지속 가능한 Bioeconomy를 위한 정책개선 방안
□ (개 요) OECD 과학기술정책국(SIT)는 Bioeconomy 정책 보고서('18. 4월)를 발간하여 바이오 산업(Bioeconomy)의 주요 개념과 특징, 지속 가능한 Bioeconomy 실현을 위한 정책방향을 제시
o (Bioeconomy) 바이오 생산 및 처리를 위한 투자·개발과 관련된 일련의 활동으로, 과거 바이오기술 중심에서 농·수산업, 페기물(waste)처리 산업 등의 경제 활동으로 확장된 개념
o (Biomass) 연료나 바이오 기반 생산물을 만드는데 활용되는 생물적 기초 재료(biological raw material)로, 지속 가능한 Bioeconomy 활성화를 위해서는 Biomass의 안정적인 확보가 중요한 과제
- Bioeconomy를 위한 Biomass이용과 이로 인한 식량자원 고갈간의 충돌 조정, Biomass의 잠재력(Potential)과 지속 가능성(Sustainability)확보를 위한 Biomaass 수출국(후진국)과 수입국(선진국)간 상호 협력이 요구
o (Biorefinery) 시장성 있는 제품(식품, 사료, 소재, 화학 물질) 및 에너지 (연료, 전력, 열)생산을 위한 바이오매스의 처리 장치
- 기후 변화, 에너지 안보, 자원 고갈 등 글로벌 도전과제 해결책으로 biorefinery가 선호되고 있으며, 활성화를 위한 자금·정책지원이 필요 o (국가 전략) 지속 가능한 Bioeconomy실현을 위한 국가 전략 수립을 강조 - (Feedstocks·technology push) feedstocks 접근성 강화, R&D, 규제 완화,
flagship에 대한 재정 지원 등
- (Market pull) 공공 조달, bio 생산물에 대한 세제 지원, fossil fuel 보조금 중단, 탄소세 부과 강화 등
- (cross-cutting) 표준·기준 제정, 인증제도, 지역 cluster 활성화, 교육 및 기술 전수, 지식자본(knowledge-based capital)확충 등
※ 출처: OCED, Meeting Policy Challenges for a Sustainable Bioeconomy [2018. 4.]
Ⅰ. 개 요
□ OECD 과학기술정책국(SIT)는 Bioeconomy정책 보고서('18. 4월)를 발간하여 바이오 산업(Bioeconomy)의 주요 개념과 특징, 지속 가능한 Bioeconomy 실현을 위한 정책방향을 제시
II. 바이오매스(Biomass)의 지속가능성(Sustainability) 1. Biomass 이용증대와 식량고갈과 충돌 조율
o OECD 국가는 토지 부족과 높은 인구밀도로 인해 바이오매스의 주된 수입국으로 개발도상국에게 바이오매스 재배·수확을 장려하고 있으며, 이는 향후 세계 식량 안보에 잠재적인 위협이 될 수 있음
< Figure 2.1. 2011년 주요 세계 바이오매스 항로 >
출처: Redrawn from BP-EBI (2014), Biomass in the Energy Industry, An Introduction.
o 하지만, Bioeconomy를 활용하여 농업 관행 바꾸고, 현대 생명공학의 적용을 변경하면 에너지 및 식량 안보 측면에서 사회 전반에 큰 이익 제공 가능 o 지속 가능한 Bioeconomy실현을 위해서는 선·후진국간 biomass 생산·
소비 균형, 식량 및 산업적 이용 간의 균형을 고려할 필요
- OECD 선진국이 자국의 산업 안전을 달성하기 위한 바이오매스의 일방적 수입은 수출국의 식량과 에너지 안보를 위협할 수 있음
o 생물경제학을 통하여 얻을 수 있는 것은 많으나 지속 가능성을 달성하지 못할 경우 포용적인 경제 성장을 위한 큰 기회를 상실할 가능성이 있음
2. 바이오매스의 잠재성과 지속가능성의 측정
o 생물기반 바이오매스 남용으로 지속성 측면에서 위험성이 증대되고 있어, 바이오매스의 잠재성(Potential)과 지속 가능성(Sustainability)측정 방법이 중요하지만 이에 대한 국제적인 기준은 아직 미흡한 상태
o 바이오매스의 잠재성(Potential)은 특정 지역, 국가 또는 세계적인 수준에서 사회적 및 생태학적인 피해를 일으키지 않는 범위 내에서 얼마나 많은 바이오매스를 생산할 수 있는지를 의미
- 측정은 보통 농업, 임산업 및 폐기물 유래 바이오매스 등 육상유래 바이오매스를 대상으로 주로 수행되지만, 해양유래바이오매스를 포함시킬 경우 바이오매스 총량은 증대할 수 있음
o 바이오매스의 지속가능성(Sustainability) 측정 방법으로 Life cycle analysis
(LCA) 등이 있으나 국제적으로 공인을 받지 못한 상태3. 생명공학기술과 바이오매스 지속 가능성
o 생명공학기술은 유전자조작 여부와 관계없이 이미 식품 생산의 지속 가능성에 큰 영향을 미치고 있으며, 인구 증가 및 화석연료에 대한 의존도 감소에 따라 그 중요성은 지속적으로 증대할 것으로 전망 됨 - 유전자 조작 또는 합성 생물학 기술은 강력하지만 필수적 요소가
아니므로, 생명공학기술의 활용은 다양한 응용 분야에서 부정적인 시각이 존재하는 유전자 변형 문제를 피해갈 수 있음
o 개발도상국의 소득 증가는 곧 육류 및 우유 등에 수요를 증대시키고,
※ 1970년대부터 1990년대 중반의 개발도상국 육류 소비량 증가는 같은 기간 선진국에서의 증가량의 약 3배, 우유 소비량 증가 또한 약 2배
- 생물자원 경제에 대한 긴장을 야기하므로, 이를 해소하기 위한 효율적 식품 생산 증가 방법이 필요
예시) 우량 유전자를 보유한 개체의 육종을 통한 소고기 생산 증대, 작물(오일팜) 유전체학 활용 등
o 식량 생산에 있어서 생명공학혁명은 이미 시작되었고, 거의 모든 동물과 작물의 생산은 유전체학의 혜택을 누릴 수 있음.
- 유전체학 기반 기술은 유전자 조작 없이 더 효율적으로 번식 속도를 향상 시키는 등 대중의 유전자 조작에 대한 거부감 없이 접근할 수 있는 방법
III. 바이오리파이너리(Biorefinery) 모델과 정책 1. 바이오 리파이너리
o 국제 에너지기구(IEA)는 바이오 리파이너리를 "시장성있는 제품(식품, 사료, 소재, 화학 물질) 및 에너지(연료, 전력, 열)를 위한 바이오 매스의 지속 가능한 처리"라고 기술
<일반적인 바이오리파이너리 >
o 바이오리파이너리 시스템은 플랫폼, 제품(에너지 및 바이오 기반 물질 및 화학 물질), 원료 및 전환 공정의 4가지로 구성
o 바이오리파이너리의 원료는 다양한 유기 물질로 주로 에너지용 작물 (예, 전분 작물, 생장주기 빠른 나무)이 사용되며, 바이오매스 폐기물 (예: 짚, 나무 껍질, 폐 식용유, 바이오매스 처리 폐수), 폐산업가스(예, 철강 공정의 일산화탄소 및 수소), 도시 고형 폐기물 (MSW)도 가능
<연료 바이오리파이너리의 전환 공정>
o 전환공정은 크게 생화학적(발효, 효소 전환), 열화학적(가스화, 열분해), 화학적(산 가수 분해, 증기 폭발, 에스테르 화), 기계적(분별, 압축, 크기 축소)의 4가지 방법으로 가능
o 바이오에너지 제품으로는 액체 연료 (예, 에탄올, 바이오 디젤, 바이오 기반 제트 연료)가 일반적이며 바이오 가스도 가능. 배출되는 우드 칩, 알약 및 리그닌은 고체 연료로 사용가능함.
o 여러 유형의 바이오 리파이너리 : 사탕수수, 폐기물, 조류, 폐가스 및 합성 가스, 목재, 폐수, 음식물 쓰레기 바이오리파이너리 등이 존재
2. 바이오리파이너리 파이낸싱
o 바이오리파이너리는 투자 위험성이 높지만, 정책 입안자들은 기후 변화, 에너지 안보 및 자원 고갈 등의 문제 해결책으로 바이오리파이너리 선호 o 바이오 리파이너리 건설 자금 조달은 프로젝트 실행에 큰 영향을 미치며
주식, 은행 대출 등 전통적인 자금 조달 방법이외에 다양한 여러 자금 조달 방법이 존재
- 대출보증 및 부채, 녹색 채권, 녹색 투자 은행, 뉴욕 그린 뱅크 이니셔티브, SPIRE 및 Horizon 2020, 바이오 리파이너리 경진대회
o 민간 부문의 최우선 관심사는 정책의 안정성과 불확실성이므로 정부는 불 확실성과 투자위험의 관계를 명확하게 제시할 필요
3. 생물폐기물 바이오리파이너리
o 초기 바이오리파이너리에서는 사탕수수와 같은 전분계 바이오매스를 이용하였으나 재배 및 식량가격 상승에 따른 문제를 유발하여, 현재는 유기 폐기물을 사용하기 위한 연구 진행 중
o 바이오리파이너리 확충을 위해서는 유연한 폐기물 관리 규정 정비가 필요하고, 농촌지역에 바이오리파이너리 시설을 건설하는 것은 농촌 재건의 장점이 있으나 도시폐기물 이동 문제와 같은 대중의 저항이 있을 수 있어 상당한 인센티브를 강구할 필요
<바이오리파이너리 설치 지역 보완>
- 시골 지역에 소규모 바이오리파이너리 시설을 건설하는 것은 농촌 재생, 에너지 고밀도화, 운송거리 단축, 친환경성, 관련 일자리 창출.
적은 물 요구량, 전기생산 가능 등의 경제적 장점 존재함
- 해안 지역에 바이오리파이너리 시설을 설치하는 것은 도시 고체 폐기물 운송 시간 단축과 적은 주민 민원(냄새, 차량이동 소음 등)의 장점이 존재. 풍부한 해수와 연안 석유 정제 시설 및 석유 화학 공장에서 배출되는 이산화탄소에 대한 접근은 해양 바이오 정제 시설의 위치 결정에 중요한 역할을 할 수 있음
IV. 소재의 바이오생산을 위한 화석연료 대체
1. 바이오기반 생산기술 발전현황
□ 산업바이오 주변 현황
o 화석연료(가솔린, 디젤)를 사용하지 않는 자동차만을 운영할 계획 발표 (스웨덴: 2030년까지, 프랑스와 영국: 2040년까지)
o 항공연료는 전체 CO2 배출량의 3%를 차지하며, 다른 수송연료에 비해 대체 연료가 부족하지만, 로스앤젤레스와 오슬로는 바이오연료를 공급하는 첫번째 공항이며, KLM과 United airline, Cathay pacific은 바이오연료를 사용하는 항공선을 취항함. Gevo사는 독일의 Deutsche Lufthansa AG사에 8백만 갤런 바이오연료 공급하기로 2016년에 발표 o 화학산업은 에너지 소비량이 가장 큰 산업이며(세계 에너지 10% 소비),
iron과 steel, 시멘트 산업 다음으로 CO2 배출량이 많음
o 플라스틱은 1950년과 2011년 사이에 CAGR가 8.6%, 연간 생산량은 300백만톤. 2050년에는 플라스틱 사용량이 현재보다 4배정도 증가할 것으로 예측. 플라스틱 제조를 위해서 연간 오일 생산량의 8%가 사용됨 (단량체제조: 4%, 플라스틱 합성: 3-4%)
o 자연상에 존재하지 않은 인위적인 화학소재들은 1990년 대사공학의 출현으로 생합성할 수 있는 기술 개발이 가능해짐
o 생물공학적 합성은 기존의 화학공학적 합성보다 환경 및 경제학적으로 장점이 있음
□ 산업바이오 발전 현황
o 2004년에 미국 DOE는 12개 기초 화학소재(platform chemical)들을 재생자원 당(sugar)로부터 생물학적 또는 화학적으로 생산할 수 있다고 발표함
o 현재 사용 중인 고분자들의 50% 이상을 바이오기반 Polyethylene (PE), Polyethylene terephthalate (PET), Polyhydroxyalkanoates (PHA), Polytrimethylene terephthalate (PTT), Polylacticacid (PLA), Starch polymers, Cellulosic films들로 대체될 것으로 예측
o 범용 방향족 화합물(commodity aromatic)은 다른 화학소재에 비해 생물학적으로 생산하기가 쉽지 않지만 리그닌(연간 300억톤이상 이용 가능, 연간 20억톤씩 증가)을 이용한 연구가 이루어지고 있음
o 바이오기반 화학소재들의 경제성이 점차 높아지고 있으며, 사업확장을 위한 새로운 형태 비즈니스 동맹이 이루어지고 있음
2. 바이오기반 소재 정책 활성화
o 지난 몇 년간 바이오연료에 대한 보조금과 같은 적극적이고 막대한 지원과는 다르게 바이오화합물 및 바이오소재에 대한 소극적인 지원 으로 고용창출 및 고부가가치 창출 기회를 잃고 있음.
- 대부분의 나라들은 온실가스 배출 저감의 정책 일환으로 바이오연료에 대한 다양한 지원 정책을 보유하고 있는데 반해, 바이오기반 소재에 대한 지원은 R&D 지원에 머무르고 있음
o 경제적인 바이오리파이너리의 개발을 위해서는 연료보다 수익성이 높은 바이오소재 개발에 필요하며, 정책적인 지원을 통해 수익성 모델 구축이 필요함
3. 바이오경제 핵심기술 대사공학과 합성생물학
o 산업바이오분야는 상업적인 양산을 위한 필요한 주요 핵심 기술들은 아래와 같음
- (바이오매스 전처리) 바이오매스를 미생물이 섭취 가능한 발효당으로 전환하기 위해 다량의 당화효소 필요. 이 당화효소는 원료 다음으로 비용이 높음
· 비용절감을 위해, 미생물에 당화효소를 삽입하여 바이오매스로부터 직접 바이오화학소재를 생산하는 통합 바이오공정(consolidated bioprocess) 개발 필요
· 바이오매스 전처리시에 배출되는 미생물 생장을 억제하는 특정 부 산물 제거나 이에 대한 내성 균주개발 필요
- (C1 원료 사용) 지구상에 풍부한 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 메탄(CH4), 메탄올(CH3OH)을 원료로 바이오화학소재 생산 필요
- (효소 전산설계) 효소의 산업적 활용성 증대와 합성대사경로 개발을 위해서 전산설계기반 효소개량 기술 개발 필요
- (미생물 게놈 최소화) 산업바이오에 화학공장으로 사용되는 미생물의 성능 향상을 위한 연구 필요
· 독립적 생존과 요구되는 화학반응이외의 불필요한 유전자와 에너지 소비 유전자들 제거한 ‘최소 게놈(minimal genome)’ 연구 필요 - (발효모델 소형화) 산업바이오에 다양한 변수들의 최적화를 위해 수행하는
발효공정실험을 단축시키기 위한 발효공정의 소형화필요
- (미생물 견고성) 대용량 사이즈 발효기와 고농도의 목적화학소재에서도 성장이 원활한 미생물 개발 필요
- (생산농도, 수율 및 생산성) 공정 경제성평가 지표인 생산농도, 수율 및 생산성 향상을 위한 공정 개선 필요
- (생산균주의 게놈 편집기술) 산업바이오에 사용되는 생산균주의 효율성을 극대화를 위한 게놈 기반 편집기술개발 필요
V. 지속 가능한 Boieconomy실현을 위한 국가 전략 수립
o Bioeconomy활성화를 위한 국가 전략의 수립과 지속 가능한 성장을 위한 다양한 정책지원 방법을 제시
- (Feedstocks·technology push) feedstocks 접근성 강화, R&D, 규제 완화, flagship에 대한 재정 지원 등
- (Market pull) 공공 조달, bio 생산물에 대한 세제 지원, fossil fuel 보조금 중단, 탄소세 부과 강화 등
- (cross-cutting) 표준·기준 제정, 인증제도, 지역 cluster 활성화, 교육 및 기술 전수, 지식자본(knowledge-based capital)확충 등
※ 작성자: 김경만 참사관 (원소속: 과학기술정보통신부),
