현재 인류가 당면한 가장 큰 문제는 석유와 같은 화석연료의 사용에 따른 환경파괴와 기후변화를 들 수 있다. 이런 문제를 해결하기 위하여 석유 대신에 재생 가능한 바이오매스 자원을 원료로 사용하여 연료와 화학제품을 생산하는 연구가 본격적으로 진행되고 있다(Ragauskas A. J. et al., 2006).

석유를 기반으로 하는 석유정제기술 대신 바이오매스를 기반으로 하는 바이오리파이너리(biorefinery) 기술이 빠른 속도로 발전하고 있는 것이다. 많은 연구개발을 진행한 결과 옥수수와 사탕수수를 원료로 하는 1세대 바이오매스 연료는 미국과 브라질 등에서 이미 상업화되어 사용 중이다.

그러나 1세대 바이오매스 원료는 식량으로 사용할 수 있는 자원을 에너지 생산에 사용한다는 점 때문에 많은 비판을 받았다. 최근에는 식량으로 사용하지 않고 나무와 같은 셀룰로오스(cellulose)계 2세대 바이오매스 자원을 이용하여 바이오연료와 바이오화학 제품을 만드는 기술을 개발하고 있다. 그 발전 속도는 매우 빠른 편이다.

이탈리아 기업인 베타-리뉴어블스에서 2013년 10월 9일 최초로 상업적 운영을 시작하였으며(Biofuelsjournal, 2013), 미국에서 듀퐁이 2014년 3분기 생산을 목적으로 생산 공장을 짓고 있다.

석유대체 자원으로 사용하는 바이오매스는 연료에 그치지 않고 바이오플라스틱 등 바이오화학 제품을 생산하는 데까지 확대되고 있다. 화학공업의 중요한 부분을 차지하는 플라스틱은 재생 가능한 원료를 사용하지 않아 심각한 환경문제를 일으킨다.

이 때문에 플라스틱 원료를 바이오 기반 원료로 대체하는 방법이 가장 먼저 추진되었다. 일례로 코카콜라에서는 음료용 플라스틱에 쓰이는 페트(PET)병의 원료를 바이오에탄올에서 얻은 에틸렌글리콜로 만들어 사용하면서 약 30% 정도를 바이오원료로 대체했다. 2020년까지 100% 바이오원료로 대체하겠다고 코카콜라는 발표했다(Bioplastic-innovation, 2012).

페트병은 두 개의 화학원료 물질인 에틸렌글리콜과 테레프탈산을 중합시켜 생산하는데 현재 석유원료로 만들어 사용하는 것을 앞으로는 바이오매스 원료로 만든 것만 이용해 생산하겠다는 것이다. 이외에도 바이오숙신산 등 많은 종류의 바이오화학 제품들이 본격적으로 상업화되고 있으며 2020년에는 바이오화학산업의 시장규모가 120억 달러에 이를 것으로 전망되고 있다(Ravenscroft, 2013).

▲ 바이오리파이너리의 개념도(자료: Ragauskas, A. J. et al., 2006).

■ 관련기술

바이오연료 생산을 위한 이온성 액체 활용 기술 ET 기술 소개

최근 화석연료를 대체하고 이산화탄소의 배출을 줄이기 위한 노력으로 바이오매스(biomass)로부터 바이오연료(biofuel)를 생산하는 신재생에너지 개발이 활발히 연구되고 있다. 이중 농·임업 부산물인 목질계 바이오매스(lignocellulosic biomass)를 활용하여 바이오알코올을 생산하는 공정에 세계적인 관심이 집중되고 있다.

목질계 바이오매스를 바이오알코올로 전환하기 위해서는 효과적인 당화(saccharification) 과정이 매우 중요하다. 이 때문에 이온성 액체(ionic liquid)3)를 활용한 목질계 바이오매스의 전처리 및 당화과정에 대한 연구가 2009년 이후 매우 활발히 이루어지고 있다. 이온성 액체는 비휘발성, 열적 안정성, 다양한 물질에 대한 높은 용해력, 맞춤형 합성 가능성 등의 특성 덕분에 기존의 독성 유기용매를 대체할 수 있는 친환경 용매로 각광받고 있다. 특히 이온성 액체를 활용한 목질계 바이오매스의 당화 과정은 높은 수율로 셀룰로오스를 포도당으로 분해할 수 있는 환경친화성 공정이라는 장점을 가지고 있다.

한편 지질을 포함하는 바이오매스로부터 바이오디젤을 생산하고자 하는 연구도 최근 많은 관심을 받고 있다. 이를 위해 이온성 액체를 이용해 바이오매스로부터 지질을 효과적으로 추출하는 공정에 대한 연구가 진행되고 있다.

급속한 산업화와 도시화는 농업·축산·임업 폐기물, 생활 쓰레기, 음식물 쓰레기 등의 다양한 폐기물을 발생시킴으로써 환경오염 문제를 유발하고 있다. 과거에는 폐기물을 매립 또는 소각해 처리했으나, 최근에는 폐기물을 유용 자원으로 전환하고자 하는 연구가 많이 이루어지고 있다. 농·임업 폐기물인 목질계 바이오매스는 약 40~50%의 셀룰로오스, 25~35%의 헤미셀룰로오스, 18~35%의 리그닌을 포함하고 있어 미생물 발효에 필요한 당을 얻고 바이오알코올을 생산할 수 있는 중요한 자원이다.

목질계 바이오매스를 효과적으로 당으로 전환하기 위해서는 리그닌을 제거하는 과정이 필요한데, 이온성 액체는 리그닌을 선택적으로 제거할 수 있다. 또한 이온성 액체는 리그닌을 제거함과 동시에 셀룰로오스의 결정성을 낮춤으로써 목질계 바이오매스로부터 당을 생산할 수 있는 수율을 크게 증대시킬 수 있다. 특히 이온성 액체를 이용한 목질계 바이오매스의 전처리 및 당화 과정은 기존의 물리·화학적 공정과 비교해 환경오염 물질의 배출과 에너지 사용이 현저히 낮아 친환경 공정의 구축이 가능하다.

▲ 음식물 쓰레기의 유용 자원화 공정의 개략도.

한편 축산 폐기물, 음식물 쓰레기와 같은 유기성 폐기물들은 고품질의 지질을 포함하고 있어 바이오디젤의 생산에 이용할 수 있다. 이온성 액체를 이용하면 유기성 폐기물 내의 지질을 선택적으로 추출하는 것이 가능하며, 이렇게 추출된 지질은 바이오디젤, 고분자 소재, 계면활성제 등의 생산에 이용할 수 있다. 지질이 제거된 잔유물은 생분해성 종이, 다기능 흡착제 등의 환경친화성 소재를 개발하는 데 활용할 수 있다.

▲ 음식물 쓰레기 내의 지질 추출 및 잔유물의 활용 방안.

■ 관련기술

◇ 셀롤로오스 분해효소

◯ 기술의 정의
바이오연료의 효율적 생산을 위한 셀룰로오스 분해효소의 설계에 관련된 유전자조작기술

◯기술실현의 장애요인

. 형질전환된 식물체에서 유전자 침묵현상이 광범위하게 일어나기 때문에 유전자 침묵현상의 규명과 형질전환된 식물체의 안정성 확보가 관건이다.

. 효소를 생산하기 위한 비용이 비싸기 때문에 효소의 생산단가를 대폭 낮출 수 있어야 한다.

◯ 기술의 예상 실용화 시기

9~10년 후 쯤 갤런당 0.3달러로 효소를 생산하게 되면 상용화가 가능할 전망이다.

◯ 기술개발동향

△ 한국

한국과학기술원은 합성생물학(synthetic biology) 및 클릭화학반응(click chemistry) 기반 고
성능 당화효소 및 바이오에너지 전환효소 개발을 위한 연구과제 수행 중이다.

. 농업진흥청 바이오에너지작물센터는 셀룰로오스 분해효소를 생산하는 유전자를 탐색, 셀
룰라아제 효소를 분리·정제하는 연구 수행 중이다.

△일본

. 신에너지산업기술종합개발기구(NEDO)는 셀룰로오스계 바이오매스에서 바이오연료를 제
조할 수 있는 실용화기술 개발 중이다.

▲ 리그셀룰로오스로부터의 에탄올 생산.