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2024 December Vol.37 No.4ISSN 1598-8384

자유기고

기후변화 대응 비발효성 당 활용 바이오리파이너리 산업 제고

경북대학교 식품공학부
김동현 교수





글로벌 기후변화의 문제점

오늘날 우리가 일상생활에서 사용하고 있는 거의 모든 화학물질 및 연료는 석유화학 기반으로 생산되며, 이들을 생산할 때 필수적으로 이산화탄소가 다량 배출이 된다. 이산화탄소는 대표적인 온실가스로서 무분별하고 지속적인 석유자원의 사용은 지구온난화와 같은 글로벌 기후변화를 야기시킨다. 현행대로 지구온난화가 지속된다면 2030-2052년 사이 지구의 온도 상승폭이 1.5oC를 초과하고, 2100년에는 3oC를 넘을 것으로 예측하고 있다. 이로 인해 극지방의 빙하가 녹으면서 해수면이 상승하게 되고 해양생물의 서식지에도 큰 변화가 생기면서 생태계의 균형이 파괴될 수 있다. 또한, 질병을 매개하는 모기나 다른 곤충들의 서식지가 넓어지고 이로 인해 말라리아, 뎅기열, 지카 바이러스 등 기후와 밀접한 관련이 있는 질병의 범위가 넓어지고, 폭염이 심해져 온열 질환 및 열사병을 유발하여 취약계층인 노인, 어린이 및 만성 질환이 있는 사람들의 건강에 큰 위협을 가할 수 있다. 뿐만 아니라, 다양한 기후변화로 인해 농작물 수확량이 감소하고 이로 인해 식량가격이 상승하는 등 식량안보에 위기를 초래할 수 있다.





글로벌 기후변화 대응 방안

이에 각국에서 국가차원의 정책적 대응 방안을 모색하고 있다. 신기후체제하에서 국제적으로 온실가스 감축 논의를 가속화하고 있으며, 세계기후정상회의(’21.4)계기로 미ᆞ영ᆞ일 들이 2050 탄소중립 목표에 맞춰 대폭 상향된 2030 NDC(Nationally Determined Contribution)를 발표하였다. 우리나라의 경우 CO2 배출량이 전 세계 7위로 높은 수준에 머물고 있어 국가차원의 노력이 절실하여, 2050 탄소중립을 선언하고 관계부처 합동 ‘2050 국가 탄소중립 시나리오’ 및 ‘2030 NDC 상향안’을 확정 발표하였다. 이와 발맞춰 산학연은 2050 탄소중립 실현을 위한 바이오매스 기반 바이오리파이너리 산업구조로 전환을 추구하고 있다.





바이오리파이너리의 중요성

따라서, 기존의 석유 기반 에너지/화학 산업에서 지속적으로 발생되는 이산화탄소 양을 줄이기 위해서 재생가능한 바이오매스를 활용한 바이오리파이너리 기반 에너지/화학 산업으로의 전환이 필요하다. 이는 석유자원을 대체하여 바이오매스를 원료로 하면 바이오연료 및 바이오 기반 화학물질을 생산할 때 생성되는 이산화탄소를 다시 흡수하여 탄소중립을 구현할 수 있다(그림 1).



[그림 1] 재생가능한 바이오매스 활용 바이오리파이너리 모식도


기존 당 기반 바이오매스 활용 바이오리파이너리 문제점

오늘날 대부분의 바이오리파이너리 연구 및 산업은 리그노셀룰로스를 바이오매스로 이용하여 그것을 이루고 있는 구성 폴리머인 셀룰로스와 헤미셀룰로스를 분해하여 발효가능한 당들을 얻고, 이 당들을 이용하여 발효 및 생물전환을 통해서 바이오연료 및 바이오 기반 화학물질을 생산한다. 그러나, 리그노셀룰로스는 리그닌이 20-30% 존재하고 이것이 리그노셀룰로스 겉을 둘러싸고 있어 단단한 구조를 형성하고 있다. 또한, 셀룰로스는 굉장히 결정성이 높은 형태로 존재한다. 일반적으로 폴리머로부터 발효가능한 당들을 얻기 위해서는 효소를 사용하여 가수분해를 통해 당화를 시키기 되는데, 리그닌의 존재 및 결정성 높은 셀룰로스와 같은 리그노셀룰로스의 구조로 인해 효소들이 기질인 셀룰로스와 헤미셀룰로스에 접근하는 것을 막거나 결정성이 높아 분해 효율이 매우 낮은 단점이 있다. 따라서, 이를 해결하기 위해서, 리그노셀룰로스의 구조를 느슨하게 하기위해서 물리적, 화학적 및 생물학적 전처리 공정이 수반된다. 일반적으로는 물리적 및 화학적 전처리 공정을 수행하게 되고, 그 후 당을 얻기 위해 효소를 이용하여 당화공정을 수행한다. 그러나, 이 때 사용되는 당화 효소의 가격이 매우 비싸고 그 비용은 전체 공정의 상당 부분을 차지한다. 뿐만 아니라, 리그노셀룰로스에 존재하는 리그닌은 방향족 화합물로 구성되어 있어 당화 효소와 비가역적 결합을 통해 당화 효소의 효율을 크게 저해시키는 문제점을 나타낸다. 또한, 리그노셀룰로스로부터 주로 얻을 수 있는 당들은 글루코스, 자일로스, 갈락토스, 아라비노스, 만노스로 구성되어 이는 복합당으로써 이 당들을 효율적으로 대사하여 발효하기 위한 균주개발이 필요하지만 그렇게 쉽지 많은 않은 실정이다.
또한, 기존에는 리그노셀룰로스로부터 바이오에탄올을 생산하기 위한 노력을 오래전부터 해왔지만 국제정세 영향 및 원유가격의 하락으로 바이오에탄올을 생산하는 것은 경제성이 부족하다고 판단이 되었으며, 이 때문에, 바이오리파이너리는 바이오에탄올, 바이오디젤과 같은 혼용 바이오연료 생산을 넘어 고부가가치 화학물질 등을 생산하는 바이오리파이너리를 추구하고 있다. 따라서, 바이오연료 및 고부가 정밀/특수화학 소재로 다양하게 전환이 가능한 플랫폼 화학물질 생산 시스템을 구축하는 것이 중요하다.





다목적 플랫폼 화학물질인 레불린산 생산 및 활용 바이오리파이너리 개발 필요성

레불린산 시장은 2017년 1억 2,799만 달러에서 2025년에는 3억 3099만 달러에 이르고, 2017-2025년간 3.26%의 연평균 성장률을 나타내고 있다. 레불린산은 대표적인 셀룰로스 유도체로서 미국 에너지부(Department of Energy)에서 제시한 12종의 핵심 빌딩블럭 화합물 중 하나로 그 활용도가 매우 높다(Werpy & Peterwen, 2004). 레불린산은 C5의 카복실산으로 케톤기와 카복실기가 둘다 존재하여 다중의 기능기를 가지고 있어 일반적인 촉매 반응을 통해 연료, 식품첨가물, 레진, 폴리머, 살충제, 의약품, 동결방지제, 플라스틱 소재, 공업용 용매 등 다양한 분야에 걸체 유용한 형태의 화학물질로 전환이 가능한 범용성 플랫폼 화합물이다(그림 2).





[그림 2] 레불린산 유래 화학물질(Darryn et al., 2010)


일반적으로 바이오매스로부터 바이오에탄올을 생산하는 과정에서 발효가능한 당들을 생산하기 위해 수행하는 효소당화공정에서 사용하는 효소의 비용이 전체 시스템에서 70%이상 많은 부분을 차지하고 있다. 따라서, 이 효소당화공정을 줄이는 것만으로도 바이오리파이너리 공정비용을 매우 줄일 수 있다. 이에 일반적인 레불린산을 생산하는 경로는 다음과 같이 효소반응을 거치지 않고 화학적 처리를 통해 바이오매스로부터 바로 레불린산을 생산할 수 있다(그림 3). 예를 들어, 대표적인 당인 글루코스와 같은 육탄당은 탈수반응을 통해 5-하이드록시메틸푸르푸랄(5-hydroxymethylfurfural, HMF)을 거쳐 다시 수화반을을 토해 레불린산과 포름산이 생성된다. 또한, 자일로스와 같은 오탄당은 탈수반응을 통해 푸르푸랄(furfural)을 거쳐, 수소첨가반응을 통해 푸르푸랄 알코올이 되고, 재수화반을 거쳐 최종적으로 레불린산이 생성된다. 이 반응들은 효소에 의한 가수분해반응이 필요없는 공정이다. 따라서, 기존의 바이오매스로부터 발효가능한 당을 통해 생물전환을 통한 바이오리파이너리 산업보다 비발효성당인 레불린산을 경유한 다양한 고부가가치 산물들을 생산하는 바이오리파이너리 산업으로의 제고가 필요하다(Kim et al., 2024).





[그림 3] 리그노셀룰로스로부터 레불린산 생성 경로(Li et al., 2019)




참고문헌

Werpy, T., Petersen, G. 2004. Top value added chemicals from biomass: volume I--results of screening for potential candidates from sugars and synthesis gas. National Renewable Energy Lab., Golden, CO (US)
Rackemann, D. W., & Doherty, W. O. 2011. The conversion of lignocellulosics to levulinic acid. Biofuels, Bioproducts and Biorefining5(2), 198-214
LI, X. et al. 2019. Production of 5-hydroxymethylfurfural and levulinic acid from lignocellulosic biomass and catalytic upgradation. Industrial Crops and Products, 130: 184-197
Kim, D. H. et al. 2024. Biotechnological valorization of levulinic acid as a non-sugar feedstock: New paradigm in biorefineries. Bioresource Technology, 131178