1. 개요

합성생물학 활용 바이오연료(Biofuel)의 생산기술과 연구 및 산업화 동향

유병조 한국생산기술연구원 IT융합소재그룹 수석연구원

1. 개요

가. 연구의 배경 및 필요성

현재 석유자원 고갈과 환경오염에 의한 지구온난화 문제로 기존 석유 기반 연료 및 화학소재를 바이오매스 기반 바이오연료와 바이오화학소재로 대체하려는 연구가 활발히 진행되어지고 있고, 몇 가지 바이오연료 및 바이오화학소재는 산업화에 도달하였다. 초기 바이오연료 및 화학소재의 개발을 위해서 옥수수, 사탕수수, 대두와 같은 식량자원을 원료로 이용하는 단계에서 목질계, 초목계 바이오매스와 미세조류 같은 비식량자원을 원료로 이용하여 기존 바이오연료 및 advanced biofuel을 생산하는 방향으로 연구와 산업화가 진행되고 있다.

최근 들어 석유자원을 대체하기 위한 바이오연료에 가장 큰 경쟁상대로 대두되고 있는 것은 세일가스다. 세일가스의 개발과 산업화는 기존 석유 및 천연가스를 점차적으로 대체할 수 있는 가장 현실적인 대안으로 바이오연료 산업의 성장속도를 지연시키고 시장 점유율을 낮추는 결과를 초래할 수 있다. 현재는 글로벌 정유사들과 산유국들의 원유가 하향조절 및 원유 생산량 증대라는 전략으로 세일가스 개발 및 산업화를 견제하고 있지만, 석유자원의 고갈 및 개발 한계는 점점 더 다가오는 현실이므로 현재 지연되고 위축되어 있는 세일가스의 개발 및 산업화는 조만간 재개될 수 밖에 없을 것으로 예측된다. 세일가스와 더불어 바이오연료의 다른

경쟁상대는 전기가 될 것이다. 바이오에탄올 및 바이오디젤이 기존 가솔린과 디젤에 일부 혼합하여 사용되어지는 것과 같이 가솔린과 전기 충전된 배터리를 혼합 사용하는 하이브리차는 현재 자동차 시장에 진입하여 점차 그 비율이 높아지고 있다.

또한 100% 전기충전에 의해 작동되는 전기차(EV, PHEV)의 개발 및 제품화도 이뤄지고 있어 수송용 연료로서 전기는 세일가스 그 이상으로 바이오연료의 강력한 경쟁상대로 자리매김하고 있다. 바이오연료의 경우 바이오매스라는 하나의 원료에 기반을 두고 있지만 전기차의 경우 기존의 원자력, 수력, 화력발전과 향후 신재생에너지원인 태양열, 풍력 및 조력 발전에 의해 생산된 전기로 작동될 수 있다는 원료 및 생산공정의 폭넓은 다양성이 바이오매스 기반 바이오연료에 비해 상당한 장점으로 작용될 수 있다.

[그림 1. 바이오매스의 경쟁물질인 세일가스 및 전기]

바이오연료 산업화에 가장 큰 걸림돌은 모두가 인지하고 있는 것처럼 지속적이면서도 경제적인 비식량바이오매스의 확보, 효율적인 전처리 및 당화공정 개발과 이에 상응하는 고효율 생산균주의 개발이다. 이러한 문제들이 해결되지 않는다면 기존 석유자원의 대체 및 향후 세일가스나 전기차와의 가격경쟁력에서 뒤쳐질 수 밖에 없는 현실이다. 이를 위해 식량자원의 부산물을 바이오매스로 활용하고, 효소 비용을 절감할 수 있는 고효율 전처리/당화공정을 개발하고 있으며, 이와 더불어 이렇게 제조된 당화액을 생장저해 없이 고효율로 대사하면서 기존 석유기반 가솔린 및 디젤 성분과 옥탄가 및 에너지 밀도가 거의 유사한 advanced biofuel를 생산할 수 있는 고효율 생산균주를 개발하는 연구가 기업 위주로 진행되고 있다. 고효율 생산균주의 개발은 목질계 바이오매스 기반 당화액에 포함된 다양한 발효당의 대사능력과 발효 저해물질에 대한 저항성 향상에 중심을 둘 수 있고, 이와 더불어 advanced biofuel를 고효율로 생산하기 위한 대사경로 설계, 유전자군 확보 및 맞춤균주 제조기술이 필요하다. 최근 들어 이러한 차세대 바이오연료 생산균주를 생산하기 위해 합성생물학(Synthetic biology) 기술들이 활용되어지고 있다.

[그림 2. 목질계 바이오매스 기반 에탄올 생산가 분석 및 핵심 이슈]

나. 활용분야

합성생물학과 대사공학의 정의와 차이점에 약간의 이견이 있을 수 있지만 본 보고서에서는 합성생물학을 기존의 대사공학기술에 기반을 둔 advanced technology로 규정지어 설명하고자 한다. 합성생물학을 이용한 바이오연료 생산기술은 다음과 같이 분류될 수 있다. 바이오매스의 전처리 후 당화공정에 사용되는 당화효소의 개량, 전처리 당화액에 대한 고내성 균주 개발, 그리고 advanced biofuel 생산을 위한 신규 대사경로 설계 및 도입과 이를 통한 맞춤 균주 제조기술이라 볼 수 있다. 이러한 개발 기술을 기반으로 현재 연구 및 산업화가 진행되고 있는 바이오연료로는 바이오에탄올, 바이오디젤, 바이오부탄올 및 advanced fuel등이 있다.

2. 국내외 연구 및 산업화 동향

본 보고서에서는 합성생물학을 기반으로 바이오연료 및 advanced biofuel을 생산하고 있는 대표적 기업들의 연구기술 및 산업화 현황을 소개하고자 한다.

우선 isoprenoid와 fatty acid biosynthesis pathway를 이용하여 각각 바이오디젤을 생산하는 대표적인 회사로 미국의 Amysris와 LS9이 있다. 미국 Amyris사는 사탕수수를 이용하여 advanced biofuel (jet fuel)를 생산하였다. 또한 Total과 합작사인 “Total Amyris BioSolutions BV"라는 Joint venture를 설립하여 advanced fuel인 farnesene(Biofene®)를 제조 판매하고 있다. 이와 더불어 farnesene 생산기술을 이용하여 Microbiogen과 협업으로 사탕수수로부터 Diesel de CanaTM를 생산하여 브라질의 도시 버스에 10% 혼합유로 활용하려고 한다. Amyris사의 Biofene® 생산균주는 non-GMO Saccharomyces cerevisiae를 이용하였다. 우선, 지속적으로 Amyris사에서 개량해온 mevalonate pathway와 farnesene synthase 유전자를 non-GMO S. cerevisiae에 도입하여 farnesene 생산균주를 개발한 후 C5 xylose를 대사할 수 있는 xylose isomerase를 farnesene 생산균주에 도입하였다.

이와 더불어 합성생물학 기술을 이용한 생합성 유전자군의 도입 및 최적화와 hydrolysate inhibitor에 대한 내성을 계속해서 향상시켜 균주를 개량하였다. 이렇게 개발된 farnesene 생산균주의 경우 hydrolyaste 포함된 acetate에 대해 13 g/L 농도에서도 생장에 전혀 영향을 받지 않을 정도로 강한 내성을 보였다. 또한 aerobic fermentation을 수행하여 생산균주 자체가 hydrolysate에 포함된 acetate를 대사할 수 있게하는 전략을 선택하였다. 이렇게 생산된 farnesene을 한단계화학반응을 통해

기존의 디젤연료와 같은 바이오디젤로 전환시키게 된다. Amyris사의 기존 항말라리아 치료제인 Artemisinin과 같이 precursor를 바이오공정으로 생산하고 마지막 단계를 화학공정으로 수행하는 융합공정을 바이오디젤 생산에도 사용한 것이다.

[그림3. Amyris사 개발 farnesene 생산균주, 출처 : Biofuels for Advancing America, NABC, Aug. 30. 2013.]

미국 LS9사는 one-step fermentation process를 이용하여 DesignerMicorbesTM라는 기술을 개발하여 기존 바이오에탄올 및 부탄올 보다 에너지 함량이 높은 UltraCleanTM라는 바이오연료를 개발하였다. 이러한 기술을 기반으로 B100으로 불리는 100% 사탕수수유래 바이오디젤을 생산하여 기존 석유기반 디젤 대비 Nox 배출 15%, 미세먼지 77%, 및 흑연 42% 감축 효과를 증명하였다. LS9의 핵심 기술은 Escherichia coli에서 fatty acid biosynthesis pathway를 이용하여 alkane을 생산하는 것이다. 그림 4에서 보는 것과 같이 발효 진행 중에 생성된 바이오디젤이 배양액과 분리되어 쉽게 회수할 수 있으므로 ons-step fermentation process라 명명됐다. 이는 연속발효 공정을 가능케 할 뿐만 아니라 분리/정제 비용을 감소시켜 제품의 가격 경쟁력을 높일 수 있다. E. coli에서

fatty acid는 coenzyme A 또는 acyl carrier protein에 의해 생성되는 acyl-CoA와 acyl-ACP가 각각 상기 바이오디젤의 starting molecule이 된다. LS9는 합성생물학 기술을 이용하여 E. coli에서의 fatty acid biosynthesis pathway의 효율을 높인 바이오디젤 생산용 platform chassis를 제조하였고, 여기에 LS9의 synthetic pathways를 더해서 alkane, aldehyde, alcohols, olefin등의 생산기술을 개발하였다.

최종산물의 생산량 향상을 위해 beta-oxidation에 관련된 fadD와 fadE 유전자를 제거하여 생산 농도를 3~4배 높였다.

[그림 4. LS9사의 대장균 기반 바이오디젤 생산 기술]

출처: http://www.wesrch.com/wiki218

이와 더불어 cellulosic biomass 유래 발효당을 사용하기 위해 Bacteriodes ovatus 유래 xylanase(Xsa)와 Clostridium stercorarium 유래 endoxylanase(Xyn10B)를 E.

coli 생산균주에 도입해 발현시키므로써 consolidated bioprocessing용 균주를 제작하고 있다. 앞서 설명된 Amyris사와 차이점을 살펴보면 E. coli 기반 fatty acid biosynthesis pathway와 S. cerevisiae 기반 isoprenoid biosynthesis pathway의

차이가 있으며, 또한 Amyris사의 경우는 마지막 산물의 분리 후 화학전환이 필요한 반면 LS9사의 경우 최종산물까지 바이오공정을 생산할 수 있다는 것이다. 또한 최종산물의 energy content 또한 LS9사의 UltraCleanTM이 높은 편이다. 두 회사 바이오디젤 생산의 주요 공통된 기술 중 하나는 생산균주가 최종산물을 분비하여 분리/정제가 매우 용이하다는 것이다. 이것은 분리/정제 비용을 크게 절약하여 생산가 절감에 기여할 수 있다.

미국 Gevo사는 기존의 바이오에탄올 공장을 개조하고 Gevo Integrated Fermentation Technology(GIFTTM)라는 기술을 이용하여 바이오부탄올을 상용화하려 하고 있다. 이를 위해 Cargill사의 생산균주와 Liao그룹의 대장균 생산균주 및 발효공정기술에 대한 기술이전을 했다. Liao그룹은 발효기 내 생산되는 이소부탄올이 즉시 회수되어 발효조 내 이소부탄올의 농도를 대장균 생장에 적당한 농도를 유지할 수 있도록 하는 Gas stripping 장치를 개발하여 72시간 동안 5%의 이소부탄올을 생산하였다(Baez et al., Appl. Microbiol. Biotechnol. 90:1681-1690, 2011). 이러한 연속추출 발효공정을 이용한 이소부탄올의 생산은 기존의 이소부탄올의 내성 한계에 대한 약점을 극복하여 바이오이소부탄올의 상업화에 큰 기여를 했다. 이에 Gevo사는 Vaccum Flash Distillation 공정을 결합한 GIFT기술을 개발한 것이다. 또 다른 이소부탄올 생산회사인 Butamax사는 In-situ Liquid-Liquid Extraction과 Gas stripping 기술을 결합한 추출 발효공정을 개발하여 상업화를 추진하고 있다. 이처럼 이소부탄올의 내성한계 문제해결에는 합성생물학을 이용한 균주 개량도 기여를 했지만, 발효공정을 개선함으로써 문제를 해결하였다. 또한 Abengoa사는 catalytic condensation기술을 개발하여 두 개의 에탄올을 하나의 부탄올 생산하는 기술을 개발하여 상용화 진행을 하고 있다. 이외에도 영국의 Green Biologics사는 유전자 조작된 바이오부탄올 생산균주를 개발하여 ButafuelTM이라는 제품을 개발하여 scale-up을 진행하고 있다.

프랑스 Global Bioenergies사는 가솔린 대체 연료로 isobutylene을 생산하는 연구를 진행하여 현재 독일 라이프치에서 상용화 전단계의 pilot plant 실증사업을 벌이고 있다. Isobutylene을 자연적으로 생산하는 균주의 보고는 있지만 유전자 조작 및 효율의 문제점이 있기 때문에 Yeast, E. coli, 및 Corynebacterium에서 새로운 대사경로를 설계하여 생산균주를 개발하려고 한다. 그림에서 보는 것과 같이 중간체에 따른 세 가지 isobutylene 생합성 경로가 설계되었고 이를 기반으로 포도당에서 isobutylene을 직접 발효 생산할 수 있는 균주를 개발하였다.

Isobutanol이 전구체인 경우 oleate hydratase라는 효소를 이용하여 isobutanol을 isobutylene으로 전환할 수 있다. 하지만, oleate hydratase는 원래 oleic acid를 기질로 하여 R-10-hydroxystearate로 전환하는 효소로써 isobutylene 생산에 있어

역반응을 일으킬 수도 있다. 따라서, 효소개량을 통한 반응성 향상 전략과 신규 전환효소 발굴의 필요가 있다. 두 번째 대사경로는 isovalerate를 전구체로 갖는 경로로 Cytochrome P450에 의해 isobutylen을 생합성하는 경로이다. 세 번째 합성경로는 3-hydroxy isovalerate를 mevalonate diphophate decarboxylase에 의해 isobutylene을 생산하는 경로이다. 두 번째 세 번째 대사경로에서는 cofactor imbalance가 문제가 되며 세 가지 경로의 이론적 수율(g/g glucose)은 0.312, 0.156 및 0.208로 다소 낮은 편이다.

[그림 5. Isobutylene 생합성 경로]

Joule사는 폐기되는 CO2와 태양광선, 그리고 유전자 조작된 cyanobacteria를 이용하여 Sunflow-E와 Sunflow-D라는 바이오에탄올 및 디젤(diesel-range alkanes) 상용화를 위한 연구를 진행하고 있다. 이와 더불어 가솔린과 jet fuel 생산을 위한 Sunflow-G, Sunflow-J 공정을 개발하고 있다. Joule사는 상기 바이오연료를 생산하기 위해 genome engineering을 이용하여 고효율 cyanobacteria 생산균주를 제조하여 바이오에탄올, 바이오디젤을 생산하고 있다. 또한 공장에서 폐기되는 CO2를 이용하고 태양광선을 효율적으로 활용하여 광합성을 진행시킬 수 있는 배양법(Helioculture)을 개발하여 효율을 향상시켰다. 미국 Algenol사는 hybrid algae를 개발하여 이산화탄소, 물, 태양광을 이용하여 바이오에탄올을 생산한다. 이를 위해 특수 제작한 flexible film photobioreactor를 사용했다.

[그림 6. Joule사의 Sunflow-E ethanol 생산을 위한 Helioculture system]

출처: http://www.algaeindustrymagazine.com/joule-gets-epa-clearance-modified-cyanobacteria

3. 전망 및 제언

앞서 주요기업들의 기술개발 동향을 살펴보더라도 비식량 바이오매스를 원료로 활용하여 기존의 석유유래 가솔린, 디젤과 유사한 바이오연료 생산을 목표로 하고 있으며 생산가 절감을 위해 생산균주에서 분비되어 쉽게 분리/정제가 용이한 생산시스템을 개발하고 있다. 즉, 기존의 상업화된 단순한 바이오에탄올과 부탄올에서 탄소수가 기존 가솔린, 디젤과 거의 유사한 farnesene이나 alkane의 생산으로 방향이 전환되고 있다는 것이다. 현재 상용화 되고 있는 바이오에탄올만큼의 전환율에는 미치지 못하지만 산업화를 위해 합성생물학 기술을 이용한 연구개발로 전환율을 급속도로 향상시킬 수 있을 것으로 예측된다.

바이오에탄올의 경우 옥수수나 사탕수수 같은 식량자원에서 목질계 바이오매스 유래 발효당을 원료로 하는 생산시스템으로 전환하여 산업화가 진행되고 있지만, 옥수수 바이오에탄올의 경우에도 발효 부산물을 건조하여 가축 사료로 재이용함으로써 새로운 경제적 우위성을 확보하고 있다. 미세조류를 이용한 바이오디젤 및 바이오에탄올 생산의 경우 기존 옥수수 유래 바이오에탄올과 비교하여 단위 면적당 생산성이 10배 가까이 높다는 수치적 결과는 나오지만, 바이오에탄올과 같이 활발히 상용화되지 못하는 것은 광배양시스템 효율성 및 경제적 배지조성과 같은 해결해야할 문제들이 아직도 존재하고 있기 때문일 것이다.

기존의 견고한 인프라를 구축하고 있는 옥수수 및 사탕수수를 이용한 바이오에탄올 산업은 향후 목질계 바이오매스를 이용한 advanced biofuel이 시장에 안정적으로 도입되고 성장기에 도달할 때가지 지속적으로 유지가 될 것이며 자체적으로도 advanced biofuel가 가격 경쟁력 면에서 경쟁할 수 있는 자구방안을 지속적으로 마련할 것으로 예상한다. 향후 개발되는 advanced biofuel 생산도 바이오매스 원료로 옥수수 및 사탕수수를 활용하여 시장에 진입하면서 동시에 목질계 바이오매스를 원료를 활용하는 전략을 구축할 것으로 생각된다.

마지막으로 바이오연료 산업이 발전할 수 있는 전환점은 글로벌 정유사가 세일가스가 아닌 바이오연료 개발과 산업화에 참여하느냐에 달려있다고 본다.

세일가스 개발이 왕성히 진행되어 사업화가 될 시점에서 전략적으로 석유생산량 증대와 이로인한 유가하락으로 세일가스 생산기업들을 파산으로 몰고 간 것은 글로벌 정유사가 세일가스 생산업체를 자신들을 위협할 수 있는 진정한 경쟁상대로 보고있다는 반증이다. 이는 파산된 세일가스 전문 생산기업들을 글로벌 정유사가 인수하고 사업화를 재기할 수 있다는 가능성도 보여주고 있는 것이다. 이렇게 되면 석유 고갈 후 세일가스가 고갈될때까지 바이오연료 시장은 또 한번 뒷전으로 물러날 수도 있다는 것이다.

앞서 언급된 것처럼 글로벌 기업들은 기존 석유유래 가솔린, 디젤과 유사한 탄소수와 에너지 함량을 가지고 있는 바이오연료를 개발하고 있다. 바이오매스 자원이 턱없이 부족한 우리나라가 경쟁에서 밀려나지 않고 생존하기 위해서는 기존 보다 더 향상된 advanced biofuel 생산균주 및 생산공정을 개발하여야 한다. 그리고 업의 성격상 바이오연료 산업은 우리나라 주요 대기업들을 중심으로 학연의 기술적 협업을 통해 진행되어져야 한다고 판단된다. 마지막으로 합성생물학을 이용한 고효율 생산균주의 개발과 더불어 다양한 비식량 바이오매스를 고순도 무저해 발효당으로 전환할 수 있는 기술 또한 큰 비중을 두고 개발하는 정책도 필요하다고 생각된다.

참고문헌

1. Biofuels for Advancing America, NABC, Aug. 30. 2013.

2. http://www.wesrch.com/wiki218

3. http://www.algaeindustrymagazine.com/joule-gets-epa-clearance-modified-cyanobacteria

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