1. 석유화학에서 바이오화학으로
석유화학산업의 발전을 통하여 인류는 지금 지구 생존 기간 동안 최대의 풍요와 평안을 누리고 있다.
땅속에 존재하던 원유를 채굴하여 인류에게 필요한 다양한 소재와 에너지원을 만듦으로써 인류는 안락 을 누려왔다. 그러나 인류에 풍요를 안겨준 석유화 학산업이 엄청난 양의 온실가스를 발생시켜 지구 온 난화의 주범이 되고 있다. 최근 이러한 문제점을 해 결하고 지금까지 인류가 누려온 풍요와 안락을 유 지할 방안으로 재생가능한 바이오매스 자원으로부
터 바이오화학기술을 이용하여 화학제품을 생산하 는 바이오화학산업이 주목을 받고 있다. 바이오화학 산업은 기존 소모적 원유에서 생산하는 각종 화학소 재(Chemical substance) 등을 바이로매스로부터 안정 적이며 친환경적으로 공급하고 화학산업의 지속가 능한 성장 동력 확보를 위한 미래형 산업이다. 원유 공급, 환경오염, 식량문제 등과 같은 불확실성을 제 어 가능하며 환경친화적이며 지속성장이 가능한 산 업시스템에 대한 사회적 요구를 부합시키기 위해 바 이오화학산업의 중요성이 나날이 강조되고 있다. 또 한, 온실가스저감에 대한 전 세계적인 공감대가 형
한국화학연구원 바이오화학연구센터
제갈종건
바이오화학연구센터장/융합화학연구본부장 jggegal@krict.re.kr
그림 1. 석유화학 기반 산업시스템과 바이오화학 기반 산업시스템의 비교.
성되고 있으며, 선진국을 중심으로 기후변화협약 (COP21 등)을 통해 범인류적인 안전장치를 확보하 는 노력을 기울이고 있다. 화학산업에서도 바이오매 스 유래 바이오화학제품 생산을 통해 온실가스의 절 감을 하려는 노력을 하고 있다.
2. 다양한 바이오매스 자원의 확보
바이오화학기술을 활용하여 원유 대신 풀과 나무 와 같은 식물자원인 바이오매스를 원재료로 이용하 여 다양한 종류의 화학제품을 생산하는 것이 바이오 화학산업의 핵심이다. 식물자원인 바이오매스는 물, 이산화탄소 그리고 햇빛만 있으면 언제나 만들어지 는 “재생가능한” 자원으로 인류가 지향하는 지속성 장형 사회를 구현하는데 매우 적합한 자원이다. 바 이오화학산업 발전에 있어 첫 번째 해결되어야 할 사항은 바로 충분한 양의 바이오매스 확보이다. 그 럼, 인류는 지구상에 석유화학산업을 대체할 수 있 을 정도의 바이오매스를 가지고 있는가? 그 답은 “그 러하다”이다. 바이오매스에는 매우 다양한 종류들 이 있다. 땅과 바다로부터 생산되는 모든 풀과 나무, 폐목재를 포함한 폐 식물자원들이 모두 활용 가능한 바이오매스 자원들이다. 특히 폐목재를 비롯한 폐 식물자원을 이용함으로써 환경보존과 산업의 발전
을 동시에 이룰 수 있다. 이를 위해서 인류가 필요한 것은 바이오매스를 기존 석유화학산업과 연결할 수 있는 바이오화학기술의 개발이다.
3. 바이오화학기술 개발
바이오화학기술은 무엇인가? 바이오화학기술은 바이오기술과 화학기술의 융합이라고 할 수 있다.
바이오화학산업의 공정과 가치사슬로부터 바이오화 학기술을 이해할 수 있다. 바이오매스로부터 화학제 품을 생산하기까지 전 과정을 나타내는 바이오화학 산업 공정은 크게 4부분으로 나눌 수 있다: 1) 자원공 급 및 원료화 공정, 2) 기초화학물질 생산 공정, 3) 바 이오화학 제품화 공정, 그리고 4) 바이오화학제품 응 용 공정이다. 바이오화학기술의 주요 특징은 바이오 화학제품 생산에 필요한 기초화학물질의 미생물 발 효공정을 통한 생산이다. 이를 위한 그 첫 번째 단계 는 바이오매스로부터 발효당(바이오슈가)을 생산공 정이다. 생산된 발효당으로부터 미생물 발효기술을 통해 기초화학물질인 저분자 화합물, 즉 플랫폼 화 합물(단량체 포함)을 생산하는 공정이 그 두 번째 단 계이다. 세 번째 단계에서는 생산된 플랫폼 화합물 로부터 다양한 종류의 바이오정밀화학제품 및 바이 오플라스틱 등을 생산한다. 마지막 단계에서는 이렇 게 생산된 바이오화학소재를 이용하여 시장에 판매 할 수 있는 바이오화학제품을 생산하는 가공기술이 적용된다.
4. 한국화학연구원 바이오화학연구센터 주 요 연구 내용
바이오화학산업 가치사슬의 각 단계에서 보면 바 이오기술이 중심인 단계가 있고 화학기술이 중심 이 되는 단계들이 있다. 특히 발효당을 이용하여 플 랫폼 화합물을 생산하는 발효공정은 미생물을 이용
그림 2. 다양한 종류의 바이오매스.
하는 단계로써 바이오기술 중심의 단계라 볼 수 있 다. 그 외의 단계들은 대부분 화학기술 중심의 단 계들이다. 현재 BASF SE, DuPontDow, ENI, DSM 등의 글로벌 화학기업은 바이오기술을 가진 기업
(Genomatica, Amyris, Avantium 등)과 조인트벤처를 설립하여 바이오매스로부터 플랫폼 화합물을 생산 하여 기존 석유화학 제품을 대체하며 화학산업의 패 러다임을 바꾸고 있다. 이러한 바이오화학기술의 특
<공정>
<가치사슬>
그림 3. 바이오화학산업의 공정과 가치사슬.
(자료출처: From the Sugar Platform to biofuels and biochemicals, 2015, E4tech (UK) Ltd)
징을 볼 때 바이오화학기술은 국내 화학기술개발의 중심역할을 하는 한국화학연구원의 중요 임무 중의 하나일 수 밖에 없다. 한국화학연구원 바이오화학연 구센터에서는 10여 년 전부터 본 바이오화학기술의 개발을 본격적으로 시작하였다. 바이오화학산업 4개 공정의 핵심 기술인, 발효당 대량생산 기술, 미생물 발효를 통한 플랫폼 화합물 생산 기술, 바이오플라 스틱 제조 기술, 바이오플라스틱 가공 기술을 개발 하고 있다.
1) 발효당(바이오슈가) 대량생산 기술 개발
바이오화학산업의 원재료는 바이오매스로부터 생산되는 바이오슈가라 불리는 발효당이다. 미생물 이 발효당을 먹고 우리가 필요로 하는 화합물을 만 들어 주기 때문이다. 지금까지 세계적으로 모든 발 효회사에서는 옥수수, 고구마, 감자 등과 같은 식용 바이오매스로부터 발효당을 제조하여 사용하고 있 다. 이러한 식용 바이오매스의 사용은 바이오화학산 업을 육성하는데 큰 걸림돌로 작용하고 있으며 이를
해결할 수 있는 방법이 비식용 바이오매스, 즉 리그 노셀룰로즈계 바이오매스를 활용하는 것이다. 그러 나 아직 전 세계적으로 상용화된 기술이 없다. 그래 서 본 연구센터에서는 다양한 종류의 비식용 바이오 매스, 즉 팜나무 부산물, 해바라기대, 갈대, 아카시 아 나무 등을 이용한 바이오슈가 생산 기술을 개발 해 오고 있다. 현재 본 연구센터의 기술은 상용화 직 전 단계에 이르고 있으며, 향 후 3,4년 내로 상용화가 이루어질 것으로 생각하고 있다. 본 연구센터 기술 의 특징은 비식용 바이오매스로부터 바이오슈가만 생산하는 것이 아니라, 공정부산물인 리그닌과 헤미 셀룰로즈을 최대한 깨끗한 활용 가능한 상태로 생산 하여 이들로부터 고부가가가치 제품을 제조할 수 있 게 하는 것이다. 본 사업은 10년간의 실험실 규모의 연구를 거쳐 현재는 파일럿 규모의 기술을 개발하고 있으며, 1일 200 kg 바이오매스를 처리할 수 있는 기 술로 개발하고 있다. 현재 진행되는 사업은 총 사업 비 190억원(5년간) 규모의 산업부 바이오화학산업화 촉진 사업으로 현재 3년째 연구를 진행하고 있다.
그림 4. 바이오화학연구센터의 주요 연구 내용 및 활용 분야.
2) 미생물 발효를 통한 플랫폼 화합물 생산 기술 개발
비식용 바이오매스로부터 제조되는 발효당 을 이용하여 플랫폼 화합물을 생산하기 위한 연구 를 본 연구센터에서는 또한 진행하고 있다. 지금 까지 다양한 종류의 플랫폼 화합물을 생산하기 위 한 미생물 발효기술을 연구해 오고 있으며, 특히 고농도 발효기술을 완성하기 위하여 미생물을 개 량하는 유전자 조작 기술 등을 포함해서 발효공정 기술까지를 성공적으로 개발하고 있다. 이 과정에 서 개발된 플랫폼 화합물 제조 기술에는 다음과 같 은 것들이 있으며 대부분 국내 기업들과 함께 공동 연구로 진행되었다 : 1) Lactic acid(LA) 제조기술, 2) gamma-Aminobutyric acid(GABA) 제조기술, 3)
5-Aminovaleric acid(AVA) 제조기술, 4) Cadaverine 제조기술, 5) Glutaric acid 제조기술, 6) 2,3-Butandiol 제조기술, 7) 1,3-Propandiol 제조기술 등. 이러한 플 랫폼 화합물을 생산하는 미생물 발효기술들은 모두 산업부, 미래부를 포함한 정부과제 수행을 통하여 개발되어졌다. 이들 중 일부는 이미 국내 기업에 이 전되어 상용화 준비가 진행되고 있다. 최근에는 본 연구센터에서 바이오화학제품의 고부가가치화를 극대화하기 위하여 기능성 제품의 생산을 위한 연 구를 진행하고 있으며, 화장품 제조에 사용될 수 있 는 바이오계면활성제의 생산을 위한 연구를 진행하 고 있다.
3) 바이오플라스틱 제조 기술 개발
본 연구센터에서는 생산된 플랫폼 화합물로부터 바이오정밀화학제품 생산을 위하여 다양한 기술들 을 개발하고 있다. 효소(Enzyme) 활용 기술과 바이 오플라스틱 제조기술들이 그 대표적이다. 특히 바이 오화학산업의 가장 큰 부분을 차지하는 바이오플라 스틱 제품 생산을 위한 기술의 개발에 본 연구센터 는 많은 일들을 진행해 오고 있다. 지금까지 개발한 바이오플라스틱 제조 및 가공 기술에는 다음과 같은
그림 5. 바이오화학연구센터의 KrictBiosugar 공정도.
그림 6. 바이오화학연구센터의 대사공학을 이용한 플랫폼 화합물 생산 전략.
것들이 있다: 1) Polylactic acid(PLA)와 Stereocomplex PLA 제조기술 및 가공기술, 2) 바이오나일론 4와 바 이오나일론4-나일론6 공중합체 제조기술, 3) 바이 오나일론 5와 이들의 공중합체 제조기술, 4) 아이소 소바이드계 폴리에스터 공중합체 제조기술, 5) 퓨 란계 폴리에스터 공중합체 제조기술. 이들 중에서 Stereocomplex PLA의 경우에는 경제적인 중합법인 LA로부터 Lactide 생산단계를 거치지 않고 직접 PLA 를 제조할 수 있는 직접중합법 개발에 성공하였으 며 세계적으로 가장 높은 분자량과 질을 자랑하고 있다. 바이오나일론의 경우는 국내 기업인 (주)대상 과 GS칼텍스와 함께 연구를 진행하였으며 현재 이 들 기업에 의한 상용화가 진행되고 있다. 최근 바이 오플라스틱의 세계적 추세는 고부가가치화할 수 있 는 엔지니어링 바이오플라스틱의 생산이며, 본 연구 센터에서도 아이소소바이드와 퓨란 디카복실릭산을 이용한 엔지니어링 바이오플라스틱의 제조를 진행 하고 있다.
4) 바이오플라스틱 가공 기술 개발
바이오플라스틱을 이용하여 생산될 수 있는 플라 스틱 제품에는 매우 다양한 것들이 있다. 하지만 아 직 생산되는 바이오플라스틱의 가격이나 성능이 기 존 석유계 플라스틱에 비해서 떨어지는 것이 사실이 다. 따라서 시장에서는 바이오플라스틱을 기존 석유 기반 플라스틱과 블렌딩하여 새로운 제품을 생산하
기를 원하고 있다. 따라서 본 연구센터에서는 매우 다양한 종류의 플라스틱 가공 장비를 이용한 바이오 플라스틱 가공 기술을 개발하고 있다. 본 연구센터 에 보유하고 있는 다양한 가공 장비들을 이용하여 현재 용융방사를 통한 의류용 섬유 및 부직포 생산 기술을 개발하고 또한 셀룰로즈로부터 섬유를 제조 할 수 있는 습식 방사법, 그리고 전기방사를 이용한 나노섬유 제조 기술까지를 개발하고 있다. 또한 섬 유와 더불어 필름 생산을 위한 기술의 개발도 함께 진행하고 있으며 과자 봉지에서부터 의료용 및 전자 재료용 포장제 생산이 가능한 가공 기술을 현재 개 발하고 있다.
5. 울산 바이오화학실용화센터 건립 및 운영
본 연구센터가 10여 년 전부터 상기 바이오화학 기술을 개발하던 중, 우리나라 정부도 세계 소재산 업의 메가트렌드가 석유기반에서 바이오매스기반으 로 이동하는 것을 감지하여 국내 바이오화학산업 육 성의 필요성을 절감하였다. 따라서 당시 지경부(지 식경제부)에서는 정부예산 200억원과 울산 시비 170 억을 들여 우리나라 석유산업의 메카인 울산에 바이 오화학실용화센터를 건립하고 국내 바이오화학산업 을 육성하고자 하였다. 이 대규모 사업을 본 연구센 터에서 유치하게 되어 2010년 6월부터 바이오화학실 용화센터 건립사업을 시작하여 2016년 3월에 개소식
그림 7. 바이오플라스틱 제품의 예.
을 하게 되었다. 정부에서는 바이오화학실용화센터 의 건립과 함께 본 연구센터가 우리나라 바이오화학 산업 육성을 위한 컨트롤 타워역할을 감당해 주기를 바라고 있으며, 현재 본 연구센터는 이를 위한 업무 를 추진하고 있다.
건립된 바이오화학실용화센터의 개요는 다음과 같다 : 부지 : 13,449m2, 연구동 : 9,933m2, 시험생산 동 : 8,067m2, 구축 장비 내역 : 대형 실용화 장비 17 종을 포함해서 59종 77대의 장비가 구축 (표 1. 참고) 이로써 명실공이 국내에서는 처음으로 바이오화학 산업 육성에 필요한 “바이오매스처리, 바이오슈가 제조, 미생물 균주개량 및 발효, 바이오정밀화학 제 품 생산, 바이오플라스틱 제조 및 가공” 등 전 공정 기술개발에 필요한 모든 장비를 갖춘 유일한 기관으 로 바이오화학실용화센터가 울산에 위치하게 되어 현재 운영 중에 있다.
울산 바이오화학실용화센터에서는 국내 바이오
화학산업 육성에 필요한 다양한 핵심 기술을 개발하 고 이를 상용화하기 위하여 여러 기업들과 협력하고 있다. 상기 장비들을 국내 기업에 공개하여 함께 사 용하고 있으며, 그 누구든지 활용 가능하다. 특히 바 이오슈가 대량 생산을 위한 파일럿 장비, 500리터 발 효장비, 50리터 플라스틱 용융중합 반응기와 니더 반응기, 그리고 다양한 종류의 플라스틱 가공장비 등 총 17종에 달하는 파일럿 규모의 실용화 장비의 활용은 기업들이 상용화 기술을 개발하는데 큰 도움 이 될 수 있다. 현재 모든 장비들이 정상 가동 중에 있으며, 니더 반응기 같은 경우는 이미 국내 대기업 인 LG 화학에서 6개월간 사용하고 있으며, 좋은 연 구결과를 얻고 있다. 500리터 발효기의 경우는 국내 바이오기업에서 화장품 제조용 계면활성제 제조를 위하여 사용을 서두르고 있다. 뿐만 아니라 현재 국 내의 많은 화학회사들이 바이오플라스틱 및 바이오 정밀화학 제품 생산을 위하여 본 연구센터의 장비를
표 1. 바이오화학실용화센터에 구축된 장비 내역
활용코자 하고 있다.
6. 맺는 말
본 연구센터에서는 지난 십수년간 국내 바이오화 학산업 육성을 위한 기반 기술과 장비들을 구축하여 왔다. 이제 울산에 바이오화학실용화센터를 구축함 으로써, 국가적 미션인 “국내 바이오화학산업 경쟁 력 세계5위권 확보“를 위하여 보다 큰 역할을 감당할
수 있게 되었다. 현재 울산시와 정부의 적극적인 도 움으로 바이오화학실용화센터는 활발한 연구 활동 과 장비 운영을 진행하고 있으며, 국내 중소기업 및 대기업의 연구 활동 지원에 최선을 다하고 있다. 본 연구센터에서는 더욱 많은 국내 바이오화학 관련 기 관들이 바이오화학실용화센터의 장비와 기술을 활 용하고 인력을 양성하여 국내 바이오화학산업을 성 장 발전시키기를 기대하고 있다.
