담수와 해수에는 단세포 형태를 가진 지름 50μm(마이크로미터, 1μm는 100만 분의 1m) 이하의 생물집단이 있다. 육안으로는 볼 수 없고 현미경을 통해 보이는 이 초록색 생물은 물속을 자유로이 부유하며 자기 몸무게 2배 정도의 이산화탄소를 흡수해 광합성에 이용한다. 이 생물의 이름은 ‘미세조류’다.
미세조류는 2000년대 이후 온실가스 저감과 에너지 분야에서 가능성을 인정받아 활발한 연구가 진행되고 있다. 장용근 KAIST 생명화학공학과 교수가 이끄는 차세대바이오매스연구단도 미세조류 연구를 진행한 팀 중 하나다. 지난 2010년 8월 과학기술정보통신부 글로벌프론티어 사업 대상으로 지정되며 같은 해 10월 공식출범했다. 올해까지 총 880억원의 지원을 받았으며 오는 8월 연구단 사업의 종료를 앞두고 있다.
연구단은 그동안 미세조류 유래 바이오 연료 및 바이오 소재를 산업화하기 위한 원천기술들을 개발해 왔다. 미세조류 및 식물성 기름에서 바이오 항공유 생산을 최대한 이끌어 낼 수 있는 새로운 촉매 및 관련 공정, 기름 추출 후 남게 되는 미세조류 잔사물로부터 고순도 '푸코즈 (Fucose)’를 생산하는 기술, 미생물 발효를 통한 모유 올리고당 '퓨코실락토즈 (Fucosyllactose)' 대량 생산기술, 미세조류 오일을 원료로 하는 공정에서 발생하는 부산물인 글리세롤을 이용한 범용성 화학물질 생산기술 개발 등이 주요 성과로 꼽힌다.
지난 15일에는 푸코즈 대량 생산기술을 22억원을 받고 기업에 이전하는 성과를 내기도 했다. 장 단장은 “지구의 미래를 위한 미세조류 유래 바이오연료 및 바이오소재 기술 확보와 동시에 경제적으로 살아남을 수 있는 공정기술을 개발해 적극적인 기술 이전을 해왔다”며 “기술력이 확보돼도 경제성이 없으면 가치가 바랜다”고 말했다.
지구온난화 해결할 3세대 바이오매스 원료인 미세조류
식물성 바이오매스는 광합성을 통해 빛 에너지로부터 전환된 화학에너지를 축적한 식물자원이다. 바이오연료 및 화학소재의 원료로 사용할 수 있다. 화학에너지 축적과정에서 이산화탄소를 고정화하기 때문에 지구온난화와 석유자원 고갈과 같은 에너지 문제를 동시에 해결할 것으로 기대를 모은다. 하지만 1세대 바이오매스 원료로 제시된 옥수수나 사탕수수는 식량 문제와 결부되어 있거나 이산화탄소 총량을 오히려 증가시킨다는 평가를 받았다. 2세대 바이오매스 원료인 목질계 나무는 성장이 느리고 산림 황폐화의 문제가 존재한다.
대전 유성 KAIST 캠퍼스 내 위치한 차세대바이오매스연구단 사무실에서 만난 장 단장은 “3세대 바이오매스 원료인 미세조류는 식량 문제에 얽히거나 산림을 황폐화할 이유가 없고 계속 배양해내기만 하면 된다”며 “미세조류는 성장 속도가 육상식물의 수십 배에 달하며 지질 함량이 많게는 70%에 육박해 바이오 연료 생산에 적합하다”고 말했다.
그는 “미세조류는 종류가 다양해 수많은 고부가가치 물질을 만들어낼 잠재성이 있다”며 “석유에서 연료와 화학제품을 만들듯이 미세조류를 이용해 연료와 화학제품을 만들 수 있다”고 말했다.
국제에너지기구(IEA)는 지난 2011년 시장보고서를 통해 미세조류기반 바이오 연료 생산규모가 2010년 27만 갤런으로 향후 연평균 72%의 성장세를 유지할 것으로 내다봤다. 2020년에는 약1조5000억원 상당의 6100만 갤런이 생산될 것으로 전망했다.
고부가가치물질 생산을 통한 경제성 확보
하지만 미세조류에도 약점은 존재한다. 장 단장은 “미세조류는 고농도로 대량 생산하기가 쉽지 않을 뿐더러 복잡하고 비효율적인 개별 공정 및 생산 시스템을 가졌다”며 “그로 인해 제품 생산 단가가 높아 경제성이 없던 상태”라고 설명했다.
연구단은 경제성 문제를 해결하기 위해 부산물로부터 이윤을 얻어 전체 공정의 경제성을 맞추는 전략을 사용했다. 서진호 서울대 식품생명공학과 교수 연구팀은 지난 2016년 미세조류 부산물에서 모유에만 존재하는 퓨코실락토즈 생산기술을 개발했다. 퓨코실락토즈는 장내 유용한 미생물을 잘 자랄 수 있게 하며, 병원균에 의한 감염예방, 면역력 증강, 두뇌발달과 같은 생리적 특성을 갖는다.
연구팀은 미생물에게 푸코즈를 먹이로 줬다. 푸코즈를 먹은 미생물은 퓨코실락토즈를 만들어내고 이 물질을 자체 개발한 공정으로 추출해 분말 형태로 만들었다. 이 기술은 2016년 3억원의 금액으로 국내 한 생물벤처 기업에 기술 이전됐다.
지난 2013년에는 박성훈 울산과학기술원(UNIST) 화학공학과 교수 연구팀이 ‘3-하이드록시프로피온산(3-HP)’을 생산하는 미생물 균주 및 공정을 개발했다. 3-HP는 다양한 용도를 갖는 플랫폼의 화합물로 기저귀, 도료, 안료, 섬유와 같은 제품의 생산에 사용된다. 관련 제품들의 세계 시장 규모는 11조원에 달한다. 원료로 사용되는 글리세롤은 미세조류로부터 생산이 가능하며, 특히 바이오 연료 생산과 함께 부산물로 대량 발생하는 저렴한 원료 물질이다. 2017년 2억원의 기술이전료를 받는 성과를 올렸다.
장 단장은 “미세조류는 종류에 따라 다양한 지질 성분을 가지고 있다”며 “가장 큰 성과는 부산물로부터 이윤을 얻어서 전체 공정의 경제성을 맞춘 것”이라고 강조했다. 또 “바이오연료 생산에 있어 미세조류는 1세대에 비해 20~30%, 2세대 원료에 비해 2배가량 저렴하다”며 “미세조류 기반 바이오 항공유 생산가는 갤런당 4달러(약4700원)로 예상하고 있다”고 밝혔다.
연구단 기술 수준, 세계 최고 대비 97% 정도
연구단은 3-HP와 퓨코실락토즈 외에도 바이오 연료 및 바이오 소재 자체에 대한 다양한 연구성과를 제시했다. 장 단장은 “지난 9년간 게재한 논문 수는 848편이며 특허출원은 국내외 469건, 특허등록은 국내외 188건, 기술이전 건수는 20건에 이른다”며 “현재까지 달성한 연구단의 기술 수준은 세계 최고 대비 97%로 바이오매스에서 가장 앞서는 나라인 미국과 대등한 수준”이라고 말했다.
실제로 연구단은 광생물 반응기를 이용한 미세조류 연속 대량생산 기술을 개발해 기존 광생물 반응기에 비해 배양 효율을 1.5배 늘렸다. 에너지 사용량도 60% 절감하는데 성공했다. 또 미세조류의 거동을 표현하는 수학적 모델을 개발해, 미세조류 성장 및 내부 물질의 축척 예측을 가능토록했다. 이를 통해 연구자는 배양 공정을 최적화하기 위한 정보를 얻을 수 있다.
최첨단 유전자 교정기술인 크리스퍼를 미세조류에도 적용할 수 있음을 보였으며 유전공학을 이용해 미세조류의 생장과 지질합성을 극대화하는 기술 개발 및 미세조류 기름에서 바이오 항공유 생산을 최대한 할 수 있는 새로운 수첨분해 촉매 개발 등 다양한 연구성과를 냈다.
“정부지원 끝나도 연구단 자립 방안을 마련할 기회 필요”
장 단장은 “미국은 2025년까지 미세조류 기반 바이오 항공유 생산가를 갤런당 3달러(약3500원)으로 낮추는 것을 목표로 하고 있다”며 “일본은 정부 차원에서 2020년 도쿄올림픽에 바이오 항공유를 이용한 항공기를 띄우는 것을 목표로 미세조류 바이오매스 사업을 지원하고 있다”며 차세대바이오매스 시장이 더욱 격화되고 있음을 시사했다.
장 단장은 이런 상황에 오는 8월 31일 연구단 사업이 종료되는 것에 대해 아쉬움을 표했다. 장 단장은 “8월 말에 곧 정부 지원이 끝난다”며 “당장 눈에 띄지 않는 중요한 특허, 기술 및 노하우가 상당 부분 유실될 가능성이 크다”고 말했다. 또 “특허 중 어떤 게 효자 노릇을 할지 모르는데, 미래에 몇 조의 가치를 가질지도 모르는 기술들이 매몰자산이 되는 것”이라며 “연구단 사업이 진행되며 구축된 인적 네트워크도 무력화된다는 점이 아쉽다”고 말했다.
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