[기획특집: C1 가스 리파이너리] 메탄 바이오전환 기술의 현황과 전망

1. 서 론

1)

메탄은 천연가스의 80% 이상을 구성하고 있으 며, 쓰레기 매립지 및 혐기성 발효공정에서 나오 는 바이오가스의 주성분이다. 이산화탄소에 비하 여 지구온난화지수가 20배 이상 높은 지구 온난화 가스임과 동시에 전환공정을 통하여 고부가가치 산물을 만드는데 사용되어, 석유자원을 대체할 수 있는 유망한 자원으로 주목받고 있다[1,2]. 특히 석유자원 고갈 및 유가 불안정과 가스 시추기술의 발달에 따른 셰일가스전의 개발로 인한 가스 가격 인하가 맞물려 2015년 기준, 미국의 가스 제조 가 격은 가솔린 원가에 비하여 2.3배 경제적이라는 보고가 있다[3].

메탄은 탄소원자 한 개에 수소원자 네 개가 결 합되어 가장 환원된 탄소 형태이다. 메탄을 전환 하기 위해서는 438.8 kJ/mol의 결합에너지를 갖는

주 저자(E-mail: [email protected])

강력한 C-H bond를 활성화시켜야 한다[4]. 기존의 화학공정에서는 고온, 고압환경에서 메탄을 syn- gas로 전환한 후 금속촉매를 사용하여 olefin 등의 화합물로 전환하는 방법을 사용하고 있으나[5], 이 는 다단계 공정으로 반응 효율이 낮은 편이며, 고 온/고압의 공정 운전 조건으로 인해 경제적이지 않 다는 평가를 받고 있다[6]. 화학 전환에 대한 대안 으로 methane monooxygenase (MMO)를 기반으로 한 생물학적 전환법을 고려할 수 있다. MMO는 상 온 상압에서 산소를 활성화시켜 메탄을 메탄올로 전환시키는 활성을 가지고 있으며, 가용성 메탄산 화효소(soluble methane monooxygenase, sMMO) 와 미립자 메탄산화효소(particulate methane mon- ooxygenase, pMMO)로 분류된다. MMO는 메탄 자화균에서만 발현되며, MMO에 의해 산화된 메 탄은 메탄올을 거쳐 포름알데히드로 전환된 뒤 메 탄자화균의 주요 대사경로로 합류한다[7]. 메탄자 화균의 분류에 따라 포름알데히드로부터의 대사 경로는 크게 2가지로 나뉘며, 메탄자화균은 Table

메탄 바이오전환 기술의 현황과 전망

황 인 엽⋅이 은 열^† 경희대학교 화학공학과

Bioconversion of Methane: Current Technology and Prospect

In Yeub Hwang and Eun Yeol Lee^†

Department of Chemical Engineering, Kyung Hee University, Gyeonggi-do 17104, Korea

Abstract: 천연가스, 셰일가스 및 바이오가스의 주성분인 메탄은 지구온난화 가스로, 감축대상인 동시에 차세대 탄소 자원으로 주목을 받고 있다. 기존의 화학적 메탄전환방법은 대규모 설비투자가 요구되는 규모의 경제가 적용되어 소 규모 한계 가스전에는 활용이 어렵다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 최근에 생물학적 전환법이 대안으로 고려되 고 있다. 메탄자화균은 메탄산화효소(methane monooxygenase)를 이용하여 상온 상압에서 메탄을 탄소원으로 사용하 여 생장할 수 있다. 따라서 메탄자화균의 메탄 대사경로를 기반으로 대사공학을 활용하면 메탄으로부터의 다양한 종 류의 고부가가치 산물 생산이 가능하다. 본고에서는 메탄자화균을 이용한 메탄의 바이오전환 기술의 현황 및 전망에 대하여 논의하였다.

Keywords: methane, bioconversion, methane monooxygenase, methanotroph, metabolic engineering

1에서와 같이 주요 특성에 따라 분류할 수 있다 [8]. Group I 메탄자화균은 γ-proteobacteria로, Type I과 Type X로 분류할 수 있으며 RuMP pathway를 주요 대사경로로 사용한다. Type X 메 탄자화균의 경우 Group II 메탄자화균에서 주로 관찰되는 serine pathway관련 유전자를 보유하고 있다. Group II 메탄자화균은 주로 serine pathway 를 사용하여 대사하며 α-proteobacteria로 분류된 다. Group III 메탄자화균은 Verrucomicrobia로 분 류되며, 최근 발견된 신종 균주로 극한조건에서 생장할 수 있는

methylacidiphilum fumariolicum

메탄자화균에 대한 연구는 single cell protein으 로써 사용하고자 하는 연구를 시작으로 메탄올 및 생분해성 고분자(PHB)의 생산에 대한 연구가 주 를 이루었으며, 최근 메탄으로부터 유용화합물을 생산하기 위한 대사공학적 균주 개량 연구가 활발 하게 진행 중이다. 메탄자화균을 활용하여 유용화 합물을 생산하기 위해서는 대사과정에 대한 이해 가 반드시 선행되어야 한다. 주요 대사과정을 조 절하여 목적 산물의 생산성을 높이거나, 신규 대 사과정을 도입함으로써 야생형 메탄자화균이 합 성하지 못하는 신규 목적 산물을 제조할 수 있다.

메탄자화균의 대사과정에 대한 연구는 RuMP cy- cle, serine cycle 등 주요 대사 경로를 밝혀내는 큰 진보를 얻었으나(Figure 1), 메탄자화균의 생리 특

Group Type Taxonomy Example MMO Metabolic pathway

Group I

Type I

γ-proteobacteria

Methylomonas metanica

MC09 pMMO RuMP pathway

Type X Methylococcus capsulatus

Bath

pMMO, sMMO

RuMP pathway + incomplete serine pathway Group II Type II α-proteobacteria Methylosinus trichosporium

OB3b

pMMO,

sMMO Serine pathway Group III Type IV Verrucomicrobia Methylacidiphilum

fumariolicum SolV

pMMO,

sMMO RuMP + Serine pathway

Table 1. 메탄자화균의 종류 및 주요 특징

Figure 1. 메탄 대사경로에 따른 메탄자화균의 분류[8].

성과 대사 조절 등에 대한 이해는 아직 부족한 실 정이다. 또한, 메탄자화균의 대사공학적 개량에 대 한 선행 연구로 필수적인 유전자 조작에 대한 방 법이 대장균 등을 포함한 기존의 상용화 균주 대 비 매우 미흡하다는 어려움이 있으며, 메탄 기질 의 물질 전달 제한으로 인한 메탄자화균의 낮은 성장속도 역시 상업화에 어려움을 주는 요인이다.

메탄은 천연가스 및 셰일가스의 주요 성분으로 187.4조 m³ (1,687 TOE) 이상의 매장량이 확인되 어 생물학적 전환을 통한 고부가가치 산물의 생산 이 필수적이며 이를 위해선 메탄자화균의 연구와 관련된 많은 기술적 문제점들이 해결되어야 한다 [9,10]. 본 원고에서는 메탄자화균을 이용한 메탄 의 바이오전환 기술의 현황과 전망에 대하여 소개 하고자 한다.

2. 메탄 바이오전환 기술의 현황

2.1. 메탄의 알코올로의 바이오전환

메탄자화균의 MMO는 대기 조건에서 메탄의 C-H bond에 산소를 첨가하여 메탄올로 전환할 수 있다[11]. 메탄올은 연료로써 직접 연소시키거나, MTO (Methanol to Olefin) 공정 등을 통하여 다양 한 화합물 합성용 원료로 사용될 수 있는 플랫폼 화합물(platform chemical)이다. 메탄올은 2012년 기준 연간 360억 달러 이상의 세계 시장을 형성하 였고 6000만 톤 이상이 거래되었으며, $350-400 /ton의 가격이 형성되었다[12]. 메탄자화균의 MMO 를 이용하여 메탄올을 제조하는 경우, 생성된 메탄 올은 methanol dehydrogenase (MDH)에 의하여 포름알데히드로 전환되며, 개미산을 거쳐 이산화 탄소로 산화된다[13]. 따라서 MDH의 활성을 저 해하는 물질인 EDTA 또는 고농도의 염 등을 첨 가하여 메탄올의 축적을 유도하는 방법이 구상되 었으며, 최대 생산속도 및 최대 농도는 각각 49.9 mg/l⋅h 및 1.12 g/L으로 보고되고 있다[14,15].

화학물질을 사용한 메탄올의 축적방법은 비선 택적인 효소 저해작용에 의하여 대사과정에 부정 적인 영향을 미칠 수 있으며, 메탄을 메탄올로 산

화할 때 필요한 환원력의 지속적인 공급이 단절된 다는 문제점이 있다. 개미산이 이산화탄소로 산화 될 때 환원력을 재생한다는 연구결과를 토대로 개 미산의 첨가로 인한 환원력의 공급을 통해 메탄올 의 축적량을 향상시킨 연구결과가 있지만, 이는 경제적인 측면에서 비효율적이다. 따라서 MDH만 을 선택적으로 저해하는 생물학적 방법의 개발과 환원력을 지속적으로 재생/공급해주는 방법에 대 한 연구가 추가적으로 수행되어야 한다. 메탄을 사용한 알코올의 생산은 메탄올에 집중되어 진행 되었으며 그 외의 알코올의 생산으로는 isobutanol 을 0.001 g/L의 농도로 생산한 연구 결과가 보고 되었다[16].

2.2. 메탄의 유기산으로의 바이오전환

메탄자화균의 유전자를 조작하여 polylactic acid (PLA)의 단량체로 사용될 수 있을 뿐만 아니 라, 의약 및 화장품 소재와 식품산업에도 사용되는 lactate를 메탄으로부터 제조하는 특허가 보고되었 다. Methylococcus capsulatus Bath, Methylosinus

trichosporium OB3b, 그리고 Methylobacterium buryatense 5G를 균주로 사용하였으며, 이종숙주

2.3. 메탄의 올레핀으로의 바이오전환

메탄을 기질로 사용하여 이소프렌을 생합성하 기 위하여 메탄자화균에 1-deoxy-D-xylulose-5- phosphate (DXP) 경로를 메탄자화균에 구현한 특

허가 보고되었다[20,21]. Isoprene synthase 유전자 를 M. capsulatus에 발현하여 G-3-P 및 pyruvate로 부터 이소프렌을 제조하였으며, DXP 오페론에 대 하여 무작위 돌연변이 및 error-prone PCR을 이용 하여 이소프렌 전구체 생합성 효율을 증가시킨 기 술에 대한 보고가 있었으나, 구체적인 생산량에 대한 정보는 없는 상황이다.

2.4. 메탄을 이용한 바이오폴리머 생합성 야생형 메탄자화균은 메탄을 사용하여 poly- hydroxybutyrate (PHB)를 생합성할 수 있다. 유전 자 조작이 필요하지 않아 다른 연구 대비 비교적 활발하게 연구가 진행되었으며, 주로 Type II 메 탄자화균을 사용한 PHB 제조 연구가 수행되었다.

EMC pathway에 존재하는 3-hydroxybutyrate로부 터 PHB를 합성할 수 있으며, 탄소원이 질소원에 비하여 풍부한 조건에서 PHB의 축적률을 높일 수 있다. PHB의 수율 및 생산성은 각각 0.55 g PHB/g CH4 및 2.85 g PHB/L/h 수준이다[22].

위와 같이 메탄자화균을 이용한 메탄으로부터 의 유용산물의 생산연구는 일부 화합물에 국한되 어 있는 편이다. 목적 산물 전구체 첨가 및 배양조 건의 변화를 통하여 특정 산물 축적률을 향상시키 거나, 특정 유전자의 과발현을 통하여 생산성을 향상시키는 기본적인 연구수준에 머물러 있다. 현 재 메탄자화균의 유전자 조작을 위한 고효율 플라 스미드가 개발되어있지 않아 그 용도가 제한적이 며, 특정 균주의 유전체로부터 얻은 promoter를 접합시킨 발현 플라스미드를 사용한 실험이 대부 분이다[23,24]. 따라서 메탄자화균을 이용한 유용 산물의 생산을 위해서 다양한 유전자 조작 tool 개 발연구가 선행되어야 한다.

3. 메탄의 바이오전환 기술의 전망

셰일가스 시추기술 발달에 따라 비전통 가스자 원 개발과 더불어 천연가스 생산량이 지속적으로 증가함에 따라 활용 가능한 메탄의 양도 더욱 늘 어날 예정이다[25]. 메탄은 그 자체로 연소하여 연

료로 사용될 뿐만 아니라, syngas로 전환된 후 다 시 화합물로 전환되는 간접 방식을 통한 석유화학 원료물질을 대체할 수 있는 화학원료로도 주목을 받고 있다[26,27]. 전통적인 화학전환 방법을 사용 하는 공장은 100억불 정도의 초기 투자비용이 필 요하기 때문에 비교적 적은 양의 가스가 매장되어 있는 한계 가스전에는 적합하지 않다[10]. 반면, 메탄자화균을 이용한 생물학적 공정은 상온/상압 조건에서 메탄전환이 가능하며, 생물학적 전환의 장점인 높은 선택도와 수율을 얻을 수 있다.

메탄자화균을 생촉매로 이용한 메탄으로부터의 유용산물 생산에 대한 연구는 아직 시작 단계이 다. 메탄자화균의 주요 대사경로는 Figure 2와 같 으며, 유용산물의 원활한 생산을 위해서 메탄자화 균의 유전체 및 대사체에 대한 연구가 선행되고 있다. 최근 Kalyuzhnaya연구팀에 의하여 M. bury-

atense 5G을 사용한 genome scale에서의 대사경

특정 유용산물 생산에 적합한 다양한 메탄자화 균 선별도 중요한 연구 분야이다. 예를 들어, lactic acid가 목적산물인 경우 배양액이 산성을 나타내 기 때문에 호산성 메탄자화균을 사용한 생산이 필 수적이다. pKa가 3.84인 젖산을 생산하는 경우, 충분히 낮은 pH가 아닐 경우 lactate 형태로 존재 하며, 이를 lactic acid로 전환하는 후처리 공정이 필요하기 때문에 gypsum과 같은 폐기물이 다량 발생한다는 문제점이 있다. 따라서 낮은 pH에서 lactic acid를 생산할 수 있는 메탄자화균의 선발이 반드시 필요하다. 산성 조건에서 활성을 갖는 균 주를 개발하기 위해서는 산성환경에서 신규 메탄 자화균을 분리하거나, 기존의 메탄자화균을 산성 조건에서 adaptation하는 방법을 사용할 수 있다.

메탄자화균의 대사 특성을 고려한 목적 산물 선 정도 중요하다. Group I 메탄자화균은 RuMP pathway을 주요 대사경로로 이용하며, group II 메 탄자화균은 serine pathway을 사용하여 대사하기

때문에 목적산물에 적합한 균주를 선정할 수 있다 (Figure 2). TCA-cycle의 중간물질 등을 활용하여 목적 대사산물을 생산하는 경우, TCA cycle 활성 이 상대적으로 우수한 group II 메탄자화균이 유 리할 것으로 생각된다. 반면, 상대적으로 생장속도 가 빠른 group I 메탄자화균을 이용하게 된다면, pyruvate로부터 생산할 수 있는 물질인 lactate, isobutanol, 2,3-butanediol 등의 생산에 이점이 있 을 것으로 판단된다(Figure 3).

4. 결론

현재 상업적 활용 가치가 낮은 소규모 한계 가 스전의 경우, 메탄을 포함한 가스를 단순히 방출 하거나 태우고 있다. 이러한 메탄 가스 자원을 전 환시켜 플랫폼 화합물 제조 등에 활용할 경우, 온 실 가스 방출 예방과 더불어 수익을 창출할 수 있 을 것으로 판단된다. 바이오가스 및 소규모 가스 전의 활용은, 초기 투자비용이 적으며 상온/상압

Figure 2. 메탄자화균의 주요 대사경로[10].

Figure 3. 메탄자화균을 이용한 유용물질 합성.

에서 전환 반응을 할 수 있는 바이오전환방법이 유용할 것으로 기대된다. 대사공학적으로 개량된 미생물 균주를 이용하여 바이오매스로부터 lactic acid, succinate, 1,4-butanediol 등의 유용산물을 제조하는 공정은 상업적 수준까지 개발되고 있으 나, 메탄을 기질로 사용한 바이오전환공정은 메탄 의 낮은 용해도와 물질전달계수, 메탄자화균의 느 린 성장속도 등으로 인해 초기 단계의 연구가 진 행되고 있다. 메탄 바이오전환 기술의 상업화를 위해서는 생장속도가 빠른 신규 메탄자화균 및 고 효율 산물 제조 조건(예를 들어 낮은 pH)에서 활 성이 우수한 균주의 분리가 필요하며, OMICS 연 구를 통해 메탄자화균의 대사경로 및 미생물 생리 작용에 대한 분자수준의 분석을 통한 균주개량을 위한 대사공학 tool이 반드시 필요하다. 이러한 연 구와 더불어 메탄 및 산소 가스의 전달효율을 향 상시키는 공정기술이 성공적으로 개발된다면 메 탄의 바이오전환 기술 상업화가 가능할 것으로 기 대된다.

감 사

이 논문은 2016년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단-C1가스리파이너리사업의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2015M3D3A1A 01064882).

참 고 문 헌

1. K. A. Bulba and P. E. Krouskop, Compositional variety complicates processing plans for US shale gas, Oil & Gas Journal, 107, 50-55 (2009).

2. S. Rasi, Biogas composition and upgrading to

biomethane, University of Jyväskylä, 50 (2009).

3. U.S. Energy Information Administration, Short-Term Energy Outlook, February, Independent statistics and analysis (2016).

4. J. W. M. H. Geerts, J. H. B. J. Hoebink, and K. Wiele, Methanol from natural gas. Proven and new technologies, Catal. Today, 6, 613-620 (1990).

5. G. A. Olah, Beyond oil and gas: the methanol economy, Angew. Chem., 44, 2636-2639 (2005).

6. M. C. Alvarez-Galvan, N. Mota, M. Ojeda, S.

Rojas, R. M. Navarro, and J. L. G. Fierro, Direct methane conversion routes to chemicals and fuels, Catal. Today, 171, 15-23 (2011).

7. R. S. Hanson and T. E. Hanson, Microbiol.

Rev., 60, 439-471 (1996).

8. M. G. Kalyuzhnaya, A. W. Puri, and M. E.

Lidstrom, Metabolic engineering in meth- anotrophic bacteria, Metab. Eng., 29, 142-152 (2015).

9. 전기원, 남두현, 조동현, 박은희, 셰일가스와 화학산업의 대응 방안, KEIT PD Issue Report, 13, 50-78 (2013).

10. I. Y. Hwang, S. H. Lee, Y. S. Choi, S. J.

Park, J. G. Na, I. S. Chang, C. Kim, H. C.

Kim, Y. H. Kim, J. W. Lee, and E. Y. Lee, Biocatalytic conversion of methane to methanol as a key step for development of methane-based biorefineries, J. Microbiol.

Biotechnol., 24, 1597-1605 (2014).

11. D. Park and J. Lee, Biological conversion of methane to methanol, Korean. J. Chem. Eng., 30, 977-987 (2013).

12. D. Johnson, Global methanol market review,

IHS Inc. (2012).

13. T. A. Trotsenko and J. C. Murrell, 5 Metabolic Aspects of Aerobic Obligate Methanotrophy, Adv. Appl. Microbiol., 63, 183-229 (2008).

14. C. Duan, M. Luo, and X. Xing, High-rate

conversion of methane to methanol by

Methylosinus trichosporium OB3b, Bioresour.

Technol., 102, 7349-7353 (2011).

15. I. Y. Hwang, D. H. Hur, J. H. Lee, C. H.

Park, I. S. Chang, J. W. Lee, and E. Y. Lee, Batch Conversion of Methane to Methanol Using Methylosinus trichosporium OB3b as Biocatalyst, J. Microbiol. Biotechnol., 25, 375-380 (2015).

16. W. J. Coleman, G. M. Vidanes, G. Cottarel, S. Muley, R. Kamimura, A. F. Javan, J. Sun, and E. S. Groban, Biological Conversion of Multi-Carbon Compounds from Methane, US

Patent 14/206,835 (2014).

17. Calysta Inc, Compositions and methods for biological production of lactate from c1 compounds using lactate dehydrogenase transformants, WO 2014205146 A1 (2014).

18. C. A. Henard, H. Smith, N. Dowe, M. G.

Kalyuzhnaya, P. T. Pienkos, and M. T.

Guarnieri, Bioconversion of methane to lactate by an obligate methanotrophic bacterium, Sci.

Rep., 6(2185), 1-9 (2016).

19. Subbian, Ezhilkani, Production of succinic acid from organic waste or biogas or methane using recombinant methanotrophic bacterium, WO 2015/155791 A2 (2015).

20. G. K. Donaldson, K. Hollands, and S. K.

Picataggio, Biocatalyst for conversion of methane and methanol to isoprene, U.S.

Patent application No. 14/618,066 (2015).

21. E. Leonard, J. Minshull, J. E. Ness, and T. J.

Purcell, Compositions and methods for biological production of isoprene, US Patent 20,160,017,374 (2014).

22. K. Khosravi-Darani, Z. B. Mokhtari, T.

Amai, and K. Tanaka, Microbial production of poly (hydroxybutyrate) from C1 carbon sources, Appl. Microbiol. Biotechnol., 97, 1407-1424 (2013).

23. J. S. Lloyd, R. Finch, H. Dalton, and J. C.

Murrell, Homologous expression of soluble methane monooxygenase genes in Methylosinus

trichosporium OB3b, Microbiology, 145,

24. A. Crombie and J. C. Murrell, 8 Development of a System for Genetic Manipulation of the Facultative Methanotroph Methylocella silvestris BL2, Meth. Enzymol., 495, 119-133 (2011).

25. Rank Order - Natural gas - proved reserves, accessed in June (2014).

26. F. Kracke and J. O. Krömer, Identifying target processes for microbial electrosynthesis by elementary mode analysis, BMC bioinformatics, 15, 1(410), 1-14 (2014).

27. H. D. Gesser, N. R. Hunter, and C. B.

Prakash, The direct conversion of methane to methanol by controlled oxidation, Chem. Rev., 85, 235-244 (1985).

28. S. Yang, J. B. Matsen, M. Kunopka, A.

Green-Saxena, J. Clubb, M. Sadilek, V. J.

Orphan, D. Beck, and M. G. Kalyuzhnaya, Global molecular analyses of methane metabolism in methanotrophic alphaproteo- bacterium, Methylosinus trichosporium OB3b.

Part II. Metabolomics and 13C-labeling study,

Front. Microbiol., 4(70), 42-54 (2013).

29. J. B. Masten, S. Yang, L. Y. Stein, D. Beck, and M. G. Kalyuzhnaya, Global molecular analyses of methane metabolism in meth- anotrophic alphaproteobacterium, Methylosinus

trichosporium OB3b. Part I: transcriptomic

study, Front. Microbiol, 4(40), 26-41 (2013).

30. A. Torre, A. Metivier, F. Chu, L. M. Laurens, D. A. Beck, P. T. Pienkos, M. E. Lidstrom, and M. G. Kalyuzhnaya, Bioreactor performance

parameters for an industrially-promising methanotroph Methylomicrobium buryatense 5GB1, Microb. Cell Fact., 14(182), 1-8 (2015).

황 인 엽

2010∼2014 경희대학교 화학공학과 (학사)

2014∼현재 경희대학교 석박사통합과정

이 은 열

1985∼1989 서울대학교 공업화학과 (학사)

1989∼1995 서울대학교 대학원 (석사, 박사) 1995∼1998 SAIT

1998∼2007 경성대학교 식품생명공학과 부교수

2007∼현재 경희대학교 화학공학과 정교수