세계 최고 수준의 미생물 유래 PHA 생산성 달성
눈앞의 현실이 된 기후 위기에 대응하기 위해 세계 주요국들은 탄소 배출을 줄이는 것에서 더 나아가 배출된 탄소를 자원화하고 유용한 물질로 전환하는 기술에 주목하고 있다. 이산화탄소의 실질적 저감이 가능하고, 포집한 이산화탄소를 잠재적 시장 가치가 있는 원료로 사용할 수 있기 때문이다.
그중에서도 이산화탄소에서 바로 바이오플라스틱을 만들어 내는 기술에 대한 관심이 뜨겁다. 바이오플라스틱은 생분해성으로 자연친화적이다. 따라서 전통적인 석유 기반 플라스틱으로 인한 환경 오염 문제를 해결할 수 있고, 지구온난화의 원인인 이산화탄소를 줄이는 데 기여할 수 있다. 바이오플라스틱을 만들기 위해 이산화탄소를 포집해 이를 고부가가치 물질로 재활용하는 CCU(Carbon Capture and Utilization) 기술을 적용할 수 있지만 생분해성인 경우가 적고 복잡한 화학반응 단계를 거쳐야 한다는 한계가 있었다.
이에 전기화학팀 이동기 박사는 미생물화학팀 고자경 박사와의 융합연구를 통해 전기화학 시스템과 미생물 배양 시스템을 결합하는 새로운 접근방식으로 돌파구를 찾았다. 연구팀은 공기 중 이산화탄소에서 친환경 바이오플라스틱인 ‘폴리하이드록시알카노에이트(PHA, Polyhydroxyalkanoate)’를 효율적으로 생성할 수 있는 생물-전기 융합기술을 개발하는 데 목표를 두고 연구에 돌입했다. PHA는 미생물에 의해 합성되는 천연 고분자로 토양뿐 아니라 해양 환경에서도 생분해되며 식품 포장재, 의료용품 등에 사용된다.
생분해성 바이오플라스틱 합성을 위한 미생물 대사를 진행하려면 이산화탄소와 영양분 외에 전자의 공급원으로 수소가 필요하다. 문제는 현재 대부분의 수소는 천연가스로부터 추출되는데, 그 과정에서 다량의 이산화탄소가 방출된다는 점이었다. 즉, 미생물 대사에 소모되는 이산화탄소보다 수소 사용으로 간접 발생하는 이산화탄소의 양이 더 많아지게 된다는 것이다.
“저희는 이러한 문제를 해결하고자 미생물 발효용액의 수분을 전기화학적으로 분해해 수소를 생산하는 방식(수전해)을 적용하고자 했습니다. 수전해 반응은 매우 쉽고 간단합니다. 하지만 이를 미생물 발효시스템에 접목하는 것은 상당한 난이도를 요구했습니다. 미생물 발효용액은 산소와 미네랄 성분이 다량 함유된 중성 조건으로 생물 생존에는 유리하지만, 수전해 반응을 진행하기에는 최악의 조건이었죠. 무엇보다 수전해 반응 중에 전극에서 강한 독성의 금속이온이 녹아 나오고, 용존산소가 활성산소로 전환되어 미생물의 성장을 저해하는 문제가 있었습니다.”
연구팀은 문제의 해답을 ‘구리’에서 찾았다. 구리이온은 생독성이 매우 낮을 뿐만 아니라 전기화학 반응환경에서 쉽게 금속으로 돌아갈 수 있는 특성을 가진다는 점에 착안해 수소발생전극 표면에 부분적으로 구리를 코팅했다. 코팅된 구리가 미생물 배양액에 녹았다가 다시 전극으로 증착되는 순환과정에서 활성산소를 빠르게 분해하는 ‘독성물질 자가 해독’ 특성을 발견했고, 해당 메커니즘을 규명하는 데 성공했다.
이러한 개선을 통해 기존 촉매를 활용할 때보다 수소 생산성 및 활성산소 제거 속도는 높아졌고, 활성산소 생산량은 감소했다. 그 결과 미생물 유래 PHA 생산성은 기존 300mg/L에서 크게 높아져 세계 최고 수준인 487mg/L을 달성했다.
연구팀이 개발한 기술은 플라스틱 폐기물 문제를 해결할 수 있으며 이산화탄소를 플라스틱으로 전환하기 위한 추가적인 에너지 투입이 적어 차세대 이산화탄소 전환 기술로 평가받고 있다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘Advanced Science’에 게재되었으며, ‘Hot Topic: Carbon Dioxide’에 소개되었다.
“이번 연구 성과는 전기에너지를 이용해 이산화탄소를 복잡한 고분자 물질로 바로 변환할 수 있음을 보여주는 좋은 사례라고 할 수 있습니다. 대기 중 이산화탄소의 직접적인 감축이 가능한 만큼 탄소중립을 위한 핵심 기술로 활용이 기대됩니다.”
연구팀은 이산화탄소로부터 생성되는 PHA의 대량생산을 위해 생물-전기 반응조 대용량화 및 반응 조건 최적화 연구를 수행할 예정이다. 추후 산업 현장에 실제 적용된다면, 미생물 유래 PHA가 비닐, 플라스틱 용기 등 다양한 시장에서 탄소중립을 동시에 실현할 수 있는 차세대 친환경 플라스틱이 될 것으로 기대된다.
태양광 과산화수소 생산기술로 ‘KIST인 대상’ 수상
2010년대 이후로 전기화학 기술이 화합물 합성반응에 사용될 수 있다는 연구사례가 보고되기 시작했고, 다양한 분야에서 전기화학 실험법을 접목하려는 시도가 이어졌다.
이 박사가 소속된 KIST에서도 열촉매화학, 미생물화학, 환경화학, 유기합성 분야 연구실들이 전기화학 기술과의 융합연구에 관심을 가지기 시작했다. 자연스레 전기화학 반응을 주로 다뤄온 이 박사 연구팀에게 제안이 이어졌고, 다양한 계기를 통해 융합연구가 진행되었다. 앞서 소개한 미생물 유래 친환경 바이오플라스틱 생산기술 개발 역시 이러한 차원에서 이루어진 융합 원천기술이라고 할 수 있다. 또 하나, 지난 2022년 태양광으로 높은 농도의 과산화수소를 생산하는 친환경 기술을 개발한 성과 또한 융합연구의 결실을 보여주는 대표적인 사례다.
과산화수소는 산업 100대 화학물질 중 하나로 반도체 생산공정에 사용되는 핵심 약품이자 소독, 산화, 펄프 제조 등에 폭넓게 사용되는 중요한 원료이다. 기존 과산화수소를 만드는 방법은 열화학적 공정(안트라퀴논 공정)으로, 높은 온도와 압력에서 값비싼 희귀금속인 팔라듐을 촉매로 사용한다. 이 공정은 에너지 소모가 클 뿐만 아니라 폭발의 위험성과 온실가스 배출 등 다양한 환경 오염을 발생시키는 문제가 있다. 에너지 소모가 낮고 탄소 배출이 적은 방식으로 과산화수소를 생산하기 위한 노력이 이루어지고 있지만, 생산성과 효율이 턱없이 낮아 상용화 문턱을 넘기 어렵다. 따라서 기존 열화학적 공정의 문제를 해결할 수 있는 친환경 기술 개발이 필요하다.
“광촉매 기술은 빛과 산소만을 이용해 산업 핵심 원료인 과산화수소를 만들 수 있다는 점에서 친환경 이점이 큰 기술입니다. 그러나 생산 효율이 턱없이 낮아 상용화 가능성이 낮은 기술로 지적되어 왔죠. 광촉매 재료를 고도화해 생산 효율을 높이려는 시도들이 있었지만, 산업 기준인 최소 10,000ppm(1%) 수준의 고농도/고순도의 과산화수소를 생산하는 광촉매소재가 아직 발굴되지는 못했습니다.”
기존 열화학적 공정의 경우 안트라퀴논 분자에 산소가 주입됨에 따라 산화, 환원반응이 자동적으로 일어나며 과산화수소가 생산된다. 연구팀은 이 점에 착안해 광촉매 반응용액을 기존의 수용액 기반에서 알코올과 알데하이드 성분이 함유된 유기환경으로 새롭게 설계했다. 그 결과 유기반응용액 자체가 빛에 반응해 광화학적인 자동산화반응으로 과산화수소를 생산하고, 광촉매의 산소 환원 능력을 크게 촉진한다는 사실을 밝혀냈다.
“유기광촉매 반응시스템의 도입을 통해 과산화수소 생산 성능을 세계 최고 수준으로 발전시킬 수 있었지만, 성능 향상 원인을 정확히 파악해 내지 못했습니다. 일반적인 광촉매반응은 항상 산화, 환원반응이 동시에 진행되고 광원이 있어야만 화학반응이 활성화되기 때문에 반응성의 개별적인 분석이 매우 힘들었습니다. 저희는 광촉매를 전극화하고 광촉매 실험조건과 유사한 환경의 유기광전기화학 시스템을 구현해 전기화학적 분석기술로 각각의 반응성을 개별적으로 평가해 낼 수 있었습니다. 이를 통해 알코올이 과산화수소 생성의 반응점으로 작용하고, 알코올에서 추출된 양성자가 과산화수소 합성반응에 직접적으로 사용될 수 있다는 것을 세계 최초로 규명할 수 있었습니다.”
연구팀은 이러한 성능 향상을 통해 모사 태양광 환경에서 단위 시간 및 광촉매 그램당 53,000ppm 농도(즉 5.3%)의 과산화수소를 생산하는 성과를 달성했다. 기존 광촉매 기술이 보이는 수십~수백ppm 수준의 과산화수소 생산성 대비 획기적인 성능 개선을 이룬 것으로, 과산화수소 생산 산업 기준인 최소 10,000ppm, 즉 1%를 5배 이상 초과 달성하는 성과이다. 에너지 효율 측면에서도 태양광-화학변환효율(solar-to-chemical conversion efficiency) 1.1%를 달성함으로써 기존 광촉매 최고 효율인 0.61%를 깨고 세계 최고 효율을 경신했다.
“이 연구는 태양광을 이용한 저탄소 친환경 기술로도 산업 핵심 연료를 높은 농도와 순도로 만들 수 있음을 보여주었다는 점에서 의미가 큽니다. 원천기술을 기반으로 대용량 공정 설계, 최적화, 실증화를 포함하는 대형연구로 확장해 나간다면 기술 사업화까지 이어질 수 있을 것으로 생각됩니다.”
해당 연구는 KIST 젊은 과학자들 간의 융합연구를 통해 달성된 원천기술로, 변지혜 박사와 함께 공동연구를 수행했다. 이 박사와 변 박사는 올해 2월 7일 열린 개원 58주년 기념식에서 연구의 공로를 인정받아 가장 우수한 연구자에게 주어지는 ‘KIST인 대상’을 수상했다. 연구 결과는 국제학술지인 ‘Energy & Environmental Science’ 표지 논문으로 게재되었다.
탄소중립 앞당기는 ‘전기화학적 바이오매스 전환’ 연구
전 세계적으로 석유 사용이 점차 제한되고 신재생에너지 보급이 확대되는 추세다. 이는 곧 전기에너지와 석유 대체물질로 산업 전반에 사용되는 화합물을 생산해야 하는 시기가 다가오고 있음을 의미한다. 여기에 시대적 화두인 탄소중립이 더해지면서 신재생에너지인 ‘바이오매스’를 향한 관심은 더욱 뜨거워지고 있다. 이 박사는 식물로부터 플라스틱 원료나 항공유를 합성하는 전기화학 반응 연구, 즉 ‘전기화학적 바이오매스 전환’에 연구 역량을 집중하고 있다.
“식물은 대기 중의 이산화탄소를 흡수해 여러 개의 탄소로 구성된 복잡한 화합물로 변환하는 능력을 지니고 있습니다. 이러한 식물 성분을 적절한 화학반응을 통해 산업 전구체 물질로 전환시킬 수 있다면 석유 의존도를 크게 낮출 수 있죠. 또한, 해당 화학반응을 상온 전기에너지로 구현해 낸다면 공정이 단순화되고 전기를 열에너지로 변환하는 과정에서 발생하는 에너지 손실을 최소화할 수 있습니다.”
이 박사가 주력하고 있는 바이오매스 전환반응은 크게 세 가지로 나뉜다. 가장 먼저, 을 꼽을 수 있다. FDCA(2,5-furandicarboxylic acid)는 PET(polyethylene terephthalate) 플라스틱 대체제로 주목받고 있는 PEF(polyethylene furanoate) 바이오플라스틱의 원료이다. 플라스틱 규제에 적극적인 유럽에서는 PEF 플라스틱을 사용하려는 시도가 10년 전부터 있었지만, 경제성과 탄소저감 성능을 동시에 만족하는 FDCA 생산공정이 개발되지 못해 상업화가 지연되어 왔다. 이러한 문제의 주요 원인은 FDCA의 원료물질인 HMF(5-hydroxymethyl furfural)의 가격이 비싸고, 미반응 중간체들을 정제하는 과정에 필수적이기 때문이다. 연구팀은 상온 전기화학 반응으로 촉매전극의 반응성 제어를 통해 미정제 HMF 원료부터 고순도 FDCA를 합성하는 방법을 개발했다. 향후 대량생산으로 이어질 수 있도록 다중스택 반응기 개발을 진행 중이다.
다음으로, <글루코스 → 아디프산 변환> 연구를 수행하고 있다. 현재의 페놀로 아디프산을 만드는 생산공정에서는 반응 부산물로 N2O(아산화질소)가 필수적으로 발생하고, 이로 인한 온실가스 배출량은 연간 2억 톤 수준에 달한다. 글루코스는 아디프산과 유사한 분자구조를 가지고 있어 선택적 산화, 환원반응을 통해 아디프산으로 전환될 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 연구팀은 글루코스의 양 끝단의 카르복실레이션을 통해 글루카릭 산을 합성하고, 뒤이어 체인의-OH 그룹을 환원시키는 2단계 반응을 통해 아디프산으로 변환하는 연구를 수행하고 있다.
세 번째 주력 연구는 <리그닌 → 항공유 변환>이다. 최근 바이오매스를 비행기 연료로 전환해 사용하려는 수요가 늘어나고 있고, 머지않아 유럽에서는 친환경 연료를 포함하지 않는 비행기는 비행을 금지하는 법이 발효될 전망이다. 연구팀은 바이오매스로부터 얻어지는 지용성 성분인 리그닌을 전기화학적으로 환원시켜 항공유로 전환하는 연구를 진행 중이다. 전기화학적으로 강력한 환원 분위기를 조성해 리그닌 단량체를 cycloalkane 화합물로 변환시키는 데 성공했고, 앞으로 이량체, 올리고머까지 적용범위를 확장해 나갈 계획이다.
자연과 인간이 공존할 수 있는 해법 찾기 위해 정진
이 박사는 6년 전 KIST에 입사하면서 석사과정 2명과 함께 연구실을 꾸려 나가기 시작했다. 어느덧 첫해에 입학한 석사생이 올해 박사 디펜스를 앞두고 있고, 그 사이 연구실을 거쳐 간 포스닥은 4명에 이른다. 각각 KIST 연구원, 대학교 교수, 기업체 연구원으로 진출해 과학계와 산업계에서 제 몫을 다하는 인재로 자리매김했다. 현재는 포스닥 2명, 박사과정 4명, 석사과정 1명으로 총 7명과 함께하고 있다.
“큰 범위에서는 전기화학적 화합물 합성반응을 전문으로 연구하는 8명의 박사님과 팀을 이루고 있습니다. 저희는 스스로를 ‘e-chemical 연구팀’이라고 명명하고 전기화학 기술로 실생활과 산업 전반에 사용되는 필수 화합물을 만들겠다는 큰 목표를 향해 달려가는 중입니다. 총 60명 규모로 전기화학을 전문적으로 연구하는 집단 중에서는 국내 최대규모라고 할 수 있습니다. 전극 제조부터 대량생산 반응기 제작, 공정설계, 경제성 및 환경영향성 평가에 이르기까지 반응기술 개발의 전 범위를 아우릅니다.”
이 박사는 연구를 하면서 늘 곁에 배울 수 있는 사람이 있었다며, 여러 롤모델과 동료 연구자들의 도움으로 현재에 이를 수 있었다는 감사의 마음을 전했다. 연구자들과 함께 발전하며 의미 있는 연구를 만들어 온 경험들은 그가 계속해서 협업과 소통을 이어가는 이유가 되고 있다.
또한, 한 명의 연구자이자 연구팀을 이끌어 가는 리더로서, 스스로 한계를 긋지 말 것을 강조한다. 많이 안 해봤다는 이유로, 접해보지 않았던 분야라는 이유만으로 쉽게 포기하거나 장벽을 세워서는 안 된다는 설명이다. 그는 학생들 중 간혹 자신만의 울타리 안에 스스로를 가두는 경우가 있다며, 목표를 향해 한 단계씩 실천하며 나아간다면 언젠가는 반드시 기회가 찾아올 것이라 덧붙였다.
탄소중립이 시대적 화두로 떠오른 지금 이 박사는 사람들이 밟지 않은 길을 찾아 답을 구하고 있다. 무엇보다 그냥 버려질 수 있는 탄소중립 에너지원을 자원화, 에너지화하는 연구는 자연과 인간이 공존할 수 있는 최후의 보루인 만큼 더욱 큰 기대가 걸린다. 새로운 길을 개척하며 자신만의 궤적을 그려가는 그의 연구가 탄소중립 시대를 여는 열쇠가 되길 기대한다.
취재기자 / 안유정(reporter1@s21.co.kr)
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