기획특집 생물학적 CO－ 2 전환기술
미세조류를 이용한 이산화탄소 고정 및 바이오디젤 생산
오 희 목†⋅안 치 용 한국생명공학연구원 환경바이오연구센터
CO2 Fixation and Biodiesel Production using Microalgae
Hee-Mock Oh† and Chi-Yong Ahn
Environmental Biotechnology Research Center, Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology (KRIBB), Daejeon 305-806, Korea
Abstract: 지구온난화 및 화석연료의 고갈이라는 전지구적 차원의 환경문제가 대두됨에 따라 이를 해결하기 위한 다양 한 시도들이 이루어지고 있으나, 미세조류를 이용한 CO2의 고정 및 바이오디젤의 생산이 이들의 해결을 위한 가장 현 실적인 대안으로 떠오르고 있다. 미세조류가 성공적인 대안이 되기 위해서는 우선 CO2 흡수능이 뛰어난 종을 선별해야 하고, 유전자 조작을 통한 개량이 필요하다. 또한 경제적인 바이오에너지 생산을 위해서는 저렴하면서도 오염의 우려가 없는 대량배양 방법을 확립해야 하며, 효율적인 수확방법의 개발도 필요하다. 그리고 마지막 공정으로, 추출한 지질을 transesterification 반응을 거쳐 바이오디젤로 전환해야 한다. 이러한 각 단계별 최적의 방법을 개발하는 것이 향후 기 후변화 협약 및 바이오연료 시장에서의 주도권을 차지하는데 중요한 역할을 할 것이다.
Keywords: CO2, microalgae, biodiesel, global warming
1. 서 론1)
인간 활동의 영향으로 다량의 이산화탄소가 방출되고, 대기 자정능력을 갖는 열대우림의 훼손이 확대되면서, 대기 중의 이산화탄소 농 도는 18세기 산업혁명 이후 280 ppm에서 379 ppm (2005년)으로 증가됨에 따라 지구온난화 가 가속화 되고 있다. 또한, 2008년 7월 국제 유가는 $140.70/배럴(두바이유)로 최고치를 기 록하였으며, 부존 석유자원의 고갈로 원유가의 지속적 상승이 예상됨에 따라 이를 대체하기 위한 신재생에너지로서 바이오연료가 각광받 고 있다[1,2]. 이와 같이 최근 국내는 물론이 고 전 세계적으로 지구온난화에 따른 기후변 화와 고유가에 의한 에너지위기가 동시에 대 두되었다.
재생에너지로 분류되는 작물을 이용한 생물
†주저자 (E-mail: [email protected])
연료의 생산은 신재생에너지 생산을 통한 에 너지 위기 해결의 가능성이 있으나 경작지 확 대에 따른 생태계 파괴, 식량부족 등의 문제가 새롭게 제기되고 있다. 따라서 소위 2세대 생 물연료로 분류되는 식물의 셀루로즈 또는 리 그닌, 생물폐자원, 초본, 미세조류 등은 생산된 생물연료가 작물과 경쟁하거나, 생태계 균형파 괴 등의 단점이 없는 유망한 재생에너지 자원 으로 고려되고 있다.
대표적으로 광합성 미생물인 미세조류는 이 산화탄소 저감 및 바이오연료 생산에 용이하 다. 생명공학기술을 이용한 균주개량에 의해 생물학적 고정화 기술의 breakthrough가 가능 하고, 자체 균주개발, 대량 배양기술 등의 원 천기술 개발이 가능하다. 이산화탄소의 생물학 적 전환 및 처리는 자연계 물질순환의 기본 원리인 광합성(photosynthesis)을 이용하는 것 으로써 환경친화적 방법이며, 공정이 상온⋅상 압에서 이루어지고, 생산된 biomass를 유용물
질로 활용한다는 장점이 있다.
따라서 이산화탄소를 효과적으로 저감하기 위한 방법의 하나로, 연소 배가스를 이용하여 미세조류를 대량배양하고 더불어 바이오디젤 을 생산하여, 지구적 환경문제인 지구온난화의 해결과 대체에너지 생산을 동시에 달성할 수 있다.
2. 국내외 동향
2.1. 국외 동향
미국은 1970년대 전 세계적 석유파동을 겪 으면서 DOE (Department of Energy, 미국 에너 지성)의 NREL (National Renewable Energy Laboratory) 주관으로 1978∼1996년에 걸쳐 약 0.25억불의 예산으로 ‘Aquatic Species Program (ASP)’으로 생물연료를 생산하기 위한 미세 조류 탐색, 대량배양 등의 연구를 수행하였다 [3]. ASP 과제수행을 통해 3,000종 이상의 미 세조류에 대하여 생물연료 생산능력을 비교하 였으며, 지질합성에 관련된 핵심 효소인 ace- tyl-CoA carboxylase (ACCase)의 형질전환에 성공하였으나, 지질의 함량은 크게 증가하지 않았다. 또한, 1995년 조류 오일의 생산가는 59∼186불/barrel로서 원유가인 20불/barrel에 비해 너무 높다는 어려움이 있었다[3].
최근에 미국 DOE의 주관으로 추진하고 있 는 ‘Genomes To Life (GTL) Program’은 2001
∼2010/20의 장기 연구프로그램으로 미생물의 유전체 연구를 통하여 지구온난화, 에너지 고 갈 등 21세기 지구적 규모의 당면문제 해결을 목표로 한다. 2009년에는 이산화탄소 흡수에 의한 지구온난화 방지와 동시에 바이오디젤을 생산할 수 있는 대표적 미세조류인 Botryoco- ccus braunii의 유전체 분석을 시작하였으며, 이를 토대로 분자적 균주개량의 큰 진전이 기 대된다.
또한, 조류로부터 생물연료를 생산하는 회사 는 최근에 크게 증가하였으며, 전 세계적으로
150개 이상으로 추정된다[3]. 대표적으로 미국 의 GreenFuel 사는 high-yield algae farm을 조성하여 현장 배양이 가능한 조류 선별, 경제 적 생장 및 위험성 최소화, 상업적 규모 등의 단계로 시스템 개발을 추진하고 있다. 현재 Redhawk 발전소의 배가스를 이용하여 미세조 류 대량배양 중에 있으며, 이로부터 이론적으 로 최소 5,000 gallons의 바이오디젤 생산을 예상하고 있다.
일본의 지구환경산업기술연구소(Research In- stitute of Innovative Technology for the Earth, RITE)는 1990∼1999년까지 10년간에 걸쳐 약 1,000억원($133 million)의 연구비를 생물학적 이산화탄소 고정화 연구에 투자하였 다. RITE는 2004년부터 이산화탄소로부터 유 용물질의 생산을 위한 기초 연구로써 미생물 을 이용한 이산화탄소 고정 시스템의 향상과 특성, 세포 내 에너지 전환 향상에 관한 연구 를 수행하고 있다.
생물학적 이산화탄소 고정화 연구를 위한 국제 Network인 INMB (International Network for Microalgae Biofixation)의 연구목표는 2012 년까지 실현 가능한 기술개발로써 미세조류 생산성을 현재의 50 dw ton/ha/yr (20 g dw/
m2/d, 250일 운영시)로부터 2배 수준인 100 dw ton/ha/yr으로 증대시키는 것이다[4]. 이 때 이산화탄소 저감효과는 10 ton CO2/ha of algal pond에 달한다. 또한 장기적으로는 미세 조류의 배양면적을 점차 늘려 전 세계적으로 천만 ha 규모(전 세계적으로 운영되고 있는 새우와 물고기 양식장의 크기와 유사한 규모) 의 pond에서 미세조류를 배양하여 1 Gt의 이 산화탄소 방출 억제효과를 내는 것이다.
근래에 조류로부터 생물연료 생산에 대한 산⋅학⋅연⋅관의 관심이 크게 증가되면서 조 류의 생물연료화에 관한 다양한 국제회의가 개최되고 있다. 2009년 한해에만 유럽 Rotter- dam에서는 4월에 “Algae World 2009"가 개 최되었고, 미국 National Algae Association (NAA)은 9월에 “Algae Commercialization,
Research and Business Networking Forum"을 그리고 Algal Biomass Organization (ABO)은 10월에 “2009 Algae Biomass Summit"을 개최하 며, 인도의 Growdiesel Climate Care Council은 9 월에 “2nd Algae Biofuel Summit 2009"를 개 최한다.
2.2. 국내 동향
이산화탄소의 생물학적 고정화 연구는 1998 년 과학기술부의 환경기반기술개발 중점사업 의 이산화탄소 생물학적 처리기술로부터 시작 되었다고 볼 수 있다(한국에너지기술연구원).
그 후 교육과학기술부의 21세기프런티어연구 개발사업 중에서 ‘이산화탄소 저감 및 처리기 술개발사업’(’02∼’12)의 ‘생물학적 전환에 의 한 이산화탄소 고부가 생물제품 기술 개발(한 국생명공학연구원, 성균관대학교)’이 의약 원 료, 기능성 사료, 바이오디젤 생산을 목표로 지속적으로 추진되고 있다. 최근에 미세조류로 부터 생물연료 생산에 대한 관심이 높아지면 서 지식경제부 신재생에너지기술개발사업('07
∼'10), 전력산업연구개발사업(’07∼’10), 농림 수산식품부 등에서도 이와 관련된 기초연구가 수행되고 있다.
미세조류의 산업적 활용으로서 미세조류에 의한 축산폐수의 처리와 생산된 조류의 bio- mass 활용 면에서 Spirulina, Chlorella 등의 배 양에 대한 연구, 미세조류를 이용한 이산화탄 소의 고정, 미래 부존 석유자원의 고갈에 대비 한 미세조류의 대량배양에 의한 biodiesel의 생 산에 관한 연구는 대학, 연구소 등에서 소규모 적으로 수행된 바 있으나 전반적으로 국내에 서 algal biotechnology는 시작단계로서 미세조 류주 확보, 기반기술 개발 수준으로 평가된다.
근래에 지구온난화 및 에너지 위기에 적극 대처하기 위해 국가에서는 “기후변화 대응 국 가연구개발 중장기 마스터플랜(’08)"을 수립하 여 투자 우선순위 및 R&D 포트폴리오를 설정 하고 전략적으로 재원을 배분하고자 하는 국 가종합기본계획을 수립하였다. 또한 새로운 국
Figure 1. 생물학적 이산화탄소 고정 및 바이오디 젤 생산 공정도.
정 패러다임인 “저탄소 녹색성장"을 견인할 범부처 차원의 녹색기술 연구개발 종합대책이 확정되었다(2009. 1. 13.).
3. 주요 공정
이산화탄소의 생물학적 고정 및 바이오디젤 생산의 주요 공정은 ① 연소 배출가스 이용,
② 미세조류의 기능강화(균주 개량), ③ 미세 조류의 대량배양에 의한 이산화탄소 저감 실 현, ④ 미세조류의 biomass로부터 바이오디젤 생산으로 구분해 볼 수 있다(Figure 1).
3.1. 미세조류의 탐색 및 개량
배출원으로부터 이산화탄소의 생물학적 고 정을 실현하기 위해서는 고농도의 이산화탄소 및 각종 화합물이 혼합된 배출가스가 수중에 주입되는 상태에서 광합성능이 우수하고, 지속 적인 배양이 가능한 조류종의 탐색이 무엇보 다 우선되어야 한다.
광합성 효소인 RubisCO 내로 무기탄소의 운송은 광합성능을 결정하는 중요한 요인이다.
남조류인 Synechocystis sp.의 탄소농축기구 (carbon concentrating mechanism, CCM)는 에너지 의존적 수송체에 의한 무기탄소의 세
포 내 축적과 대부분의 RubisCO가 위치한 car- boxysome 내에서 carbonic anhydrase에 의한 이산화탄소 고정의 두 단계로 구분될 수 있으 며, 이에 관여하는 유전자의 분석이 이루어진 바 있다. 분자생물학의 발달은 특정물질의 생 산이 우수하며 다른 미생물과 경쟁하여 생존 할 수 있는 유전적으로 조작된 미생물(geneti- cally engineered microorganisms, GEMs)의 개 발을 가능하게 하였다. 따라서 자연계로부터 분 리한 미세조류에 대하여 돌연변이 유발과 같 은 재래식 방법을 사용하거나 외부 유전자의 도입 및 유전자 조작 등을 통하여 세균에 대 한 내성이 강하며, 최종적으로 생산수율이 높 고 생장이 왕성한 우량 미세조류의 개발에 대 한 연구가 수행되고 있다.
유전자 조작에 의한 식물체의 형질전환(tran- sformation)은 외래의 유전자나 세포기관을 다 른 세포로 옮겨서 발현되도록 유도하는 것이 다. 유전자 조작은 동물, 식물, 미생물에 걸쳐 광범위하게 적용되는데, 특히 조류를 포함한 식물체는 재분화가 가능하고, 동물보다 취급이 쉬우며, 형질전환에 대한 사회윤리적 제약이 상대적으로 적으므로 발전의 여지가 훨씬 크 다 할 수 있다. 식물의 유전자 조작에 대한 형 질전환을 성공시키기 위해서는 다음의 4가지 조건이 충족 되어야 한다. 즉 유용유전자의 선 정 및 분류법, 분리된 clone의 유전자조작법, 유전자의 식물세포 내로의 도입방법, 형질전환 체의 선발 및 재분화법의 확립이다.
원핵 광합성 미생물인 남조류 중에서 염기 서열분석이 가장 먼저 이루어진 종은 Synecho- cystis sp. PCC 6803으로 1996년 일본 Kazusa 연구소에서 수행되었으며, 유전체 크기는 3.7 Mb에 이른다. 현재까지 가장 작은 유전체 크 기를 갖는 남조류는 2001년에 조사된 Pro- chlorococcus marinus MED4로 유전체는 1.7 Mb로 해산 종이며, 질소고정능이 없다. 반면 에 Nostoc punctiforme ATCC 29133의 유전 체 크기는 9.2 Mb로 매우 크며, 질소고정능이 있다.
미세조류는 지구상에서 유기탄소고정의 50%
이상을 담당하고 있다. 유전공학을 이용한 미세 조류의 지질생산에 대한 연구는 최초로 1996년 형질전환 규조류를 이용하여 시도되었다[5]. B.
braunii race B로부터 지질합성 유전자를 E.
coli에 도입하여, 탄화수소의 생산을 신속히 진 행되도록 하는 연구가 수행된 바도 있다[6].
유전자 변형이 성공적으로 이루어지는 미세조 류의 수는 아직 많지 않은 실정이다. 가까운 장래에 효율적 “cell-factory"로서 유전자변형 미세조류를 이용하여 carotenoids, 불포화지방 산, 수소, 생물연료 등의 유용 물질을 생산하 게 될 것이다.
3.2. 미세조류의 scale-up 대량배양
미세조류는 고등식물에 비하여 배양장치가 단순하고 차지하는 토지면적이 적은 유리한 점을 지니고 있다. 미세조류의 배양을 위해서 는 탄소원으로 이용되는 이산화탄소를 적정량 공급하는 것이 필수적이며, 광합성 효율을 극 대화하기 위해서는 광량 및 광도의 조절과 최 적화, 온도조절, 혼합 그리고 영양염류의 균형 있는 공급 등이 수반되어야 한다. 미세조류 대 량배양의 실제적 방법으로는 대표적으로 Race- way pond (수로형 연못) 배양과 Photobior- eactor (광생물반응기) 배양으로 구분할 수 있다.
수로형 연못은 개방형 배양시스템으로써 한 개 또는 몇 개의 channel이 연결되어 순환하 도록 구성되며, 깊이는 약 0.3 m이다. Channel 은 콘크리트, 플라스틱 등의 재질로 제작되며, 배양액의 순환 및 미세조류의 침강을 방지하 기 위해 수차(paddle wheel)를 설치한다(Figure 2). 배양액의 냉각은 증발에 의해 조절되며, 미세조류 biomass의 증산을 위해 공급되는 이 산화탄소의 많은 부분이 대기 중으로 손실되 므로 광생물반응기에 비하여 광합성 효율이 낮은 단점이 있다. 미세조류의 생산성은 다른 미세조류 및 미생물에 의한 오염(contamina- tion)에 의해 크게 영향을 받게 된다.
실제로 미국 DOE에서 미세조류로부터 바이
Figure 2. Raceway pond (수로형 연못)[7].
오디젤을 생산하기 위해 수로형 연못을 사용 한 바 있으며, 광생물반응기에 비하여 운영비 가 적게 들지만 biomass 생산성이 낮다는 단 점이 있다. 현재 운용되고 있는 가장 규모가 큰 수로형 연못은 Earthrise Nutritionals (미 국)에서 식용의 목적으로 남조류를 생산하고 있는 440,000 m2 규모이다.
일본에서는 Nannochloropsis sp., Phaeoda-
ctylum sp. 등의 미세조류를 화력발전소의 배
출가스를 이용하여 수로형 연못에서 배양을 실시하여 생산된 생물량을 고체연료로 사용하 였다[8]. 이때 미세조류의 생산성은 42 g/m2/ d, 이산화탄소의 평균이용률은 54%, 이산화탄 소 고정량은 48 tC/ha/yr이며, 조류배양조 설 치에 필요한 토지면적은 8,900 ha에 달하였다.
특히 개방형 배양의 경우 다른 조류종에 의한 간섭, 환경변화에 따른 생산물 변화 등의 어려 움이 있으므로, 조류의 생리, 영양요구 등에 대한 기초연구를 바탕으로 물질생산의 최적조 건을 맞추어야 한다.
미세조류로부터 생물연료 생산을 위한 대량 배양방법으로 폐쇄형 배양시스템인 관형 광생 물반응기를 고려할 수도 있다[9]. 광생물반응
Figure 3. 관형 광생물반응기(Tubular photobio- reactor)[9].
기는 미세조류 배양용 배지저장기(Medium re- servoir)와 광수집기(Solar collector or Tubular array)로 구성된다(Figure 3). 비용절감을 위 해 광원은 태양광을 이용하고, 대규모 scale- up 배양이 가능하도록 제작한다. 광수집기는 플라스틱 또는 유리재질의 투명관을 병렬로 연결하며, 태양광을 잘 받도록 배열한다. 광의 투과를 높이기 위해 관의 직경은 0.1 m 이내 로 한다. 배지저장기는 신선한 배양용 배지가 일정한 속도로 계속적으로 공급되도록 하고, 동량의 배양된 배양액이 회수되도록 한다. 야 간에는 배지의 공급을 중단하지만 미세조류의 침강을 막기 위하여 계속적으로 교반을 해 주 어야 한다. 통상적으로 주간에 생산된 광합성 산물의 25%는 야간에 조류 세포의 활동을 유 지하는 데 사용된다.
광합성은 유기물질의 합성과 함께 산소를 생산, 방출하게 된다. 한 낮에 광생물반응기 내의 산소 농도는 크게 증가하여 광합성을 저 해하고, 더욱이 강한 광선과 함께 세포에 광산 화 저해(photooxidative damage)를 주게 되므 로, 용존산소 농도는 대기 중 포화농도의 400%
를 넘지 않도록 유지하여야 한다. 따라서 배지 저장기에는 산소를 제거할 수 있는 Degassing column이 부착되어 축적된 산소를 주기적으로 제거하여야 한다. 이를 위해 관형 광생물반응 기의 관의 길이는 일반적으로 80 m를 넘지 않도록 한다.
Molina et al. [10]은 200 L 규모의 airlift 순 환형의 관형 광생물반응기를 제작하여 Phaeo-
dactylum tricornutum의 옥외배양을 실시하였다.
희석률을 0.04/h로 하였을 때 biomass 생산성 은 1.90 g/L/d (32 g/m2/d)로 조사되었다. 배 양액의 유속은 0.50 또는 0.35 m/s에서는 bio- mass 생산성에 차이를 보이지 않았다. 참고로 미세조류의 이론적 최대 생산성은 100∼200 g/m2/d로 알려져 있다[3]. 높은 산소 농도와 마찬가지로 강한 광선은 광산화(photooxida- tion) 작용에 의해 미세조류 biomass의 생산성 을 감소시켰다. 국내에서는 이산화탄소의 저감 에 중점을 둔 연구로는 Chlorella를 이용한 이 산화탄소의 고정화 연구 등이 있다[11].
3.3. 미세조류의 수확
미세조류의 대량배양을 통한 유용물질의 생 산과정에서 해결되어야 할 중요한 과제 중의 하나가 경제적인 수확(harvesting) 방법의 개 발이다. 대부분의 미세조류는 배양액에서의 농 도가 낮으며, 크기가 30 µm 이하이고, 물의 밀도보다 약간 크다는 이유로 분리하기가 용 이하지 않다. 적합한 수확방법은 조류의 종 및 조류로부터 얻어질 유용물질의 용도에 따라 달라진다, 배양된 조류의 수확은 여과(filtra- tion), 침전화(sedimentation), 부유(flotation), 원심분리(centrifugation), 응집(flocculation) 등 과 같은 복잡한 과정을 통해 이루어지며, 많은 비용이 소모된다(Table 1).
미세조류 종(species)에 따른 특이적 수확방 법으로써 Botryococcus sp.와 같이 지질함량이 높은 경우에는 비중이 낮아져 부유하는 물리 적인 특성을 잘 이용하여 배양된 조류체를 경 제적으로 수확하는 방법도 고려할 수 있다. 대 량의 미세조류 biomass를 수확하는 방법으로 2차오염의 우려가 있는 화학응집 대신, 생분해 성이 있으며 환경친화적인 미생물응집제의 이 용을 고려할 수 있다[12].
Biomass의 회수 비용은 수로형 연못과 관형 광생물반응기에서 크게 차이가 있다. 일반적으 로 광생물반응기는 고밀도 배양이 가능한데 수로형 연못에 비해 거의 30배에 달한다. 수확
Table 1. 미세조류 수확법의 특성[13]
Method Reliability Energy requirement
Quality for conversion Centrifugation Good High Good Chemoflocculation Good High Poor Sand filtration Fair Low Poor Ultrafiltration Good High Good Microsieving Poor Low Poor Bioflocculation Poor Low Good
비용도 수로형 연못의 극히 일부면 가능하다.
3.4. 미세조류 biomass의 바이오디젤 전환 바이오디젤의 생산을 위해서는 수확된 미세 조류 세포의 파쇄, 지질 추출 그리고 바이오디 젤로 전환하는 transesterification 공정개발이 필요하다(Figure 4). 미세조류 중에서 지질함 량이 높은 종으로 알려진 B. braunii의 배양 최적화에 관한 연구로써 Dayananda et al. [14]은 최적배지는 BG11이라고 하였으며, 명 암주기는 16 light：8 dark cycle, 광도는 1.2
± 0.2 klux, 온도는 25 ± 1 ℃로 6주간 배양하 였을 때 B. braunii LB 572 균주의 생산성은 2.8 g/L, 탄화수소 함량은 33%로 조사되었다.
Qin[15]은 B. braunii로부터 생물연료를 생산 할 목적으로 배양의 최적조건을 도출하였다.
즉, B. braunii로부터 최대의 biomass와 탄화 수소를 생산하기 위해서는 온도 23 ℃, 광도 30∼60 W/m2, 광주기 12 light：12 dark, 그 리고 염도는 8.775‰ 배지를 사용하는 것이 최 적조건임을 밝혔다. Rao et al.[16]에 의하면 2.0% (v/v)의 이산화탄소는 25일간의 B. brau- nii 배양에서 biomass를 2배 정도 증가시켰으 며, palmitic acid, oleic acid의 양을 2.5∼3배 정도 증가시켰다. 국내에서는 연소 배출가스에 포함된 약 5.5% 농도의 이산화탄소를 공급하 면서 B. braunii 배양시 건조중량이 1.2 g/L, lipid 함량은 24%로 조사되었다[17]. 또한 축
Figure 4. 미세조류 바이오디젤 생산 공정(세포 파쇄 → 지질 추출 → 바이오디젤 전환).
산폐수를 이용한 탄화수소 생산의 최적화 연 구[18], Botryococcus sp., Chlorella vulgaris 그리고 Scenedesmus sp.로부터 지질추출의 효 과적 방법에 관한 연구[19] 등이 보고되었다.
일례로, 지질로부터 바이오디젤 생산공정으 로 브라질의 Maringa 대학 연구팀은 에탄올이 포함된 다양한 자원들로부터 얻은 리파아제를 사용하여 야자유로부터 높은 생산효율을 가진 바이오디젤을 생산하였다[20]. 이러한 리파아 제를 이용한 바이오디젤로의 전환은 다음과 같 은 장점을 지닌 것으로 보고되고 있다. ① 촉 매 반응의 부작용 해결가능, ② 낮은 반응온도,
③ 글리세롤 회수가 간단함, ④ 제거해야 할 촉매들이 없거나 처리해야 할 폐수도 없음, ⑤ 폐기름과 지방들에 있는 무지방산을 완벽하게 알킬에스테르로 전환 가능, ⑥ 효소들은 재이 용 또는 고정화를 위하여 재활용 가능 등이다.
한편, Pseudomonas fluorescens로부터 얻은 리파아제를 이용하는 경우에는 가장 높은 효 율인 98%의 전환율을 나타냈고, 지방산 에틸 에스테르의 순도는 높고 글리세롤 물질이 포 함되지 않은 것으로 나타났으며, 낮은 수분 함 량(0.02 wt %)과 0.8의 비중을 보였다.
바이오디젤로의 전환을 위한 공정들 중, 기 존 촉매를 이용하거나 산성 촉매 에스테르화
반응을 이용한 공정과 같은 전통적인 방법들 은 반응 시간이 느리고 필요한 메탄올의 양이 많으며, 공정 중에 원하지 않은 비누 성분들이 발생하는 등의 경제성 문제에 대한 단점을 나 타내고 있다. 그러나 최근 새로이 연구되고 있 는 초임계 메탄올을 이용한 바이오디젤 전환 방법은 원료 물질을 녹여 촉매의 필요성을 제 거하여 비누성분의 발생 및 바이오디젤 전환 수율 저하와 같은 문제들을 해결 가능하며, 지 방산 원료물질들을 실질적으로 처리하는 장점 이 있다. 현재, 여러 연구팀에서는 초임계 메 탄올법을 이용한 바이오디젤 생산에 대한 연 구를 진행하고 있는 중이다.
4. 전 망
4.1. 기술적 전망
미세조류의 기능강화(균주 개량): 연소 배 가스 중의 이산화탄소를 이용하는 이산화탄소 고정능이 우수하고 동시에 바이오디젤 생산이 우수한 우량 미세조류의 선발이 선행되어야 한다. 또한 유전공학적, 대사공학적 기술을 활 용하여 1) 이산화탄소 고정능(광합성 효율)이 크게 증가, 2) biomass 성장률이 증가하고, 3) 지질함량이 높으며, 4) 강한 광도에서 광저해 (photoinhibition) 현상을 줄일 수 있는, 5) 온 도 내성이 증가하여 냉각 비용을 줄일 수 있 는 등의 특징을 갖는 우량 균주 개발이 가능 하다.
미세조류의 대량배양 시스템 구축: 미세조 류의 대량배양을 위한 광생물반응기 개발, 옥 외 대량배양 등의 기술이 필요하며, 최종적으 로 우리의 환경에 적합하며 경제성 있는 최적 의 배양시스템(semi-open system 등) 구축이 중점적으로 추진되어야 한다. 또한 대량으로 배양된 미세조류의 효과적 수확기술 개발이 중요하다.
미세조류의 대량배양의 최적화: 미세조류의 생리, 생태적 특성 연구를 바탕으로 고밀도 배
양기술 개발이 필요하다. 즉, 자연계에서 빈번 히 발생하는 미세조류(Botryococcus 등)의 대 규모 bloom을 실험실에서 재현할 수 있는 배 양기술을 확보하면 미세조류로부터 바이오디 젤 대량생산을 위한 최적화 공정의 개발이 가 능하게 된다.
미세조류의 biomass로부터 바이오디젤 생산 의 실증화를 위해서는, 생산된 biomass로부터 지질을 추출하는 방법, 지질을 바이오디젤로 전환하는 transesterification 공정 등이 scale- up 수준에서 정립 및 최적화되어야 한다.
4.2. 경제, 사회적 전망
실제로 Hawaii에 위치한 Cyanotech Inc.는 미세조류 배양 시설의 난방 목적으로 설치한 보일러에서 배출되는 연소가스를 남조류인 Spirulina 배양 원료로 사용하여 증산의 효과 를 보임으로써 생물학적 고정화에 의하여 이 산화탄소 처리 비용을 “$0”으로 낮출 수 있 다고 보고하였다.
광생물반응기를 이용하여 미세조류 biomass 로부터 생산된 바이오디젤 생산가는 $2.80/L 로 추산된다[21]. 2006년 기준으로 식물성 기 름인 palm oil 가격은 $0.52/L이었다. 즉, 미 세조류 바이오디젤은 현재 판매되고 있는 식 물성 바이오디젤 보다 약 5배의 가격이지만, 향후 우량 균주개발, 배양공정의 최적화 등 혁 신적 기술개발에 의해 가격경쟁이 가능하다고 본다.
UN 식량농업기구(FAO)는 향후 2030년까 지 액체 바이오연료가 전 세계 도로교통 연료 수요의 4∼7% 정도를 담당할 것으로 전망하였 다. 미국, EU, 일본, 브라질 등 많은 나라들이 바이오연료 생산에 박차를 가하고 있는 상황에 서 우리도 지속적 관심을 기울일 필요가 있다.
5. 결 론
기후변화와 고유가로 대변되는 환경 및 자
원 위기를 효과적으로 극복하기 위해서 식물, 조류 등의 광합성 생물을 활용할 수 있다. 특 히 미세조류 배양의 가장 큰 장점은 대부분의 작물생산에 적합하지 않는 높은 염도, 강한 알 카리 등의 극한 환경에서도 성장하는 조류가 있다는 점이다. 또한 조류는 생장이 빠르고, 다양한 고부가 유용물질을 생산하며, 바이오디 젤과 같은 재생에너지 생산성이 높아 “녹색 금(Green Gold)”으로 호칭되기도 한다.
20세기에 곡류 식물의 품종개량, 재배기술 개발 등에 의한 녹색혁명으로 식량문제가 완 화되었던 것처럼, 21세기에는 조류의 분자적 균주개량에 의한 유전자혁명으로 광합성 기능 의 획기적인 강화를 통해 기후변화 대응 및 에너지 위기 해결에 크게 기여할 수 있으리라 생각된다. 즉, 조류의 대량배양으로 이산화탄 소의 감축과 동시에 환경친화적 에너지 및 생 물자원을 생산하고, 환경 및 생물산업의 활성 화로 “저탄소 녹색성장”을 실천할 수 있다고 본다. 또한 오늘날 인류 문명의 근간을 이루는 석유를 포함한 화석연료 자원의 고갈에 대비 하여, 기존의 석유자원과 유사한 조성을 갖는 조류 유래 바이오연료는 신재생자원으로서 화 석연료를 대체하여 석유화학산업의 지속적 발 전을 가능하게 할 것이다.
따라서 전 세계적으로 과도하게 방출되는 이산화탄소에 의한 지구온난화 문제는 조류의 대량배양에 의해 생물학적으로 해결에 기여할 수 있다. 아울러 조류배양의 배지로서 축산폐 수를 이용할 경우에 질소와 인과 같은 영양염 류의 농도를 현저히 감소시킬 수 있어, 당면한 호소 부영양화의 수질문제 해결에도 일익을 담당하여 지구환경보존의 측면에서도 유망한 분야로 판단된다.
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% 저 자 소 개
오 희 목
1981 서울대 생물교육과 학사/석사 1987 충남대 생물학과 박사 1989∼1992 SUNY at Albany Post-doc.
1993∼현재 한국생명공학연구원 책임연구원
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안 치 용
1997 KAIST 생물과학과 학사/석사 2002 KAIST 생물과학과 박사 2002∼2003 한국생명공학연구원
Post-Doc.
2003∼현재 한국생명공학연구원 선임연구원
![Figure 3. 관형 광생물반응기(Tubular photobio- photobio-reactor)[9].](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dokinfo/4980982.302401/5.808.119.347.110.428/figure-관형-광생물반응기-tubular-photobio-photobio-reactor.webp)
