또한, 화석연료의 소비증가에 따라 대기로 배출되는 이산화탄소의 양도 꾸준히 늘고 있다. 산업 활동에 의한 온실가스의 증가는 지구에서 방사되는 열을 다시 흡수함으로써 지구 온도를 높이고 21세기 말, 극지의 온도는 현재보다 7~8도 정도 상승할 것으로 예측되고 있다. 대안으로 바이오연료에 대한 관심이 높아지고 있다. 바이오연료는 화석연료에 비해 상대적으로 매우 적은 양의 온실가스를 배출하며, 바이오연료의 원료인 식물은 햇빛과 대기 중 이산화탄소를 이용하여 광합성을 하고, 산소를 생산해내므로 탄소 중립인 풍력, 조력, 지열, 태양열, 태양광 등의 다른 신재생에너지보다 유리한 장점이 많다.

현재 가장 많이 생산되고 있는 바이오연료는 바이오에탄올과 바이오디젤이다. 바이오에탄올은 효모나 박테리아를 발효해 생산하고, 바이오디젤은 식물이나 조류(algae)가 생산하는 기름을 화학적·생물학적 변환 과정을 거쳐 생산한다.

▲장용근 KAIST 생명화학공학과 교수 ⓒ2012 HelloDD.com

장용근 교수는 “바이오매스의 특징은 화석 에너지가 대기 중으로 방출하는 이산화탄소를 섭취하면서 대신 바이오디젤, 바이오에탄올과 같은 친환경 에너지를 만들어내기 때문에 일석이조의 효과를 기대할 수 있다.” 면서, “바이오매스의 핵심이 되는 공종기술, 균주분리 등의 생명공학 기술은 우리나라도 상당 부분 앞서나가고 있는 만큼 잠재력을 높이 평가받고 있다.”고 설명했다. 하지만 아직까지는 극복해야할 장벽이 많다. 장 교수는 “바이오 에너지의 경우 다른 대체 에너지원들과 마찬가지로 낮은 효율, 높은 제조원가를 극복하지 못해 시장 확대에 어려움을 겪고 있다.”고 토로했다.

◆ 해조류로부터 바이오에탄올 생산

현재 상용화되어 있는 바이오에탄올의 원료는 사탕수수, 사탕무, 옥수수, 감자 등이라 식량을 에너지로 사용한다는 데 따른 도덕적 문제, 원료수급 문제를 야기하며, 이로 인해 식량자원의 가격 상승까지 동반되는 문제가 있다. 또한 농약 및 비료 사용에 따른 토양 부식과 물 부족 문제도 제기되고 있는 실정이다. 장용근 교수는 “사람이 식량으로 먹을 수 있는 농작물을 에너지원으로 쓰는 것은, 아직도 상당수의 인류가 식량난으로 허덕이고 있는 시점에서 비판을 받고 있을 뿐더러 앞으로 급속히 증가하게 될 바이오에탄올의 수요를 충족시키지 못하기 때문에 근본적인 한계를 지니고 있다.”고 말했다. 장 교수는 “따라서 기존 농작물의 가식부분을 원료로 이용할 것이 아니라 인류가 식량으로 이용하지 못할뿐더러 안정적인 바이오에너지 원료원이 될 수 있는 목질계 및 해양 바이오매스 자원을 활용한 바이오에탄올 생산연구가 현재 많이 진행되고 있다.”고 덧붙였다. 지상에서의 한계를 바다에서 극복하고자 하는 노력이 바이오에너지 개발에서 이루어지고 있다.

이 중 해조류는 다른 바이오매스에 비해 생장성이 우수하고 풍부하며 가용재배면적이 넓고 비료 및 농약 사용을 하지 않는다. 게다가 전처리 및 당화공정이 간단하고 총에너지 전환수율이 높으며 대기 중의 이산화탄소를 저감할 수 있는 부가적인 효과도 기대할 수 있다. 목질계 바이오매스는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌의 복합체이다. 이러한 목질계 바이오매스는 전처리 및 당화 과정을 통해 다양한 당으로 분해된다. 즉, 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스가 당화공정을 통해 분해되면, 글루코오스, 크실로오스, 마노스, 갈락토오스, 아라비노오스 등의 다양한 당들이 생성된다. 그러나 이러한 바이오매스 당화액에 포함된 다양한 당들을 기질로써 이용하여 바이오에탄올을 생산하는 기질 유연형 미생물에 대한 연구는 아직 미흡한 실정이다.

▲장용근 KAIST 생명화학공학과팀의 실험기기와 각종 장비 모습.  ⓒ2012 HelloDD.com

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해조류는 다른 바이오매스에 비해 연간 4~6회 수확이 가능할 정도로 생장성이 빠르며, 식물작물들과의 경쟁 및 재배 경지의 잠식이 불필요하다는 장점도 가지고 있다. 장 교수는 “드넓은 바다를 이용하므로 가용재배면적이 넓고 생산비용도 거의 들지 않기 때문에 다른 바이오매스에 비해 훨씬 경쟁적이다. 또한 해조류는 연간 이산화탄소 흡수량이 ha당 36.7톤으로써 목질계에 비해 5~7배가 더 높을 정도로 이산화탄소 흡수능이 뛰어나다.”고 설명한다.

해조류는 크게 대형조류와 미세조류로 나누어지며, 대형조류에는 홍조류, 갈조류, 녹조류가 있으며, 미세조류에는 클로렐라, 스피루리나 등이 있다. 이 중에서 대형조류인 홍조류, 갈조류, 녹조류는 당화공정을 통해 다양한 당으로 분해된다. 해조류도 목질계와 마찬가지로 다양한 다당류로 구성되어 있어서, 이를 기질로 이용 가능한 미생물 균주의 개발이 필요한 실정이다. 이러한 해조류는 전처리 및 당화공정을 통해 당으로 분해 될 때, 목질계 바이오매스와 마찬가지로 독성물질이 생성된다. 예를 들어 홍조류 갈락탄을 산 촉매로 당화시킬시 퓨란계열 물질인 5-HMF와 유기산인 레불린산이 생성된다. 장용근 교수팀은 바이오매스로부터 바이오에탄올을 생산하기 위해서는 바이오매스 당화액에 존재하는 다양한 당들을 기질로써 이용할 수 있으면서, 여기에 포함된 여러 독성물질에 대해 강한 내성을 지닌 효모를 자연계로부터 스크리닝하거나 재조합 효모를 개발하는 연구를 진행 중이다. “나노막 분리를 이용해 독성물질을 제거한 다음, 여액으로 이스트를 이용해 바이오에탄올을 만드는 실험을 합니다. 유전공학적으로 독성물질에도 내성을 가지는 그런 강건한 효모를 만드는 게 연구의 주 흐름입니다.” 장 교수팀의 연구 목표는 갈락탄을 효소적으로 분해하는 공정개발에 있다. 효소분해 시 발견되는 무수갈락토오스는 홍조류 내 구성성분의 30%를 차지하는 비발효성 당류로서, 생체에 에너지원으로 이용되지 않는 특성을 갖고 있다. 해조류를 화학적으로 처리하면 셀룰로오스까지 분해되어 포도당, 갈락토오스 등과 독성물질이 늘 함께 나오는 게 문제였던 것이다.

2009년 기초연구를 시작했고 덴마크에서도 유전공학적인 방법으로 형질을 변환시킨 형질전환 효모를 개발했지만 장용근 교수팀의 연구내용이 더 월등했다. 진짜 독성물질에도 내성이 있고 포도당과 갈락토오스 중 어떤 걸 선택하게 될지가 중요한 포인트였지만, 결과는 성공적이었다. 효소 시스템을 완전히 개발했으며 2010년 초에 특허출원했다. 홍조류에 들어있는 갈락탄을 완전히 분해할 수 있는 두개의 시스템을 구축했다. 향후 균주를 가지고 유전광학적으로 성능을 개량하면 다시 신규특허를 받을 수 있을 것으로 예상한다. 장용근 교수는 다양한 분야에서 바이오매스에 관한 연구가 폭넓게 진행되길 기대하며, 공정연구 투자에 관한 강한 바람도 함께 내비쳤다. “바이오매스뿐만 아니라 모든 기술들은 다 저마다의 장단점이 있습니다. 서로 상호보완적인 연구를 진행하다 보면 그 중 하나가 솔루션으로 제시될 수도 있습니다. 지금은 혼돈과 혼란의 시대입니다 바이오매스 연구는 가급적 다양하고 폭넓게 모든 사람들의 이야기를 귀담아 들을 필요가 있습니다.” “또한 실험적 산업적 생산을 위한 공정 연구개발의 기틀이 마련되어야 합니다. 최근 프로세스 엔지니어 기근 현상으로 문제가 많습니다. 정부의 공정연구 지원이 절실히 요구되는 실정입니다.

▲랩원들과 함께. 최근 각 기업들의 프로세스 엔지니어의 필요성 절감으로 인기가 더욱 높아진 장용근 교수팀. ⓒ2012 HelloDD.com