로 조사되었다. 조류 의 오일함량을 50%로 가정하였을 때 이론적, 실제적 연간 오일 생산성은 35.4 L/m²/year, 4.1~5.3 L/m² /year로 조사되었다. 따라서 조류의 실제적 오일 생산 성은 이론값의 약 1/8 수준으로 향후 연구개발에 의

하여 조류의 생장률과 오일 생산성은 크게 증가시킬 수 있는 여지가 있는 것으로 보인다.

② 미래 재생에너지

미세조류의 바이오연료화는 미래를 바꿀 수 있는 5 가지 기술의 하나로 선정되었다[미국경제신문 WSJ 선정, 2009. 10. 19.]. 전 세계는 화석연료에 대한 의존 성에서 탈피하고, 온실가스를 크게 감소시킬 필요가 있다. 현재 인류가 보유하고 있는 기술은 한계가 있기 때문에, 관련 기술의 비약적인 발전이 요구되는 상황 이다. 아래에 열거한 5가지 분야들은 관련 기술의 개 발이 진척된다면, 전 인류가 당면하고 있는 에너지 상 황을 쉽게 변화시킬 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있 다: 1) 우주 태양열 발전, 2) 고성능 차량용 전지, 3) 유틸리티 저장기술, 4) 탄소 포집 및 저장기술, 그리 고 5) 조류를 이용한 차세대 바이오연료 기술이다.

미세조류의 연료화는 오일함량이 많은 미세조류를 이용한 바이오디젤 생산에 중점을 두고 있으나, 나머 지 바이오매스는 미생물 발효공정을 통하여 바이오에 탄올, 메탄 등의 생산이 가능하다. 또한 질소고정 미세 조류를 이용한 수소생산도 가능하며, 탄수화물함량이

높은 조류는 바이오에탄올 생산에 활용될 수 있다. 향 후 미세조류 활용기술의 큰 진전에 따라 미세조류 바 이오매스로부터 바이오디젤, 바이오에탄올, 메탄, 수 소 등 다양한 바이오연료의 산업적 생산이 가능할 것 으로 예상된다.

③ 조류는 고부가 유용물질의 보고

미세조류의 대량배양으로서 1965년 일본과 대만에 서는 건강보조식품으로서Chlorella의 상업적 생산을 시작하였으며, 1965년 프랑스에서는 사상형 남조류인 Spirulina를 단백질원으로 개발하고자 대량배양을 시 작하였다. Dunaliella로부터 추출된

β-carotene,

Haematococcus로부터 ketocarotenoid인 astaxanthin 이 상업적으로 생산되고 있다. 앞으로 미세조류 개량 기술, 고밀도 대량 배양기술, 수확기술, 물질전환기술 등 핵심기술의 발전에 따라서 미세조류 생산가는 2 Euro/kg 이하로 가능하게 되고, 연료 및 화학물질 의 대규모 시장을 형성하게 될 것이다[그림 4]. 또한 미세조류의 대량배양을 통하여 바이오매스로부터 의 약용 물질, 기능성 식품, 수산양식용 사료, 동물사료 등의 고부가 유용물질을 생산하여 경제적 가치를 창 그림 3. 미세조류 유래 차세대 바이오연료 기술[WSJ, 2009].

출할 수 있다. 즉, 미세조류 생명공학(microalgal biotechnology)은 생물산업의 활성화와 함께 이산화 탄소의 저감 등 환경산업의 발전을 도모할 수 있는 유 망한 미래 산업으로서 앞으로 큰 발전이 기대된다.

결론

현재 미세조류에 의한 바이오연료 생산의 기술, 경 제적 가치평가의 어려움은 다음과 같다. 1) 조류 연료 생산은 2006년 이후 등장한 emerging 분야로 집중적 연구가 이루어지지 못하였고, 2) 5 ha 이상의 대량배 양으로 scale-up 연구 및 경제성 분석의 경험이 없었 다[Stephens et al., 2010]는 것이다. 따라서 미세조류 연료화의 산업적 활용을 위해서 배양규모는 현재의 1,000배 이상, 생산성은 breakthrough(한계돌파형), 혁신적 기술개발 등으로 10배 수준으로 향상되어야 가능하다는 견해도 있다[Wijffels & Barbosa, 2010].

바이오연료에 대한 수요로서 FAO (UN 식량농업 기구, 2007)는 향후 2030년까지 액체 바이오연료가 전 세계 도로교통 연료수요의 4~7% 정도를 담당할

것으로 전망하고 있으며, 미국, EU, 일본, 브라질 등 많은 나라들이 바이오연료 생산에 박차를 가하고 있 다. 근래에 지구온난화와 에너지 위기가 계속되는 등 급변하는 시대를 에너지기후시대로 칭하는 상황에서 조류 생물연료 생산은 현재는 연구개발 단계이지만 기술적 진보에 의해 향후 5~15년이면 산업적 생산이 가능하다고 본다[Greene, 2010; Wijffels & Barbosa, 2010].

또한 미세조류의 대량배양을 통하여 바이오매스로 부터 의약용 물질, 기능성 식품, 수산양식용 사료, 동 물사료 등의 고부가 유용물질을 생산하여 경제적 가 치를 창출할 수 있다. 즉, 미세조류 생명공학은 생물산 업의 활성화와 함께 이산화탄소의 저감 등 환경산업 의 발전을 도모할 수 있는 유망한 미래 산업으로서 앞 으로 큰 발전이 기대된다. 따라서 이와 같은 세계적 추 세에 부응하고, 선진기술 확보로 국가 경쟁력의 우위 를 점유하기 위해서는 연구개발 및 산업화에 대하여 정부 및 산업계의 지속적인 관심과 투자가 요구된다.

그림 4. 미세조류 바이오매스의 제품군별 생산가, 잠재적 시장규모 및 가격범위[Peter van den Dorpel, Algaelink from IEA, 2009].