산업생물공학(Industrial Bio-
technology)과 바이오 리파이너리(Bio-refinery)
20세기 초 원유가 본격적으로 사용되기 전 대부분의 화학산업 은 석탄이나 바이오매스에 의존 하여 왔다. 20세기 중반부터 석 유를 중심으로 한 화학산업은 크게 발달하게 되었는 데 정밀 화학제품(fine chemicals), 의약품(pharma- ceutical chemicals), 소재형 화학제품(bulk chemicals), 플라스틱 및 연료에 이르는 다양한 제품들이 석유로 부터 생산되게 되었다. 그러나 화석원료로 대표되는 석유, 가스 및 석탄은 그 자원의 한정성으로 인하여 가격이 지속적으로 상승하고 있으며, 이의 원활한 확보를 위한 국가 간 경쟁이 가열되고 있다. 더욱이 화석원료로부터 생산되는 화학제품들은 제조공정에 서 부산물로 지구온난화 가스와 폐기물을 대량 발생 시켜 인류에게 심각한 환경 위기를 초래하고 있으며, 이는 기존의 화학 산업을 급격히 위축시키는 요인이 되고 있다. 따라서 화석원료에 기반을 둔 화학공정 을 대체할 수 있는, 즉 화석원료의 소비와 인류에게 유해한 폐기물의 생산을 최소화할 수 있는 바이오매 스를 원료로 사용하는 환경친화적인 새로운 생물화 학공정의 개발이 필요하다.
산업 BT(white biotechnology 또는 industrial biotechnology)는 생물공학적 기술을 산업생산에 이
용하는 기술로서, 정밀화학, 의약품 뿐 아니라 고분 자, 신소재, 범용 화학제품, 그리고 에너지의 생산에 까지 이용되고 있다. 생물공학 기술을 이용하는 산 업 BT는 원료로써 재생 가능한 바이오매스인 각종 동식물, 농업에서 나온 부산물 및 폐기물, 음식물쓰 레기, 생체에 기초한 산업 폐기물, 바이오 연료 생산 을 목적으로 재배된 작물 등을 이용한다. 또한 생산 공정에서 생촉매를 사용하므로 오염과 에너지 소모 가 적은 청정기술이다. 뿐만 아니라 생화학, 미생물 학, 유전체학, 단백체학, 생물정보학, 공정공학 등의 학문들의 발전에 힘입어 의약관련 BT(red BT), 농 업관련 BT(green BT)에 이어 BT의 제3의 물결을 주도할 것으로 기대되고 있다. 이에 따라 미국, 유럽, 일본 등 세계 각국은 장기적이고 종합적인 대체에너 지 및 바이오매스 유래 화학제품 생산을 위한 정책 을 수립하고 있으며 산업 BT 관련 연구개발 및 상 업화를 적극 지원하고 있다.
산업 BT 기술의 핵심은 소위 말하는 바이오 리파 이너리(Bio-refinery)이다. 바이오 리파이너리는 석 유화학 산업에서 잘 알려진 오일 리파이너리(Oil- refinery)와 비슷한 개념으로, 식물체 등 바이오매스 를 원료로 BT(biotechnology)를 이용하여 바이오 연료(에탄올, 부탄올, 아세톤 등)와 화학원료(젖산, 숙신산) 등을 만드는 기술과 이를 구현하기 위한 종 합적인 플랜트 시스템을 의미한다. 즉, 원유를 원료 로 연료와 각종 화학제품을 생산하는 오일 리파이너
,
박 성 훈
부산대학교 화학생명공학과, parksh@pusan.ac.kr
바이오 리파이너리
리가 종합적인 일관 공정(integrated process)으로 개발된 것처럼, 바이오매스를 원료로 이용하여 오일 리파이너리와 같은 개념으로 구축되는 통합공정을 의미한다[그림 1]. 그러나 이러한 개념 상의 공통점 에도 불구하고 바이오 리파이너리와 오일 리파이너 리는 여러가지 차이점을 갖는다. 가장 큰 차이점은 원료인데 오일 리파이너리는 비교적 균질한 원유를 원료로 사용하는데 비해 바이오 리파이너리는 주로 목재나 폐기물 등 비균질한 원료를 사용한다. 따라
서 바이오 리파이너리에서는 원료의 전처리 공정이 매우 복잡하고 비용이 많이 든다. 그러나 바이오매 스는 재생가능 원료이고 대기 중 이산화탄소의 농도 를 증가시키지 않으므로 환경친화적이다. 리파이너 리를 통해 생산하는 연료나 화학제품도 많은 차이가 있다. 오일 리파이너리는 휘발유, 경유, 제트유 등 탄 화수소(hydrocarbon)계 연료를 생산하지만 바이오 리파이너리는 에탄올, 부탄올 등 알코올계 연료를 생산한다. 또한 오일 리파이너리는 에틸렌, 프로필렌,
(A) 오일 리파이너리에 의한 화학원료의 생산
(B) 바이오 리파이너리에 의한 화학원료의 생산 Fiber
Hydrolysis
CORN GRAIN
Starch Cellulose Hydrolysis
Gasification Glucose
C5, C6
Sugars Catalysis
Fermentation
Syn Gas Conversion
Combined Heat And Power
Electricity Steam
Fuels and Chemical Products And Inter- mediates for Other Platforms AGRICULTURAL
RESIDUES OTHER ENERGY CROPS
Crude
Oil D
Reforming
Steamcracker (Pyrolysis)
High temperature pyrolysis
Seperation of aromatic compounds
D D
D
Butadiene extraction
Seperation of Isobutene
C5- purification C5+
C4 Crack gases
Raffinate I
Raffinate II Gases
Naphta
Gas oil
Crack benzene (Pyrolysis benzene)
Non aromatic compounds Aromatic
compounds
Benzene Toluene Xylene Paraffins Ethene Propene Butadiene
Isobutene n-Butene Butane Isoprene Cyclo- pentadiene
Acetylene
그림 1. 오일 리파이너리와 바이오 리파이너리의 비교.
미노산 등 미생물 대사산물을 기본 원료로 생산하게 된다.
바이오 리파이너리 플랫폼(Platform)
바이오 리파이너리 원료로는 동물, 식물, 미생물 등 생물체의 유기물을 총망라하는 바이오매스가 사 용될 수 있다. 여기에는 각종 동식물을 비롯하여 농 업에서 나온 부산물 및 폐기물, 음식물쓰레기, 생체 에 기초한 산업 폐기물, 바이오 연료 생산을 목적으 로 재배된 작물 등이 포함된다. 가장 품질이 우수한 바이오매스는 사탕수수, 사탕무 등에서 생산되는 설 탕이나 옥수수, 밀, 타피오카 등에서 생산되는 전분, 그리고 팜, 유채, 옥수수, 대두 등에서 생산되는 바이 오 오일이다. 그러나 이들은 식량으로 쓰이는 자원 으로 그 생산량에 한계가 있을 뿐 아니라 지구상의 많은 사람들이 아직까지 기아에 시달리는 현실을 감 안할 때 여러가지 도덕적 문제를 야기한다. 식량 자 원과 경쟁하지 않는 대표적인 바이오매스는 목재로 대표되는 셀룰로오즈와 각종 폐기물이다. 이들은 매 년 엄청난 양이 생산되고 있으며 종류도 다양하나 품질이 일정하지 않아 이를 이용하는 공정의 개발과 최적화가 어렵고 복잡하다는 단점이 있다. 그러나 규모와 경제성 측면에서 궁극적으로 오일 리파이너 리를 대체할 바이오 리파이너리 원료는 목질계와 각 종 폐기물이라는 것이 일반적인 의견이다.
목질계나 각종 폐기물 원료를 대상으로 하는 바이 오 리파이너리는 크게 두 가지 경로, 즉 생화학적 플랫폼과 열화학적 플랫폼으로 나누어진다. 생화학 적 플랫폼은 당류 플랫폼(sugar platform)이라고도 불리며 바이오매스를 미생물이 대사할 수 있는 각종 당으로 전환한다는데 초점을 맞추고 있다. 이에 비 해 열화학적 플랫폼은 합성가스 플랫폼(syngas platform)이라고도 하며 바이오매스를 고온 고압에
서 처리하여 수소, 일산화탄소 등 가스로 만든 후 이를 각종 액체 연료와 화학제품으로 전환하는 공정 을 의미한다[그림 2].
1) 당류 플랫폼(Sugar Platform)
목질계 자원은 크게 셀룰로오즈(cellulose), 헤미셀 룰로오즈(hemicellulose), 그리고 리그닌(lignin) 성 분으로 구성되어 있다[그림 3]. 셀룰로오즈는 육탄 당의 중합체이고 헤미셀룰로오즈는 육탄당 및 오탄 당의 중합체, 그리고 리그닌은 다양한 구조적 특징 을 갖는 알콜류의 중합체이다. 셀룰로오즈는 산이나 효소에 의해 가수분해되면 포도당과 육탄당을 얻을 수 있고, 헤미셀룰로오즈는 가수분해되면 자일로오 즈(xylose), 아라비노오즈(arabinose) 등의 오탄당과 소량의 육탄당(galactose 및 mannose)을 얻게 된다.
리그닌은 에스테르 결합에 의해 축합된 셀룰로오즈 나 헤미셀룰로오즈와는 달리 에테르 결합을 가지고 있어서 가수분해가 매우 어렵다.
목질계 자원을 당으로 전환하는 당류 플랫폼의 중 요 공정은 수확 후 ① 물리 화학적 전처리를 통한 셀룰로오즈 성분과 헤미셀룰로오즈 성분의 분리, ② 가수분해를 통한 육탄당 및 오탄당의 회수, 그리고
③ 바이오 연료나 화학물질을 생산하기 위한 발효공 정으로 구성된다. 이 중 물리 화학적 전처리는 보통
그림 2. 바이오 리파이너리의 두 가지 플랫폼.
바이오 리파이너리
기계적인 분쇄, 열처리, 산이나 염기 등을 사용하는 화학적 방법이 복합적으로 사용된다. 이러한 처리를 통해 치밀한 구조의 목재가 파쇄되고 리그닌, 셀룰 로오즈, 헤미셀룰로오즈 등이 분리된다. 하지만 가혹 한 조건에서의 과도한 화학적 처리는 미생물 발효에 방해가 되는 각종 저해물질(furfural, acetate 등)을 다량 생성시키고 원료 바이오매스 대비 당류의 수율 을 떨어뜨리는 원인이 된다. 따라서 전처리 과정의 연구는 섬유소 자원별로 발효 가능한 당류의 회수를 최대로 하면서 발효 저해 물질의 생산을 최소화하는 공정과 조건의 확립에 집중되고 있다. 한편 가수분 해는 전처리 결과 얻어진 셀룰로오즈와 헤미셀룰로 오즈를 대상으로 한다. 일반적으로 셀룰로오즈 분해 효소(cellulase)가 사용되며 고효율 효소를 값싸게 대량으로 얻는 것과 이를 효율적으로 이용하는 공정 의 개발에 많은 연구가 진행되고 있다. 효소처리의 비용은 최종 발효 제품의 가격과 종류에 따라 달라
지는데 에탄올의 경우 1리터 바이오 에탄올 생산에 약 10센트 정도가 필요한 것으로 알려지고 있다. 그 러나 상업적으로 경쟁력 있는 바이오에탄올 생산을 위해서는 10센트의 가격을 2센트 이하로 낮추어야 한다고 알려진다. 또한 발효공정에 대한 연구도 다 양하게 진행되고 있다. 발효 생산성을 향상시키려면 활성과 안정성이 높은 균주가 개발되어야 하고, 기 질 대비 생성물의 수율이 높아야 한다. 또한 생성물 의 분리 정제가 용이하여야 한다. 일반적으로 미생 물을 이용한 화학물질의 생산은 에너지 소모가 적고, 환경 친화적이라는 장점이 있다. 그러나 미생물의 생산능력은 기존의 화학공정과 비교할 때 속도나 수 율 면에서 열위인 경우가 많고 원하는 물질 이외에 도 많은 부산물을 생산하므로 생산물의 분리·정제 에 많은 어려움을 야기한다. 이를 개선하기 위하여 효율적인 생산공정이나 분리공정의 개발이 많이 시 도되어 왔다. 그러나 이 방법들이 공정의 경제성을 (A) Cellulose
(B) Hemicellulose (C) Lignin
( 구성 성분( 함량 (%)
( Cellulose( 35~50 (Hemicellulose( 25~30
( Lignin( 15~30
그림 3. 목질계 바이오매스의 성분과 구조.
다. 특히 최근에는 공정 및 분리기술이 기술의 성숙 화 단계를 지나 안정화 단계에 다다랐으므로 이의 개선을 통한 생산능의 향상은 크게 기대하기 힘든 실정이다. 이에 따라 생촉매의 획기적 개선, 즉 미생 물의 대사회로를 조작함으로써 균주의 생산능 및 특 성을 근본적으로 개선하는 새로운 특성을 갖는 신기 능 효소의 발굴이나 대사공학기술, 그리고 신개념의 생물공정기술이 관심을 끌고 있다.
2) 합성가스 플랫폼(Syngas Platform)
합성가스 플랫폼은 전통적인 화학공정으로 석탄의 가스화, 수성가스를 이용하여 합성 액체연료를 제조 하는 Fischer-Tropsch(FT) 공법 등을 바이오매스 에 적용한 것이다. 즉, 고온을 이용하여 바이오매스 를 처리하면 일산화탄소, 이산화탄소, 수소 등이 주 성분인 합성가스가 나오는데 이를 정제한 후 화학촉 매를 이용하여 액체 탄화수소를 만드는 기술이다[그 림 4]. 원래 FT 공법은 석탄(CTL; coal to liquid) 이나 천연가스를 액체연료로 만들 때 사용되는 상용 화된 기술이다. 바이오매스를 가스화하여 액체연료 화하는 BTL(biomass to liquid)의 경우 나프타가 15~25%, 중간 증류제품(kerosene, diesel 등)이
조건에 따라 달라질 수 있다고 알려진다.
현재까지 BTL이 상업화한 예는 알려져 있지 않 다. 그러나 유럽을 중심으로 파일롯 스케일의 연구 가 활발히 진행되고 있다. FT 공법을 포함하는 BTL 기술의 경제성은 재료비, 에너지 수율, 생산규 모 등에 좌우된다고 알려진다. 최근 보고에 따르면 디젤의 경우 BTL에 의한 생산원가가 리터당 약 85 센트로 2006년말 기준 원유로부터 디젤 생산가인 47 센트에 비해 약 2배 정도 높다. 그러나 원유의 가격 이 지속적으로 증가하고 BTL 기술이 계속해서 발 전한다면 조만간 BTL 기술의 상업화가 현실로 다 가올 것이 전망된다.
합성가스 플랫폼의 또 하나의 다른 경로로 합성가 스를 이용하는 발효 공정이 있다. 미국 Arkansas 대 학이 개발하고 현재 Bioengineering Resource 사가 특허를 보유한 공정의 경우 바이오매스를 고온 고압 에서 분해하여 합성가스를 만든 후 합성가스를 미생 물 발효를 통해 바이오에탄올로 전환시킨다. 고농도 의 일산화탄소는 미생물에 저해작용을 나타내며 수 소와 함께 수용액에 용해도가 낮아서 발효기질로 사 용하기에는 많은 문제가 있으나 이 회사의 주장에 따르면 이러한 문제가 모두 해결되었다는 것이다.
그림 4. BTL 공정의 개략도.
바이오 리파이너리
또한 가스화 과정에 사용된 에 너지는 에탄올의 증류과정에 적 절히 이용되도록 공정을 설계함 으로써 에너지 효율 면에서도 아무런 문제가 없다는 주장이다.
만일 이러한 주장이 사실이라면 다양한 폐기물을 이용하는 바이 오매스 가스화 및 이를 이용하 는 BTL 공정의 상업화에 큰 진 전을 기대할 수 있다. 왜냐하면 화학적인 FT 공정에 비해 미생 물 발효공정은 고순도의 합성가 스를 필요로 하지 않기 때문에
합성가스의 정제 단계가 생략될 수 있고 이는 바이 오매스에 기초한 FT 공정의 큰 걸림돌이 제거되는 것을 의미하기 때문이다.
바이오 리파이너리를 통한 제품 생산
화학산업에서 생산되는 제품은 매우 다양하다. 그 러나 기본적으로 모든 화학제품은 바이오매스와 생 물전환 기술을 이용하여 생산할 수 있다. 현재 전 세계적으로 생산되는 화학제품은 연간 300million 톤 이 넘으며 금액으로는 USD 10조 달러를 상회한다 고 알려져 있다. 이러한 화학제품들은 크게 세 가지 로 분류할 수 있는데, 제품별 연간 생산량을 기준으 로 볼 때 이들은 ① 범용화학물질(bulk, comodity chemicals, >100만 톤/년), ② specialty chemicals (>10만 톤/년), ③ 정밀화학제품(<10만 톤/년) 등이 다. 생산량을 감안할 때 화학산업에서 에너지나 원 료사용량의 절약에 가장 크게 기여할 수 있는 것은 범용 화학물질을 생물공정으로 생산하는 것이다. 그 러나 범용 화학물질은 가격이 매우 낮으므로 경제적 인 측면에서는 생물공정이 경쟁력을 갖기가 쉽지 않 다. 정확한 산정은 쉽지 않지만 생물공정이 경쟁력 을 가지려면 제품가격이 kg 당 약 US$ 2가 되어
야 되는 것으로 알려져 있다. 그러나 석유가격이 지 속적으로 증가하고 있으므로 제품의 최저가격(kg당 약 US$ 2) 또한 변할 것으로 예상된다. 미래에 어 떤 제품이 재생가능 원료로부터 생산될 수 있는가 하는 것은 가격에 의해 결정될 것이다. 바이오매스 로부터 생물 전환 기술을 이용하여 생산할 수 있는 화학제품의 계통도는 [그림 5]과 같다.
1) 바이오 연료(Biofuel)
바이오 리파이너리 기반 바이오 연료(biofuel)에는
바이오 에탄올, 바이오 부탄올, 바이오 디젤 등이 포
함된다. 바이오 연료의 가격은 크게 두 가지 요인,
즉 원료물질의 가격과 전환공정의 비용으로 결정된
다. 원유에서 연료를 만드는 공정은 원료물질의 가
격이 전환공정의 비용보다 현저히 높은 경우에 해당
된다. 반면, 바이오연료의 경우 전환공정의 가격비중
이 현저히 높다. 따라서 공정에서의 효율성 향상과
비용저감을 가져올 수 있다면 최종제품 가격에 미치
는 영향은 바이오 연료가 훨씬 크다. 현재 원료물질
의 가격만 놓고 본다면 옥수수는 원유의 3분의 1 수
준이며 대표적 셀룰로오스물질인 corn stover는 약
10분의 1 수준이다. 따라서 바이오 연료가 기존의
그림 5. 바이오 리파이너리(당류 플랫폼)를 통해 생산되는 연료와 화학물질들.정에서 나오는 부산물을 고부가가치 제품으로 개발 하는 노력이 필요하다.
바이오 연료의 대표적인 예로는 메탄올(methanol), 바이오에탄올(bioethanol), 바이오디젤(biodiesel), 바 이오가스(biohydrogen, methane), 기타 고형 연료 등을 들 수 있다. 이들은 모두 전력생산이나 수송수 단의 연료로 쓰일 수 있지만, 현재까지는 바이오 에 탄올과 바이오디젤의 상업화가 가장 활발하다. 바이 오에탄올은 가솔린 대체 연료, 첨가제, 그리고 연료 전지의 연료로 사용되고 있다. 또한 에탄올은 ETBE 생산의 원료로 사용되고 있다. 현재 에탄올 의 최대 생산국은 미국과 브라질인데 각각 미국의 경우 옥수수 전분을 주원료로 사용하고 있으며 생산 량은 연간 6million m
3이고, 브라질의 경우 사탕수수 를 주원료로 사용하고 있으며 생산량은 연간 15million m
3이다. 그러나 향후 다양한 목질계 원료 를 사용하는 바이오 에탄올 공정이 미국을 중심으로 대규모로 상업화될 것이며, 이런 이유로 인해 바이 오 리파이너리는 항상 바이오 에탄올 생산공정과 동 시에 논의되고 있다.
바이오디젤은 동식물의 지방 또는 재생유지로부터 알킬 에스테르화 공정을 거쳐 만들어진다. 디젤 엔 진의 연료로서 기존의 디젤유 대신 쓰일 뿐만 아니 라 독특한 윤활성 때문에 기존 디젤유의 첨가제로도 쓰인다. 바이오디젤의 원료로는 유채
씨, 해바라기씨, 대두 등과 같이 다량 의 식물성 기름(vegetable oil)을 함 유하는 종자나, 쌀기름과 같이 각종 곡·식물의 가공처리 과정에서 발생 하는 부산물 기름 혹은 폐식용유 등 이 쓰이고 있다. 바이오 디젤의 생산 은 비교적 단순한 화학반응에 의해 이루어진다. 한 분자의 triglyceride는
생성되는 알킬에스테르가 바이오디젤로 사용된다.
목질계 바이오매스는 바이오디젤의 생산원료로 사용 되지 않는다. 또한 바이오 오일은 목질계에 비해 균 질하고 구조가 간단하여 바이오 디젤로의 전환공정 이 간단하다. 그러나 바이오디젤 생산 시 다량의 글 리세롤이 부산물로 얻어지며 바이오 오일 착유부터 시작하여 바이오 디젤을 생산하고 글리세롤을 다른 화학물질로 전환하는 전체 공정은 그렇게 단순하지 만은 않다. 따라서 목질계 바이오매스를 이용하는 통합 바이오 리파이너리처럼 바이오 오일 리파이너 리도 통합 공정으로 개발하는 것이 바람직하다.
2) 대체 화학 원료(Alternative Chemical Feedstocks) 바이오 리파이너리를 통해 경제적으로 생산할 수 있는 원료물질은 대부분 미생물 대사산물이거나 이 들의 간단한 효소 전환 산물이다. 따라서 그 종류는 오일 리파이너리에서 생산되는 물질과 서로 상이하 다[그림 6]. 미국 에너지성(US DOE)은 2004년 8 월 미래의 대체 화학물질의 목록을 발표하였다. 먼 저 300개 이상의 후보군을 선정하고, 이에 대해 다 시 석유화학 모델, 화학적 자료, 시장 데이터, 성질, 효율성 등을 반복적으로 검토한 후 30개의 잠재적인 후보군 선정하였다. 또한 30개의 잠재적인 후보군 중에 이들 물질과 유도체들의 시장성과 합성방법의
그림 6. 석유 리파이너리(왼쪽)와 바이오 리파이너리(오른쪽)에서 생산되는 화학 원료물질 비교.
바이오 리파이너리
기술적인 복잡성에 대해 검토한 후 생물학적이나 화 학적인 변형을 통해 당으로부터 생산되어질 수 있는 12개의 기본요소(building block)를 최종적으로 선 정하였다. 이들은 보통 12개의 top value-added chemicals로 불리며 대체 화학원료를 논할 때 가장 보편적으로 인용되고 있다. [표 1]은 이들 물질을 탄소수에 따라 정리한 결과를 보여준다.
3) 바이오폴리머(Biopolymer)
바이오폴리머(biopolymer)란 생물학적 작용을 통 하여 합성되어지는 고분자 물질로 정의되며 다음과 같은 중요한 특징을 갖는다. 첫째, 생분해성 (biodegradable)으로 환경에 노출되었을 경우 미생 물의 작용에 의하여 분해되어 환경에 축적되지 않는 다. 둘째, 상당수의 바이오폴리머는 인체에 삽입되었 을 경우에도 인체 세포 및 조직에 거부반응을 나타 내지 않는 생체 적합성(biocompatible)이 있다. 셋 째, 상당수의 바이오폴리머는 생물학적 전환반응을 통하여 합성될 수 있으며, 이러한 생물전환반응은 기존 유기화학반응에 비하여 환경친화형이란 장점이 있다. 마지막으로 상당수의 바이오폴리머는 단량체
가 재생 가능한 탄수화물에서 생물학적 전환반응을 통하여 생산된다. 따라서 이러한 바이오폴리머는 환 경에 부담을 주지 않으면서 지속적으로 생산이 가능 하다는 특징이 있다.
바이오폴리머는 유래나 제조법에 따라 천연바이오 폴리머, 미생물 생산 바이오폴리머, 그리고 생화학 합성 바이오폴리머로 나눌 수 있다. 이중 천연바이 오폴리머는 식물이나 해조류에 의하여 합성되어 축 적되는 고분자 물질이고, 미생물 생산 바이오폴리머 는 폴리에스테르의 일종인 폴리하이드록시알카노네 이트(polyhydroxyalkanoate, PHA)와 같이 미생물 체내에 축적되는 고분자이다. 또한 생화학 합성 바 이오폴리머는 미생물에 의하여 생산되어진 단량체를 화학적인 공정을 통하여 중합해서 만들거나 혹은 석 유에서 유래한 단량체를 효소와 같은 생촉매를 이용 하여 중합하여 제조한 고분자 물질이다.
이들 중 바이오 리파이너리와 가장 관련이 깊은 고분자는 미생물이 직접 생산하는 고분자와 미생물 대사산물은 단량체로 이용하는 고분자이다. 일반적 으로 미생물은 여러 종류의 수용성 혹은 불용성 다 당류를 생산하는데 이들은 범용 소재보다는 식품소 재와 같은 특수용도로 이용되고 있다. 이들 미생물 생산 바이오폴리머는 자연계에서 미생물이 균체 외 로 방출한 효소에 의해 분해되고 분해 생성물이 미 생물에 의해 자화되기 때문에 완전히 소멸되는 생분 해성 고분자이다. 많은 미생물이 폴리에스테르 계열 의 고분자를 체내에 축적하며, 대표적인 것은 PHA 이다. PHA는 풍부한 탄소원 존재하에 미생물이 성 장할 때 생성되는 미생물의 세포내 저장물질이다.
PHA는 폴리프로피오네이트를 주사슬로 하고 3위치 에 치환기를 함유한 구조를 가지고 있는데, 단량체의 R기가 메틸인 Poly(3-hydroxybutyrate)(P(3HB))가 가장 흔히 발견되며 실험실에서 배지조성을 조절함 에 따라 다양한 종류의 R기를 함유한 PHA가 합성 되기도 한다.
3 3-Hydroxy propionic acid Glycerol 3-Hydroxybutryolacton
4 Aspartic acid
1,4 Diacids(succinic, fumaric, malic acids) Glutamic acid
5 Itaconic acid
Levulinic acid Xylitol/Arabitol 2,5-Furan dicarboxylic acid
6 Glucaric acid
Sorbitol
표 1. 미국 에너지성이 선정한 바이오 리파이너리 유래 유망 화학 원료물질
탄소수 물질 명
을 들 수 있다. 이때 미생물 배양과 대사산물의 생 산에는 바이오 리파이너리로 생산한 당류가 기질로 사용된다. PLA는 전분 폴리머에 이어 상업적으로 생산되는 두 번째 바이오계 폴리머로서, lactic acid(젖산, 유산)의 중합에 의해 생산되는 지방족 폴 리에스테르이다. PLA는 물리적 특성 및 기계적 특 성이 우수하여, 석유화학계 열가소성 폴리머의 대체 물로 떠오르고 있다. 단량체인 lactic acid는 2-히드 록시프리피온 산으로 비대칭의 탄소 원자를 갖는 가 장 간단한 형태의 히드록시카르복실산이다. 젖산은 당(글루코오스, 락토오스, 전분, 당밀)의 혐기성 발 효에 의해 생성되며, 미생물의 종류에 따라 L(+)- lactic acid 혹은 D(-)-lactic acid가 생성된다. PLA 의 가격은 원료인 젖산의 생산가와 직결되어 있으므 로 최근에는 볏짚이나 잡목, 옥수수 대 등의 농업 폐기물과 같이 쉽게 얻을 수 있는 바이오매스를 이 용하려는 연구가 진행 중이다. 또한 저렴한 치즈 부 산물, 감자 칩 부산물을 탄소원으로 이용하려는 연 구도 진행되고 있다.
요약
20세기 우리 인류가 이룩한 산업의 발전은 화석원 료에 기반을 두고 있다. 현재 인류가 사용하고 있는 대부분의 정밀 화학제품, 의약품, 각종 화학 소재, 플 라스틱, 연료 등은 화석원료 특히 석유를 원료로 생
하고 있으며 이로 인해 세계 경제의 발전이 크게 위 협받고 있다. 또한 화석연료나 화석원료 이용하는 화학제품의 제조공정은 지구온난화 가스 및 폐기물 을 대량생산하여 인류에게 심각한 환경문제를 야기 하고 있다. 이에 바이오매스를 원료로 사용하는 새 로운 생물화학공정, 즉 바이오 리파이너리의 필요성 이 대두되었다. 바이오 리파이너리는 바이오 에탄올, 바이오 디젤 등의 대체 연료, 글리세롤, 젖산, 아세 톤, 부탄올, 프로피온산 및 각종 아미노산 등을 포함 한 대체원료, 미생물이 생산하는 PHA 등의 바이오 폴리머의 생산에 활용되며, 궁극적으로 기존 화석원 료 기반의 산업구조를 환경친화형 바이오 기반 구조 로 대체할 것이다. 전통적으로 석유 리파이너리 공정 을 확립하고 이를 발전시켜 온 화학공학자들은 이제 바이오 리파이너리 기술의 확립이라는 새로운 과제 를 해결하는데 핵심적인 역할을 감당하게 될 것이다.
저자약력 박 성 훈
1980 서울대학교 공업화학 학사 1982 서울대학교 공업화학 석사
1988 Univ. of California_Davis 화학공학 박사 1982-1984 CKD pharmaceutical Co., Research Engineer 1988-1991 Lawrence Livermore National Laboratory, CA,
Research Staff
1991-현재 부산대학교 화학생명공학과 교수
