현재 화석연료의 사용양이 전체 에너지 사용양의 약 85%달하고 있으며 이로 인해 화석연료의 고갈, 과 도한 소비에 따른 기후변화 문제 및 환경오염 문제가 범세계적으로 부각되고 있다. 이를 해결하기 위해서 는 기존에 사용되던 화석연료를 대체하기 위한 바이 오매스 자원의 개발이 시급한 실정이다. 그 중 해양유 래 바이오매스는 이러한 문제들을 해결하고 친환경적 인 바이오에너지 및 화학물질의 생산을 위한 유용한 자원으로 각광받고 있다. 해양유래 바이오매스 중 갈 조류는 성장이 빠르고 기존의 식량자원과 비경쟁적이 며, 단위 면적당 생산성이 매우 높아 새로운 바이오매 스로의 활용 가능성이 매우 큰 것으로 평가되고 있다.
해조류 바이오매스를 활용한 바이오연료 및 화학소재 의 개발을 위해서는 기존에 사용하던 물리,화학적 전 처리 공정 대신 친환경적이고 경제적인 생물학적 전 처리 공정의 개발이 필요하다. 또한 전처리 공정을 통
해 생산한 비발효당을 생물이 대사 가능한 발효당의 형태로 전환하는 당화 공정이 요구되며, 최종적으로 는 전환된 발효당을 대사하는 균주를 활용한 발효 공 정을 통해 해조류 바이오매스로부터 바이오연료 및 화학소재의 개발이 가능한 통합적인 생물친화적 전환 공정의 개발이 요구된다.
갈조류 바이오매스의 전처리 및 유용성분 분별 지금까지 개발된 바이오매스의 전처리 공정 기술은 주로 목질계 바이오매스의 전처리를 목적으로 하고 있으며 목질계 바이오매스는 구조적으로 섬유소, 반 섬유소 및 리그닌을 주성분으로 매우 견고하게 결합 되어 있기 때문에, 바이오연료 생산과 관련하여 리그 닌 제거 또는 섬유소의 결정화도 등을 변화시키는 전 처리 및 당화공정 등에 관하여 그 동안 많은 연구들이 진행되어 왔다. 최근 해조류 바이오매스에 대한 관심
당화 플랫폼 : 해조류 바이오매스를 이용한 바이오에탄올 생산
오경근, 박용철*, 김경헌**
단국대학교 응용화학공학과, *국민대학교 바이오발효융합학과, **고려대학교 생명공학과 [email protected], *[email protected], **[email protected]
소재 물질을 다양하게 함유하고 있어, 바이오에너지 생산과 함께 경제성을 달성할 수 있는 미래 유용 자원이다.
특히, 거대 해조류는 3면이 바다인 우리나라의 지형적 특성과 함께, 세계 최고 수준의 해조류 양식기술을 보
유하고 있어 국내 원료 수급이 가능한 강점으로 바이오에너지 생산에 매우 유리한 자원이다. 따라서 본 고에서
는 해양수산부에서 추진하고 있는‘해조류 바이오매스 에너지화’사업 내, 바이오연료 및 기초화학 소재 생산의
바이오리파이너리 기술들에 대해 소개하고자 한다. 물론, 바이오매스를 통해 대체 에너지를 생산하기 위해서는
반드시 지속적이며 안정적인 원료공급이 수반되어야 한다. 본 사업은‘바이오매스용 해조류 대량생산 기술’개
발도 동시에 추진하고 있으나, 본 고는 갈조류 바이오매스를 이용한 화학공정 기반의 바이오연료 및 고부가가
치 유용 물질 활용기술(그림 1)들을 위주로, 각각의 기반연구와 상용화를 위한 활용방안 등에 대해 소개하고자
한다.
이 높아지면서, 해조류 바이오매스의 바이오 연료로 의 전환과 관련한 새로운 기술들에 대한 다양한 개발 수요들이 증가하고 있다. 그러나 해조류 바이오매스 의 다양성 및 구성성분들은 기존의 육상 바이오매스 의 바이오연료 전환 공정들을 직접 적용하기에는 많 은 차이점들을 가지고 있으며, 아직까지 해조류에 관 한 연구 결과들이 충분히 축적되어 있지는 못하기 때 문에, 해조류의 연료적 전환 공정에는 많은 시행착오 가 요구될 것으로 생각된다. 따라서 해조류 바이오매 스에 대한 새로운 전처리 공정이 개발되기 전까지는 우선은 목질계 바이오매스 전처리 공정의 응용에 기 초를 두어야 할 것으로 판단된다. 또한 해조류는 그 종류나 형태가 매우 다양하기 때문에 다양한 해조류 바이오매스의 종류에 따라 전처리 기술도 다양하게 적용되어야 한다고 판단할 수 있다. 본 논문에서는 미 역이나 다시마와 같은 갈조류 바이오매스에 포함되어 있는 유용성분들의 바이오 연료 전환을 위한 전처리 또는 성분 분별에 대하여 그 동안의 연구 결과들을 바 탕으로 개략적인 기술개발 방향에 대해 서술하고자 한다.
갈조류 중 대표적인 다시마종의 주요 구성성분들은 주로 탄수화물, 조단백질, 조지방, 그리고 회분 등으로 나눌 수 있으며, 그 대략의 함량을 표 1.에 나타내었 다. 그 중 탄수화물은 바이오 연료로의 직접적 원료 물질로서, 갈조류의 탄수화물은 크게 알지네이트, 만 니톨, 그리고 섬유소로 구분될 수 있다. 특히, 알지네 이트는 총 탄수화물의 약 65% 이상을 차지하는 주요 성분이라 할 수 있다.
갈조류 바이오매스의 당화도 및 반응성에 영향을 미치는 주요 요소로 비발효성 당(갈조류에서는 알지 네이트를 들 수 있음)의 함량도 주요한 변수가 된다.
갈조류 바이오매스의 효소적 가수분해 반응속도는 효 소의 흡착이 가능한 발효성 당 고분자의 표면적에 대 한 함수이다. 따라서 반응속도는 유효효소의 흡착량 에 따라 증가하게 되며, 흡착된 효소의 가수분해 속도 는 갈조류 바이오매스 구성당 고분자의 결정도에 의 해 결정된다. 또한 갈조류 바이오매스의 알지네이트 는 효소가 흡착될 수 있는 유용성분의 표면을 둘러싸 고 있어 효소의 접근을 어렵게 할 뿐만 아니라 효소가 알지네이트에 직접 흡착하기도 하여 알지네이트의 존 재는 유효효소를 감소시켜 결과적으로 가수분해 속도 를 낮추게 되는 결과를 초래하게 된다. 바이오매스의 전환이라는 관점에서 알지네이트는 목질계 바이오매 스에서의 리그닌과 같은 역할이지만, 단위 갈조류 바 이오매스당 상대적 함량이 높아 갈조류를 활용하여 바이오 연료를 생산할 수 있기 위해서는 반드시 알지 네이트의 발효성 당으로의 전환 기술이 개발되어야 한다. 실지로 최근 미국의 BAL(BioArchitecture Lab.)에서는 대사공학적 방법을 통해 알지네이트의 발효성 당 전환에 대해 보고한 바 있다. 아래 그림은 갈조류의 유용성분 분별 및 분별 물질의 활용에 대하 여 전반적으로 나타낸 것이다. 즉, 알지네이트 성분을 별도로 추출해내는 과정에서, 만니톨과 섬유소가 분 별이 되고 이들은 현존 미생물에 의해, 바이오 연료 생산에 주요 원료로 활용될 수 있다.
또한 추출된 알지네이트는 대사공학적 방법에 의해 표 1. Major compositions of Saccharina japonica and their contents
Biomass Compositional content (%)
References Carbohydrate Crude lipid Crude protein Ash
Saccharina japonica
59.8 15.28(Ext.) 8.69 15.28 J. of Ind. & Eng. Chem. 19(3), 2013
50.6 1.6 10.5 37.3 Bioresour. Technol. 146, 2013
66 1.6 10.6 21.8 Bioprocess. Biosyst. Eng. 35(1/2), 2012
51.9 1.8 14.8 31.5 Bioresour. Technol. 102, 2011
발효성 당으로 전환될 수 있으며, 이 또한 바이오 연 료 생산에 활용 될 수 있을 것이다. 그러나 알지네이 트의 추출방법이나, 정량법 등에 대한 연구는 거의 보 고되지 않고 있는 것도 현실이다. 식품이나 의약품과 관련하여, 과거에 일부 연구결과가 보고된 바는 있지 만, 이는 순수한 알지네이트 생산을 위한 당 폴리머의 추출 공정으로 비교적 부가가치가 낮은 바이오 연료 의 전환에 있어 그 경제성을 확보하기에는 아직도 기 술개발의 여지가 많이 남아 있다고 할 수 있겠다. 그 림 2는 갈조류에서 알지네이트를 추출하는 공정에 대 한 연구 결과들을 정리한 것이다. 일련의 연구 결과들 에 따르면, 공정 조건에 다소 차이는 있지만, 갈조류
바이오매스로부터 알지네이트의 추출은 알지네이트 의 산화(acidification)공정과 알칼리 추출 공정의 조 합에 의해서 수행된다. 현재까지 본 연구실의 결과에 따르면, 갈조류 바이오매스 유래 섬유소와 만니톨의 당화 및 바이오 알코올 수율은 각각 90%를 상회하였 다. 그러나 알지네이트 추출 수율은 아직까지 약 70%
로 다소 낮은 결과를 보이고 있으며, 이는 부생된 다 른 당 성분들의 손실 및 알지네이트의 단량체화를 최 소화하고, 적은 에너지투입을 위한 공정시간의 단축 및 저온 공정의 운용에서 기인된 것이다. 이는 향후 2 단 통합공정 등의 기술개발을 통해 극복될 수 있을 것 으로 전망하고 있다.
그림 1. Schematic diagram for utilization of fractionated residues from S. japonica.
그림 2. A series of chemical processes for alginate extraction.
갈조류 바이오매스 당화공정 및 당화효소의 개발 최근 해조류의 구성성분이 여러 가지 생리활성을 갖는다는 보고와 대체 에너지 바이오매스로서 식량경 쟁을 초래하지 않기 때문에 그 중요성이 증가하고 여 러 분야에서 관심을 가지게 되었다. 우리나라와 일본 과 같이 바다와의 접근성이 용이한 나라에서는 최근 몇 년 사이에 이와 같은 바이오매스를 통해 대체에너 지 및 바이오화학 물질을 생산하려는 시도가 활발해 지고 있다. 이와 같은 해조류 유래 바이오매스 자원의 효율적 사용을 극대화 한다면 비단 바이오에너지의 생산 뿐만 아니라 식량자원 및 여러 가지 대체물질의 생산을 위한 사용이 가능하기 때문에 앞으로 이용 잠 재성은 크다고 할 수 있다.
대표적 해양유래 바이오매스 중 하나인 갈조류는
알긴산(alginate), 푸코이단(fucoidan), 라미나란 (laminaran) 등이 주를 이루고 있으며 (표 2) 그 중 주 탄수화물 성분인 알긴산 (alginate)는 만루노릭산 (M, mannuronic acid)와 글루로닉산 (G, guluronic acid)로 구성되어 있는데 구성되는 방법에 따라 poly M chain, poly G chain과 hetero GM chain으로 구 성된다 (그림 3). 현재까지 알긴산을 분해하는 미생물 로는Sphingomonas sp. A1, Agarivorans sp. JAM- A1m, Pseudomonas aeruginosa PAO1, Corynebacterium sp.ALY-1, Saccharophagus degradans 2-40 등이 알려져 있다.
알긴산을 분해하는 방법은 크게 물리화학적 방법과 생물학적 방법으로 나누게 된다. 물리화학적인 방법 은 염산, 황산과 같은 산과 열처리를 통해 알긴산을
그림 3. 알긴산의 화학적 구조
표 2. 갈조류의 탄수화물 조성 및 관여 효소Carbohydrates Contents (based on DW) Related enzymes Final products
Alginate 12-34% Alginate lyase Mannuronate, Guluronate
Fucoidan 8-15% Fucidanase (α-L-fucosidases)
FucoseLaminaran 0.5-3.7% (max 11.6%)
β-1,3 glucanase, β-1,6 glucanase
GlucoseMannitol 6.8-15% 1Fermentable sugar
Cellulose trace Cellulases Glucose
분해하는 방법이다. 이와 같은 물리화학적인 방법을 통해서는 비교적 쉽게 알긴산을 분해할 수 있지만, 반 응 조절이 어려워 선택적인 중합도를 갖는 올리고알 긴산을 만들기가 어렵고 과분해에 의해 퍼퍼럴 (furfural), HMF (하이드록시메틸퍼퍼럴) 등의 독성 이 있는 알데하이드가 다량 생성된다. 더욱이 생리활 성을 갖는 구조인 불포화 올리고알긴산 (unsaturate oligoalginate)이 아닌 포화 올리고알긴산 (saturate oligoalginate)의 생성만이 이루어지기 때문에 기능성 소재를 생산하는 방법으로는 부적합하다. 또한, 물리 화학적인 방법은 부수적으로 중화과정이 수행되어야 하는데 이 때 환경 오염물질의 배출로 인해 환경친화 적인 방법으로는 적합하지가 않다.
한편, 효소를 이용하는 생물학적 전환공정의 경우 는 사용되는 효소에 따라 알긴산을 특이적으로 분해 하여 원하는 중합도의 올리고알긴산의 생산이 가능하 며, 생리활성 기능이 탁월한 구조인 불포화 올리고알 긴산 (unsaturate oligoalginate)의 생산이 가능하여 기능성 소재로서의 이용이 가능하다. 또한, 생물학적
인 촉매인 효소에 의해 반응이 진행되기 때문에 반응 후에도 독성물질의 배출이 생성되지 않아 환경친화적 인 공정이다. 생물학적 전환공정을 통해 이러한 탄수 화물을 효율적 완전 분해를 하기 위해서는 endo, exo- type 효소로 이루어진 최소 2종의 효소가 필요하다 (그림 4). 현재까지 endo-type에 대한 보고는 몇 건 이 있지만 그 수율적인 계산과 활성에 대한 평가가 미 비하고 단순 올리고당을 얻는 용도에 국한되어 있었 다. 또한, exo-type의 경우 전 세계적으로 2건만 보고 되어 있을 정도로 연구 진척이 더딘 상태이다. 따라서 알긴산의 효소적 완전 당화 공정의 개발을 통해 우리 나라도 세계적인 바이오매스 활용기술을 가진 선진기 술국가로서 위치를 확보할 수 있을 것으로 예상된다.
이와 병행하여 생물친화적 전처리 공정의 개발을 통해 환경오염을 일으키지 않고 부수적인 경제적인 비용이 발생하지 않도록 한다면 현대 사회가 요구하 는 지속적 발전이 가능한 산업으로서의 대안을 제시 할 수 있다. 또한 개발된 전처리 공정을 기반으로 효 소적 당화 공정의 조합을 통해 당화수율을 극대화한
그림 4. 알긴산 분해과정 및 분해효소
다면 다양한 산업 분야에 적용이 가능하다. 현재까지 갈조류 자체의 기능성들이 보고되어 있는데 기능성을 나타내는 여러 당들을 생산하는 기술이 본 연구를 통 해서 개발되면, value added metabolite를 이용한 제 약, 식품, 화장품 산업 등에 적용이 가능하리라 생각되 며, 바이오연료 생산 역시 가능하기 때문에 산업적 파 급력이 높다고 할 수 있다.
갈조류 바이오매스 당류의 에탄올 발효
석유의 고갈에 대비하고 이산화탄소 저감을 통한 환경개선을 위해서 전 세계적으로 석유유래의 연료를 대체하거나 첨가하여 사용할 수 있는 바이오연료를 개발하고 있고 현재 바이오에탄올과 바이오디젤은 세 계 각국에서 바이오연료로 사용하고 있다. 국내에서 도 2013년에‘신에너지 및 재생에너지 개발·이용·
보급 촉진법’의 개정안에 따라서 신재생에너지 의무 혼합제도(Renewable Fuel Standard, RFS)가 2017 년부터 시행될 예정으로 바이오에탄올을 휘발유 대비 4~7% 혼합할 경우 약 210만 톤의 에탄올 공급이 필 요하고 약 380만 톤의 이산화탄소 저감효과(약 10%
기여)가 있을 것으로 예상된다.
바이오에탄올의 생산에 이용되는 천연의 바이오매 스는 1세대 전분·당질계(옥수수와 사탕수수 등)와 2 세대 섬유소계(농산폐자원, 억세 등) 등이다. 1세대 바이오매스의 경우 식용으로 사용되는 바이오매스의 바이오연료화에 대한 사회적 이슈로, 2세대 바이오매 스는 복잡한 구조 및 리그닌 함유에 의한 연료화 효율 이 낮다는 단점을 보유하고 있어 새로운 바이오매스 에 대한 요구가 증가하고 있다. 최근 3세대 바이오매 스로서 해조류에 대한 관심이 높아지고 있고, 특히 거 대조류의 일종인 갈조류에 대한 에너지화에 대한 연 구가 진행되고 있다. 갈조류을 포함한 3세대 바이오매 스는 리그닌을 함유하고 있지 않기 때문에 탄수화물 로 전환한 이후의 에너지화 공정이 간단한 것이 장점 이다.
대표적인 갈조류인Saccharina japonica는 탄수화
물 인 laminarin, alginate, fucoidan, cellulose, mannitol 등의 함량이 전체 바이오매스의 50~60%
를 차지하고 있다. 이 중에서 바이오연료로 전환되기 쉬운 탄수화물은 laminarin와 cellulose, mannitol 등 이다. Laminarin과 cellulose는 다른 구조를 갖고 있지 만 포도당(glucose) 단량체의 중합체 형태로 되어있 어 적절한 물리·화학·생물학적 전처리·당화공정 을 통해서 단당류로 전환될 수 있다. Lee 등에 의하면 20.8g의 황산전처리된 L. japonica를 원료로 이용한 동시당화발효(Simultaneous Saccharification and Fermentation, SSF)공정을 통해서 전체 바이오매스 의 글루칸 함량 대비 약 67.4%의 효율로 2.31g/의 에 탄올을 생산하였다. 또한, Sargassum spp.의 갈조류 를 원료로 이용할 경우 10%의 건조바이오매스에서 최대 2.8 g/L의 에탄올을 생산하였다. Mannitol은 포 도당과 달리 일부 미생물만이 대사하여 에탄올로 전 환될 수 있다. Mannitol은 몇 단계의 대사과정을 통해 서 fructose-6-phosphate로 전환된 이후에 해당과정 (glycolysis)를 통해서 에탄올로 전환되는데, 효모류 중에서 Pichia angophorae, 세균류로는 유전자 재조 합Escherichia coli가 mannitol과 포도당을 이론수율 에 가깝게 에탄올로 전환시킨 보고가 있다. 특히 세균 유래의 pdc와 adh 유전자를 도입시킨E. coli KO11 균주를 이용할 경우에 L. japonica의 분해로부터 얻은 30.5%의 mannitol과 7.0%의 포도당을 바이오에탄올 로 전환하여 약 22-29g/L의 최종농도를 얻었다.
알긴산(alginate)은 전체 건조갈조류의 20-40%를 차지하는 주요한 탄수화물로 mannuronate와 guluronate와 같은 난대사성 단당류로 되어있는 uronic acid 중합체로 이루어져 있다. 알긴산에 대한 연구는 중합체의 형태로 식품 및 의약용 원료로의 이 용에 집중되어 있다. 한편 최근에 알긴산을 단당류 형 태로 전환시킬 수 있는 생물학적 방법의 개발로 알긴 산 단당류를 이용하여 바이오에탄올을 생산할 수 있 는 전기를 마련하였다. 그림 5와 같이 알긴산을 효소 적 가수분해로 단당류 형태로 전환시키면 4-deoxy-
L-erythro-hexoseulose uronate (DEH)가 생성된다.
DEH는 DEH reductase 또는 DEH isomerase와 KDG isomerase로 촉매되는 대사경로를 통해서 NAD(P)H를 보효소로 이용하여 2-keto-3-deoxy- D-gluconate(KDG)로 전환된다. 이후에 KDG는 KDG kinase 작용으로 2-keto-3-deoxy-6- phosphogluconate(KDPG) 전환되고, KDPG는 몇몇 세균에 존재하는 Entner-Doudoroff 대사경로와 대부 분의 생명체가 갖고 있는 glycolysis 대사경로를 통해 서 최종적으로 에탄올로 전환된다. 알긴산 대사경로 는 해양미생물에 존재하는 것으로 보고되고 있다.
DEH 대사경로는Sphingomonas sp. A1 해양미생물
에서 최초로 보고되었는데, DEH reductase인 A1-R은 NADPH 보효소에 의존적으로 DEH를 KDG로 전환시 켰다. DEH 대사경로를 보유하고 있는Sphingomonas sp. A1 세포 내로 에탄올 생산에 필요한Zymmobilis mobilis 유래의 pyruvate decarboxylase(Pdc)와 alcohol dehydrogenase(Adh)를 암호화하는 두 개의 유전자 를 삽입하였고, 이 유전자 재조합 균주를 이용하여 알 긴산 6%로부터 3일 동안 13.0g/L의 에탄올을 생산하 였다. 한편 바이오연료와 바이오화합물 생산에 가장 보편적으로 사용되고 있는 대장균(E. coli)을 균주로 이용하여 알긴산을 포함한 갈조류 바이오매스를 에탄 올로 전환시키는 연구결과가 최근에 보고되었다. 알 긴산의 분해에 필요한 alginate lyase와 alginate 분해 물을 세포내로 이송시키는 transporter 단백질, 알긴 산 단량체인 DEH 대사효소, 이후의 대사관련 효소 및 조절단백질 등을 암호화하는 유전자 클러스터를 해양미생물인Vibrio slendidus에서 클로닝하였고, 해 당 유전자 클러스터와 에탄올 생산용 유전자를 대장 균에 도입하여 알긴산 대사형 유전자 재조합 대장균 을 제조하였으며, 이 균주를 이용하여 건조된 S.
japonica로부터 알긴산과 mannitol, 글루칸 등을 이론 수율의 80%로 에탄올로 전환시킬 수 있는 기술을 개 발하였다.
상기에서 언급한 것과 같이 갈조류는 3세대 바이오 매스로서 다양한 탄수화물의 중합체로 이루어져 있기 때문에 각각의 탄수화물에서 유래한 단당류의 에탄올 전환관련 유전자 및 효소, 미생물의 개발이 필요하다.
특히 알긴산의 에탄올 전환에 대한 보고가 극히 드물 기 때문에 각 대사효소 및 유전자의 특성화와 이를 이 용한 다양한 알긴산 대사 미생물의 개발이 필요하다.
향후에 알긴산 대사형 미생물을 플랫폼기술로 개발할 경우 에탄올을 포함한 바이오연료 분야뿐만 아니라 다양한 바이오화합물을 생산할 수 있는 기회로 제공 될 것이다.
