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탄소중립(carbon neutrality) 실현을 위한 생명공학 연구동향
탄소중립(carbon neutrality) 실현을 위한 생명공학 연구동향 저자 한형진 (가톨릭관동대학교 국제성모병원 피부과학교실)
등록일 2022.02.10
자료번호 BRIC VIEW 2022-T02
조회 4034  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
화석연료의 연소, 난방, 운송, 삼림 벌채 등 여러 요인에 의해 발생하는 환경의 파괴는 대기 중의 온실가스를 증가시켜 결국 지구 온난화라는 결과를 가져오게 되었다. 그중에서도 지구온도 급상승의 가장 큰 주범은 이산화탄소(CO2라 할 수 있다. 지구 온난화를 해결하기 위한 가장 획기적이고 유망한 기술 중 하나는 CO2를 유용한 부가가치 상품으로 변환시키는 것이다. 이와 관련하여 다량의 CO2를 포함하는 산업 배출물(industrial waste)로부터 새로운 제품을 창출할 수 있는 시스템의 개발에 대한 범세계적인 관심이 집중되고 있는데, 그중에서도 CO2를 변환시키는 바이오-프로세스(bio-processes)와 상품 가치가 높은 유기화합물 (organic compounds)을 생성하는 바이오 프로세스를 통합시키는 기술 플랫폼이 특히 주목받고 있다. 이러한 기술의 통합은 한 산업의 전 과정을 탄소 중립적으로(carbon-neutral) 탈바꿈할 수 있다. 본 동향리포트에서 저자는 생물학적 촉매의 역할을 수행하는 혐기성 균종(anaerobic biocatalyst), 가스 발효 및 효소 촉매를 사용한 생물학적인 CO2 완화의 연구 활동에 대한 통찰력을 강조한다. 이러한 기술의 관점 및 과제에 대해 설명하고자 한다.
키워드: carbon dioxde, carbon neutrality, MES, biocatalyst, CO2 mitigation, CO2 conversion
분야: Biotechnology

목 차

1. 서론
2. 본론
  2.1. CO2의 화학적 전환 및 연료화(Fuelization)
  2.2. CO2를 활용하는 박테리아
    2.2.1. 베타-프로테오박테리아(β-proteobacterium)
    2.2.2. 클로스트리디움(Clostridia)
  2.3. CO2 전환을 위한 미생물 세포 내 효소의 핵심 역할
    2.3.1. 캘빈 경로(Calvin cycle)
    2.3.2. 역 TCA (reverse Tricarboxylic Acid Cycle) 경로
    2.3.3. 역 아세틸-CoA 경로(reverse acetyl CoA pathway)
  2.4. CO2 전환에서 합성 생물학의 역할
  2.5. CO2 변환을 위한 유전공학적인 시도들
  2.6. 향후 전망
3. 결론
4. 참고문헌


1. 서론

전 세계 산업 인프라의 지속적인 팽창과 인구의 폭발적인 증가로 인해 발생하는 기하급수적인 양의 온실 가스(greenhouse gases)는 지구 온난화 위기(global warming crisis)를 재촉하는 주 요인이다 [1]. 이 중 특히 자연환경으로 배출되는 다량의 이산화탄소(carbon dioxide, CO2)는 지구 온난화의 주범으로 꼽힌다. 이러한 지구의 온난화 현상을 완화하기 위해서는 CO2 배출량의 경감(mitigation)과 CO2의 효과적인 포획(harvest)이 가장 중요하다고 할 수 있다 [2]. 바이오 연료와 같은 고부가 가치성 화합물 생성을 위한 CO2의 포획과 변환 관련 기술은 특히 큰 관심을 끌고 있는데, 서방 세계를 중심으로 한 수많은 국가에서는 여러 형태의 보조금과 인센티브를 지급하거나, CO2 경감을 위해 힘쓰는 기업체들을 우대하는 법률을 제정하는 등, 탄소 중립화 기술의 정착 및 발전을 장려하는 정책을 연일 쏟아내고 있다. 예로 유럽연합(European Union, EU)에는 재생 에너지 지침(renewable energy directive, RED)이라는 가이드라인을 제작하여 이를 실현 중이며 [3], 미국에서도 내년(2022년)까지 바이오 연료(biofuels)의 생산량을 현재 수준에서 40% 가까이 끌어올린다는 계획을 가지고 있다.

대기 내의 CO2를 효과적으로 감소시킬 수 있는 여러 가지 생물학적 재활용 프로세스(biological recycling processes)의 거대한 잠재력은 탄소 중립성(carbon neutrality)의 관점에서 특히 큰 의미를 가진다 [4]. 이러한 CO2 재활용 공정들은 지속적으로 사용 가능하고 친환경적인(eco-friendly) 프로세스이지만, 아직 그 효율성과 비용, 필요한 수요의 충족 등 몇 가지 미해결 문제를 안고 있다. 이러한 제한요소들이 개선된다면 진정한 탄소 중립적인 플랫폼으로 가는 분수령이 될 것이다. 이에 저자는 본 동향리포트를 통해 바이오 기반 제품 생성을 위해 구현할 수 있는 생물학적인 CO2 활용 방법을 소개하고, 여러 가지 CO2 변환 바이오 프로세스 및 관련된 미생물에 대해 독자분들에게 소개해 드리고자 한다.

2. 본론

2.1. CO2의 화학적 전환 및 연료화(Fuelization)

미생물 전기 합성(microbial electrical synthesis, MES), 미생물 전기 분해세포(microbial electrolytic cells, MEC), 미생물 연료 전지(microbial fuel cells, MFC) 등 생물 전기화학적 시스템(bio-electrochemical system, BES)이 폐기물을 에너지로 전환하는 접근법이 최근 재생에너지 분야에서 유망한 신 기술로 떠오르고 있다 [5-7]. 일반적으로 MFC는 유기체로부터 전기를 발생시키는 반면, MES는 음전극(anode)을 전자원(source of electrons)으로 사용하여 전기를 발생시킨다 [8, 9] (그림 1). MES는 CO2를 흡수하고 온실가스를 줄일 수 있기 때문에 MFC보다 더 큰 가치를 지니는 것으로 평가받고 있다. 또한 화석 연료(fossil fuel)와 같은 비 재생성 에너지원(non-renewable energy source)에 대한 의존도를 줄이기 위한 하나의 방편으로 수소, 알콜(alcohols), 지방산(fatty acids) 등을 합성하는, 이른바 화학적 에너지 스토리지(chemical storage of energy)에도 활용할 수 있다 [10].

MFC의 양 극에서 아세트산(acetate)과 같은 유기화합물(organic compound)을 생물 전기화학적으로 변환하는 과정을 거치면 CO2, 양성자(positrons), 전자(electrons, e-) 등이 생성된다. 이렇게 생성된 전자는 외부 회로를 통해 음극 쪽으로 이동하게 된다. 동시에 양성자는 양성자 교환막(positron exchange membrane, PEM)이나 양이온 교환막(cation exchange membrane, CEM)을 통해 음극 쪽으로 확산된다. 이렇게 이동한 양성자와 전자는 분자 산소(molecular oxygen, O2)를 전자 수용기(electron acceptor)로 사용하여 물 분자(H2O)를 형성하며, 양극(cathode)과 음극(anode) 사이의 전위(electric potential) 차이는 전압(voltage)을 만들어낸다 (그림 2). O2와 같은 외부 전자 수용기가 따로 존재하지 않을 경우 상기 언급한 MEC을 사용하여 확산된 양성자를 수소 분자(hydrogen, H2)로 변환시킬 수 있다. MFC나 MEC를 이용하여 CO2를 H2를 생성하는 기술은 미국 펜실베니아 주립대학교(Penn State) 소속의 Logan 등의 연구진에 의해 처음 보고되었다 [11]. MEC은 H2와 같은 부가가치성 물질을 생성하는 데에 있어 MFC보다 우수하다 [12]. 유사한 과정을 통해, 다른 종류의 미생물들도 전극에서 e-를 운반하여 CO2를 가치가 있는 다른 화학물질로 변환시킬 수 있다. 이는 유기물을 이용한 전기 생성의 촉매로 작용할 수 있는 혐기성 생물을 양극에 사용하거나 외부에서 전위를 가하여 전기분해를 일으킬 수 있다. 부가가치성 화합물은 캘빈 벤슨 경로(Calvin-Benson cycle) 같은 다양한 대사 경로를 통해 생산될 수 있다 [13].

MES는 H2, 아세트산(acetate), 옥시부티르산(oxybutyrate) 등, 상품성이 있는 대사 화합물을 생산할 수 있다 [14]. 이 화합물은 연료로 직접 사용될 수도 있고, 옥탄가가 높은(high octane) 탄소 연료(carbon fuel)나 플라스틱을 생산하는 데 이용될 수도 있다. 2015년에 진행된 한 연구에서는 활성 탄소 전극과 함께 농축된 단일 챔버 MES를 사용해 생산한 아세트산의 양이 4.1g/L라고 보고하였다 [15]. 이 연구진의 실시한 또 다른 연구에서는 음성 전위(negative electric potential)를 이용하여 중탄산염(bicarbonate, H2CO3)과 CO2로부터 아세트산을 형성하는 과정을 연구/분석하였다.


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그림 1. 미생물 연료 전지(microbial fuel cell, MFC)의 작동 원리


해당 연구에서 연구자들이 사용한 MES는 -0.8V의 전위를 통해 CO2를 기질로 사용하여 약 5.1 g/L라는 매우 높은 농도의 아세트산을 생산하였고, 중탄산염을 이용한 MES 시스템은 -0.6V의 전위에서 약 4.1g/L의 농도를 보였다 [16]. 2016년에는 Villanova 등이 CO2 연속 모드 (continuous mode) MES를 통해 0.98 mM/dL의 아세트산 농도를 기록하였다 [17]. 또한 2013년에는 Marshall 등이 사용한 MES 시스템을 통해 -0.79V의 전위에서 CO2로부터 17.25 mM/dL라는 놀라운 양의 아세트산 생산이 보고된 바 있다 [18]. 이러한 연구들을 진행한 연구자들이 공통적으로 지적했던 제한점은 생성된 아세트산이 메탄(methane, CH4)으로 변화하는 산화(oxidation) 현상이 발생하는 것이다. 다만 이는 BESA(2-Bromoethanesulfonic acid)를 첨가하거나 pH 완충 처리를 사용하여 어느 정도 해결이 가능하다. 또한 전압의 차이, 실험 환경 및 구성, 전극의 유형, 바이오 필름(bio-films), 사용된 생물학적 전기 촉매 유형 등의 변수가 생성되는 아세트산의 농도의 차이를 불러오는 것으로 보인다. MES를 통해 CO2로부터 아세트산을 생산하는 바이오 프로세스는 매우 유망한 탄소 변환 기술 중 하나이지만, 아직 생산 효율이 낮아 상용화되기까지는 아직 시간이 걸릴 것으로 보인다. 한편 MES를 이용하여 얻을 수 있는 또 다른 부가가치성 유기화합물로는 알코올(alcohol)이 있다 [19].

지난 몇 년간은 생물 전기화학적(bio-electrochemical) 기법을 이용한 CO2의 메탄 생성에 대한 연구 또한 대량으로 이루어진 시기였다. 이러한 연구들을 통해, CO2를 메탄으로 직접 전환시키는 가장 최적화된 전위(직접 전자 공여를 통한)는 -0.6V에서 -0.7V 수준인 것으로 나타났다. 2010년 진행했던 한 연구에서 Villano 등은 -1.0V의 전위를 통해 약 96%의 메탄 생성률을 달성했다고 보고한 바 있다 [20].

2.2. CO2를 활용하는 박테리아

2.2.1. 베타-프로테오박테리아(β-proteobacterium)
 


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그림 2. 미생물 전기 합성(microbial electrical synthesis, MES)의 기본 개념


프로테오박테리아(Proteobacteria)는 그람 음성균(gram-negative bacteria)으로, 주로 지용성 당지질(lipophilic glycoprotein)로 이루어진 외막(outer membrane)이 존재하는 것이 특징이다 [21]. 프로테오박테리아는 붉은색의 색소를 생산하며 배양 시에 보라색을 띠는 박테리아인데, 가장 잘 알려진 β-프로테오박테리아 균종으로는 Ralstonia eutropha (R. eutropha)를 들 수 있다 [22]. 이 균은 대표적인 광합성 박테리아(photosynthetic bacteria)로써, 여러 가지 다른 환경에서 생존/성장이 가능하며 전자원으로 작용할 만한 탄소원이 주변 환경에 없는 경우 캘빈-벤슨 경로를 통해 H2를 CO2를 고정하는 에너지원으로 활용한다 [23]. R. eutropha는 세포질(cytoplasm) 내에서 CO2를 “생물학적” 플라스틱인 PHA (poly-hydroxyalkanoates)로 변환시킬 수 있다. PHA는 일반적으로 PHB (poly 3-hydroxybutyrate)와 PHBV (poly 3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalrate)로 분류할 수 있는데 (그림 3), 일반적인 플라스틱에 비해 생분해성이 우수하여 이러한 바이오 플라스틱(bio-plastics)이 기존 플라스틱에 비해 중요한 대안으로 떠오르고 있다. Müller 등의 연구팀은 CO2와 H2를 각각 에너지 및 전자원으로 사용하여 R. eutropha로부터 50–180 mg/L 수준의 메틸 케톤(methyl ketones)을 생산하였다고 보고하였다 [24]. 또한 Li 등의 연구팀은 미생물학적인 전기화학 공정을 사용하여 이소부탄올(iso-butanol)과 3-methyl-1-butanol 생산법을 제시하였는데, 이들은 본인들의 시스템을 이용하여 각각 850 mg/L 및 570 mg/L의 이소부탄올과 3-methyl-1-butanol을 생산한 것으로 보고하였다 [25].

Idenolla 종(species)은 CO2를 이용하여 중합체(polymers)를 생성할 수 있는 또 다른 유형의 광합성 박테리아이다. Idenolla는 또한 CO2 뿐 아니라 일산화탄소(carbon monoxide, CO)를 에너지원으로 전자원을 사용하여 부가가치성 유기화합물을 생성할 수 있다 [26].

2.2.2. 클로스트리디움(Clostridia)
 


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그림 3. Ralstonia eutropha (R. eutropha) 균에 의한 3-hydroxybutyrate-co-hydroxtvalerate 합성 과정


대부분의 클로스트리디움 종은 그램 양성인(gram-positive) 혐기성 박테리아(anaerobic bacteria)이다. 많은 클로스트리디움 균들은 H2를 전자 공여자로 사용하여 CO2나 CO를 고정(fixation)하는 능력을 갖추고 있다 [27]. 클로스트리디움은 또한 포름산이나 메탄올(methanol)과 같은 단순한 유기 탄소 분자를 에너지원으로 변환하여 사용할 수 있다. 이들 균 종은 2개의 CO2의 분자를 이용하여 하나의 아세틸 보조효소 A (acetyl-CoA) 분자를 생성하는 Wood–Ljungdahl 경로(Wood–Ljungdahl pathway, WLP)를 작동시켜 이러한 유기화합물을 만들어낸다 [28].

2.3. CO2 전환을 위한 미생물 세포 내 효소의 핵심 역할

미생물 계(kingdom) 내에서 CO2를 이용하여 부가 가치를 지니는 유기화합물을 만들어내는 경로는 앞서 언급한 WLP, 켈빈 벤슨 바샴 경로(Calvin Benson Bassham pathway), 환원형 3-카르복실산 경로(역 TCA 경로), dicarboxylate 4-hydroxybutyrate 경로, 3-hydroxypropionate 양방 경로(bicycle), 3-hydroxypropionate 4-hydroxybutyrate 경로 등 6 가지로 정리될 수 있다. 이 경로는 모든 균 종에서 발견되는 것은 아니고 특정 유기체에서만 발견된다 (표 1).


표 1. CO2 변환에 관계된 주요한 대사 경로와 효소, 균종을 정리한 표
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2.3.1. 캘빈 경로(Calvin cycle)

캘빈 경로는 광합성 작용을 하는 미생물의 생존에 가장 중요한 역할을 하는 생화학 경로 중 하나로, 탄소 대사에 있어 CO2를 이용할 수 있게 하는 대사 회로이다. 그러므로 이 경로는 대기 내 존재하는 CO2의 농도를 감소시키는데 결정적인 역할을 할 수 있다. 캘빈 경로를 살펴보면 일반적으로 세 가지 핵심적인 효소(enzymes)와 CO2 처리 과정에 직결된 세 가지 단계가 눈에 들어오는데, 이 단계들은 CO2 고정, CO2 감소 및 CO2 재생이다. 첫 번째 고정 단계에서는 1-5, bisphosphate ribulose bis-phosphate carboxylase (RuBisCo)가 CO2와 1-5, bisphosphate ribulose의 반응을 촉진하며, 결과적으로 이 과정에 의해 3-phosphoglycerate를 생성한다. 이후 3-phosphoglycerate은 ATP로부터 무기 인산염(inorinor phosphate, Pi)을 받아 1,3-diphosphoglycerate으로 전환되며, phosphoglyceraldehyde dehydrogenase 효소의 도움을 받아 3-phosphate glyceraldehyde로 환원된다. 마지막 단계에서 phosphate glyceraldehyde는 ATP 의존적 응축(ATP-dependent condensation) 과정으로 phosphoribulokinase (PRK)에 의해 활성화됨에 따라 일련의 효소 반응을 통해 5-phosphate ribulose로 변환되어 1-5, bisphosphate ribulose를 합성하게 된다. 생성된 3-phosphate glyceraldehyde의 6분의 1은 당류, 지방산, 아미노산 등으로 변형된다.

2.3.2. 역 TCA (reverse Tricarboxylic Acid Cycle) 경로

역 TCA (reverse Tricarboxylic acid cycle, reverse TCA cycle) 경로는 환원 구연산 경로(reductive citric acid cycle 또는 reverse Krebs cycle)로도 알려져 있는데, 기본적으로 TCA 경로의 역행이라 볼 수 있다. 이 대사 경로에서 CO2와 물(H2O)은 탄소 화합물로 변환된다. 역 TCA 경로는 녹색의 황-환원형(sulfur-reducing) 혐기성 박테리아인 Chloorbium limicola에서 처음 확인되었고 [29] 유황(sulfur)을 에너지원으로 사용하는 다른 열성(thermophilic) 박테리아에서도 발견된다. 역 TCA 경로는 4단계의 카르복시화(carboxylation)를 포함하고 있다; 그 첫 단계는 succinyl Co-A가 CO2의 첨가로 카르복실화되는 것인데, 여기에는 α-ketoglutarate synthase/2-oxoglutarate synthase 효소가 관여한다. 다음으로는 CO2가 한번 더 더해지며 α-ketoglutarate/2-oxoglutarate가 isocitrate로 변환되는데, 이 반응은 isocitrate dehydrogenase 효소와 NADPH (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate)를 사용한다. 또한 ATP citrate lyase 효소에 의해 citrate(시트르산)으로 전환된다. 최종 생성물 또한 CO2을 통해 카르복시화되는데, 이 마지막 반응은 pyruvate synthase 효소가 매개한다. 최종적으로 합성된 pyruvate는 pyruvate kinase에 의해 활성화되어 phosphoenolpyruvate (PEP)를 만들어 내는데, 다시 한번 카르복시화가 이루어지며 H2CO3으로 전환된다. 그 결과, 옥살로아세트산이 생성되어 일련의 효소반응에 의해 최종적으로 succinyl-CoA로 변환된다.

2.3.3. 역 아세틸-CoA 경로(reverse acetyl CoA pathway)

역 아세틸-CoA 경로(reverse acetyl CoA pathway)는 대부분의 경우 아세트산 생성균인 Eubacteria와 메탄 생성균인 Euriarchaeota에서 발견된다 [30]. 이 경로는 Ljungdahl과 Wood가 2013년에 처음 제안하였는데, 캘빈 경로 및 환원 TCA 경로와는 달리 역 아세틸-CoA 경로는 비순환 경로(non-circuitous pathway)이다. 이 경로의 첫 단계에서는 NADH 의존성 효소인 formate dehydrogenase 효소(FateDH) 가 CO2를 포름산으로 변환시키게 된다. 이후 포름산은 tetrahydrofolate에 의해 포획되어 methyl-H4 folate을 형성하며 메틸 그룹으로 환원된다. 메틸 전달효소(methyltransferase)는 methyl-H4 folate의 메틸기(methyl group)를 헤테로다이머(hetero-dimer)로 이루어진 코리노이드(corrinoid) 철-황 단백질의 코발트 중심부(cobalt center)로 전달하여 메틸화된 코리노이드 단백질을 생성하게 된다. 또한 CO dehydrogenase (CODH) 효소는 acetyl CoA synthase 효소의 작용에 의해 CH3-CoIII로부터 메틸기를 수용하면서 CO2를 CO로 변환시킨다.

2.4. CO2 전환에서 합성 생물학의 역할

부가가치를 가지는 유기화합물의 생성에 미생물을 직접적으로 사용하는 것은 낮은 생산량, 높은 배양(culture) 비용, 낮은 균 성장률(growth rate)과 같은 몇 가지 속성에 의해 제한을 받게 된다. 이러한 관점에서 합성 생물학(synthetic biology)적인 테크닉은 기존의 대사 경로에 변화를 주거나 전혀 새로운 경로를 대상이 되는 미생물에 도입시킴으로써 탄소 중립화를 지향하는 현재 트렌드에 크게 기여하게 되었다. 최근의 신진대사(metabolism) 및 단백질 공학(protein engineering) 의 발전과 더불어, 합성 생물학은 기존의 바이오 프로세스를 한층 발전시키고 경제적인 가치 또한 향상시키는 훌륭한 도구가 될 수 있다. 그중에서도 흔히 대장균이라 불리는 Escherichia coli (E.coli)는 합성생물학 분야에서 가장 흔히 사용되는 미생물이다.

2.5. CO2 변환을 위한 유전공학적인 시도들

E.coli는 매우 큰 다양성을 보이는 그람 음성균으로, CO2를 탄소원(carbon source)으로 사용하는 것을 비교적 배양이 간단하다는 점, 비용이 높지 않다는 점, 다루기가 용이하다는 점 등의 장점으로 인해 탄소 중립화에 친화적인 유전공학 분야에서 중요한 위치 차지하고 있다. Zhuang 등은 2013년에 시행한 연구에서 여러 가지 발효(fermentation) 조건하에 대장균 내의 RuBisCo와 phosphoribulokinase(PRK) 효소의 발현이 어떻게 달라지는가를 알아본 결과 CO2 고정률이 15% 감소한다는 결론을 내리게 되었다 [31]. 대장균 내에서 carbonic anhydrase (CA) 효소의 발현이 매우 다양한 양상으로 이루어진다는 사실 또한 잘 알려져 있다. 대장균의 세포주변질(periplasm)에서 Methanobacterium thermoautriticalum의 CA의 발현을 알아본 연구에서는 CO2를 효과적으로 감소시킴과 동시에 세포 전체에 충분한 수분 공급을 할 수 있다는 사실이 확인되었다 [32]. 또한 Saccharomyces cerevisiae 등 몇몇 박테리아 종 역시 CO2를 부가가치성 유기화합물로 전환할 수 있다는 것이 확인되었으며, 대장균에 비해 생산성이 다소 낮다는 점이 한계로 지적되었다 [33].

2.6. 향후 전망

녹색 및 생물학적 에너지 및 화학적 변환의 개념은 학계와 산업적 측면, 특히 대기 가스 중 포함되어 있는 CO2를 유용하게 활용한다는 측면에서 오랜 기간 연구되고 정착되어 왔다. 이러한 바이오 프로세스는 최적화된 디자인 개념을 통해 환경 친화적인 제품의 개발을 선도할 수 있게 한다. 기존의 탄소 포획 기술은 막대한 인프라와 인력, 높은 에너지 요구량, 고가의 촉매 등을 필요로 하며 기질(substrate)로 쓰이는 추가적인 화합물 또한 필수적이다. 따라서 생물학적 프로세스를 적극적으로 검토하여 탄소 포획 플랫폼에 완벽히 조합되도록 개량·통합시키는 시스템을 개발할 수 있다면 이 분야에 획기적인 변화를 가져올 수도 있는 것이다. 최근에는 CO2를 탄소원으로 사용하는 유기화합물을 합성하는 바이오 프로세스의 중요성이 빠르게 증가하고 있다. 물론, 현실적이고 경제적 관점에서 본다면 현재 연구 중인 화학물질/연료 생산을 위한 모든 바이오 프로세스들이 상용화 가능할 수는 없을 것이다. 다만 탄소중립형 녹색에너지(green energy)의 개발 및 앞으로의 도전과제와 개선되어야 할 점 등을 고려할 때 바이오 프로세스를 적용한 CO2 활용이 매우 유망한 것은 확실하다. 기존의 폐수처리 기술과 생물학적 CO2 경감 프로세스를 통합하면 폐기물 정화에 들어가는 경제적 비용을 최소화할 수 있다. 동시에, 이러한 프로세스의 통합은 최소한의 탄소 배출량을 가지는 대체 에너지 혹은 연료를 생성하는 데에도 큰 도움이 된다. 그러나 저농축 폐유기물을 대체 연료나 유기 화합물로 전환하는 시스템은 필요한 화합물만 선택적으로 생성해 낼 수 있는(selective production) 부분에 있어 많은 개선이 필요하며 이는 향후 경제성 평가 및 통계 모델 등을 통한 검증이 필요하다. 이런 관점에서 MES 기술은 CO2를 연료나 화학물질로 효과적으로 전환할 수 있는 큰 잠재성을 가진 접근법이다. 더욱이 MES의 팽창은 곧 고부가 제품을 생산하는 MFC의 발전으로 이어진다. 뿐만 아니라 이 기술을 통해 화석연료의 대체 연료 또한 개발할 수 있다. 그러나 아직 낮은 생산성, 안정성, 생산 화합물의 선택성(selectivity) 등 해결이 필요한 문제들 또한 산적해 있다. MES 기술을 현 수준에서 더 끌어올리기 위해서는 반응에 필요한 기질, 전극을 구성하는 소재(electrode materials), 그리고 박테리아 세포 간의 상호작용 및 시너지 효과(synergism)에 대한 더 깊은 이해가 필요하다 [34]. 기존의 혐기성 발효 시스템은 1kg의 부탄올(butanol)을 생산하기 위해 3kg의 포도당을 요구하는데, 프로세스 자체는 매우 큰 스케일로 팽창하였음에도 불구, 아직은 최적화되지 않은 것으로 보인다. 그런 점에서 유기물(organic materials)이 풍부한 폐수를 이용한, MES를 통한 알코올 합성은 앞으로 큰 잠재력을 가진 기술 분야이다.

앞서 설명했던, CO2를 탄소원으로 사용하는 생물-전기화학적 반응 과정은 주로 H2를 공동 기질로 이용하는 반면, 해조류(algae)는 CO2를 오메가 지방산(Ω fatty acids), 단백질(proteins), 아미노산(amino acids) 등 고부가 가치성 대분자를 생성할 수 있고, 동시에 원치 않는 오염물을 감소시킬 수 있다 [35] (표 2). 마찬가지로 formate dehydrogenase와 같은 생물학적 촉매(catalyst)를 이용하는 효소 공학(enzyme engineering) 같은 분야의 기술도 필요한 에너지를 공급함과 동시에 CO2를 경감할 수 있다 [36]. 요소(urea)를 비롯해서, 선도적이라 할 수 있는 CO2 기반 고부가 가치성 화합물은 환형 탄산염(cyclic carbonate)과 살리실산(salicyclic acid) 등이 있는데, 이는 연간 총 약 10만 톤 정도 생산된다. 폴리프로필렌 탄산염(polypropylene carbonate)과 폴리카보네이트 에테롤(polycarbonate etherols)은 CO2를 구성 요소로 이용하는 산업분야에서 널리 생산되는 중합체이다 [37]. 미국의 Novomer 사와 독일의 Covestro(구 Bayer Material Science사)는 이 분야에서 가장 활동적이고 또한 대규모 사업체를 소유한 대표적인 회사들이라 할 수 있다 [38]. 또한 노르웨이의 DNV (Det Norske Veritas) 사는 전기화학적인 방법을 이용한 CO2 감소를 통해 하루 1 kg 정도의 포름산을 생성하는 공장을 시범적으로 운영 중이다 [39]. 마찬가지로 캐나다 브리티시 컬럼비아주 밴쿠버(Vancouver, British Columbia)의 Mantra Energy Alternative Ltd. 사는 전기를 이용하여 CO2를 감소시키면서 하루 100kg 정도의 포름산을 생성할 수 있는 공장을 건설하고 있다. 광물 탄산화(mineral carbonation) 또는 탄소 광물화(carbon mineralization)이라는 기술은 이미 산업폐기물 또는 오염된 토양의 처리, 그리고 시멘트(cement)와 같은 건축자재의 생성 등 다양한 용도로 중소기업의 공장에서 많이 사용되는 중이다 (그림 4). 아직 연구가 한창 진행되고 있는 몇 가지 다른 바이오 프로세스들 또한 존재하는데, 그중 한 가지는 O2로부터 다이메틸에테르(dimethyl ether, DME)를 직접 합성하는 것으로 그 잠재력이 상당하기 때문에 특히 주목받고 있다 [40]. 이 방법을 이용하면 0.125톤의 CO2가 소모되면서 1톤의 DME가 생성된다. 이 외에도 에틸렌(ethylene)과 CO2로부터 아크릴산 나트륨(sodium acrylate)을 직접 생산하는 방법이나 전기 촉매(electrocatalysis)를 이용하여 CO2를 에틸렌으로 변환시키는 생산 경로 등 많은 부분에 있어 연구가 진행되는 중이다 [41].


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그림 4. 광물 탄산화(mineral carbonation)의 3단계인 생성(generation), 저장(storage), 재활용(recycle)

 


표 2. 조류 기반 바이오연료 시스템(algae-based biofuel system)의 장단점
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이전의 연구에 따르면, 아세트산(acetic acid), 에탄올(ethanol), 숙신산(succinic acid), 카프로산(caproic acid)은 각각 1톤이 생산될 때마다 1.47, 1.91, 1.49, 2.28톤의 CO2를 소모하게 된다. 이들 화합물은 2026년까지 예상 시장가치가 각각 16.4달러(2019년 Acumen Research Consulting 보도 인용), 54.63달러(Coherent Market Insights, 2017), 0.237달러(Markets & Markets, 2019), 0.27달러(Market Study Report, 2019)에 이를 것으로 예상되고 있다. 게다가 아세트산은 에틸 아세테이트(ethyl acetate)와 같은 고부가 가치성 화합물을 생성하는 데에 사용될 수 있는 기본 원료로써, 2024년도에는 그 시장 가치가 950억 달러에 이를 것으로 예상되고 있다. 또한 에탄올과 휘발성 지방산(volatile fatty acids) 같은 화합물을 조합할 경우 탄소 체인 신장(carbon chain elongation) 반응에 사용할 수도 있다.

CO2 경감에 관련된 주요 해결 과제 중 일부는 이러한 CO2 전환 바이오프로세스를 실행시킬 수 있는 재생 에너지의 공급 여부이다. 이러한 점에서, 중동(Middle East), 남부 유럽(southern Europe), 북아프리카(North Africa) 등지에서 비교적 싼 가격에 획득할 수 있는 태양광에너지(low potential photovoltaic energy)를 활용하여 이 지역으로부터 세계 각국으로의 운송이 용이한 액체 CO2 연료를 생산하는 것도 하나의 방법이 될 수 있다.

3. 결론

본 동향리포트에서 저자는 부가가치 제품의 생성과 함께 CO2 고정화를 위한 생물학적 프로세스의 잠재적 적용에 대해 개략적으로 소개하였다. 상당히 의미 있는 진전을 이루었음에도 불구하고 CO2 경감에 최적화된 바이오 프로세스의 개발과 또한 이들 프로세스에 최적인 미생물 변종을 발견해야 한다는 과제는 아직은 미해결 상태로 남아 있다. 예를 들어 미생물에 의한 CO2 변환의 화합물 생산성은 기존의 CO2 경감 기술보다 3배 이상 높아야 하는데, 현재 기술로는 벅찬 목표이다. 해조류와 광합성 과정에 의한 CO2 전환의 신진대사는 기존의 화학적, 전기적 화학적 방법을 이용한 기술만큼이나 또는 그 이상으로 좋은 CO2 경감 전략이 될 수 있다. 나아가, 실제 현장 적용을 고려해 시장 분석과 상용화에 대해 더 많은 연구가 필요할 것이다. 고부가 가치성 화합물 합성을 위한 생체 전기화학적 CO2 전환법과 광생물학적 프로세스는 미래의 기술 개발과 상용화의 측면에서 위한 매우 경제적이고 또한 지속 가능한 접근방식으로 생각된다. CO2 변환(conversion) 프로세스를 CO2 생성(generation) 프로세스와 적절히 통합시킬 수 있는 방법이 개발된다면 글로벌 트렌드인 완전한 탄소 중립적 산업화로 갈 수 있는 결정적인 열쇠가 될 것이다.

4. 참고문헌

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한형진(2022). 탄소중립(carbon neutrality) 실현을 위한 생명공학 연구동향. BRIC View 2022-T02. Available from https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3984 (Feb 10, 2022)
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