건물을 지을 때 신재생 에너지 발전 설비를 설치하고, 고효율 전기자동차를 만드는 등 다양한 분야에서 지속 가능한 환경을 만들기 위한 연구 진행 중입니다. 이러한 움직임은 농업 분야에서도 나타나고 있는데요. 이산화탄소를 흡수하며 성장한 농업폐기물이 플라스틱 원료와 항공연료로 탄생한 것입니다. 지구를 구해줄 새로운 구원투수, 농업폐기물의 변신 과정을 들여다보겠습니다.

농업폐기물, 플라스틱 원료로 재탄생!

우리는 섬유, 자동차 연료, 플라스틱 등 석유를 원료로 만든 제품의 바닷속에서 살고 있습니다. 이 중에서도 생활이 편리하도록 만들어준 1등 공신은 단연 플라스틱. 하지만 편리함에 속아 살아온 지금, 쓰레기가 된 플라스틱이 자연과 자연을 누리고 살아가는 인류를 위협하고 있는데요. 병든 지구를 위해, 나아가 우리의 안전을 위해 자연이 주는 자원을 이용하고, 다시 자연으로 돌려주어야 합니다.

이에 석유 대신, 바이오매스로부터 화학연료를 생산하는 바이오파이너리 연구가 활발하게 진행되었습니다. 여기서 사용되는 바이오매스는 성장 과정에서 광합성을 통해 이산화탄소를 흡수하기에 탄소중립 실현에 큰 역할을 한다고 볼 수 있는데요. 하지만 1세대 바이오파이너리에서는 전분이나 포도당류를 활용했기에 ‘식량자원’에 의존해야 했었습니다. 그래서 한국에너지기술연구원 연구진들이 나섰는데요. 구조 기반 분자 모델링, 단백질 공학으로 개량한 신규 효소를 적용해 볏짚, 옥수수 속대 등 버려지는 농업폐기물로부터 바이오플라스틱 중간 원료 ‘4-하이드록시 발레르산(4-hydroxyvaleric acid)’을 생산하는 공정을 개발한 것입니다.

농업 폐기물 산처리 최적화 실험을 위한 소형 반응기 운전

원래 4-하이드록시 발레르산은 루테늄 기반의 화학 촉매을 사용하여 얻는 방법이 유일했습니다. 이는 바이오매스를 산화시켜 레불린산을 얻은 다음, 레불린산을 수소화하는 과정으로 이루어지죠. 하지만 레불린산을 수소화시키는 효소가 자연계에 없기에 바이오매스로부터 4-하이드록시 발레르산을 직접 얻기란 불가능합니다. 이에 한국에너지기술연구원은 레불린산과 유사한 구조를 가진 아세토아세트산을 수소화하는 효소가 자연계에 널리 존재한다는 점에 착안했는데요. 그 결과, 레불린산을 수소화하는 신규 효소 개량 기술을 개발해냈습니다.

버려지는 옥수수 속대, 항공유·대형차 연료로 大변신! 수송부문에 탄소를 저감하는 방법으로 가장 주목받는 기술은... blog.naver.com

이렇게 바이오매스를 이용해 얻어낸 4-하이드록시 발레르산은 생분해성 플라스틱의 중간 원료로 사용됩니다. 생분해성 플라스틱은 석유를 원료로 한 플라스틱보다 생산부터 폐기까지 환경에 끼치는 영향이 적고, 지속 가능하기에 친환경적이지요. 한편 한국에너지기술연구원 연구진들이 개발한 기술은 식량자원에 비해 원가가 저렴할 뿐만 아니라 버려지는 농업폐기물인 비식용성 바이오매스를 활용해 고부가 물질을 생산했다는 점에서 의미가 더욱 큽니다.

농업폐기물, 바이오 항공유로 재탄생!

한국에너지기술연구원 연구진의 비식용성 바이오매스로부터 4-하이드록시 발레르산을 얻는 기술은 생분해성 플라스틱 원료를 얻는 데에서 그치지 않았습니다. 레불린산을 수소화시켜 만든 4-하이드록시 발레르산을 다시 가공해 ‘바이오 항공유’를 얻어낸 것이죠. 수송 분야에서 자동차는 전기차, 수소차 등 친환경 자동차로 빠르게 대체되고 있지만, 대형차나 선박, 항공 등 장거리 운송수단 부분은 친환경 기술이 적용이 쉽지 않은 편인데요. 여기서 바이오 항공유는 석유 기반의 항공유를 대체할 수 있는 것으로 주목받고 있습니다.

바이오 항공유란 바이오매스를 활용해 만드는 항공유로, 석유 기반의 항공유에 비해 최대 80%가량의 탄소 배출량을 줄일 수 있는 친환경 연료를 말합니다. 그래서 지속 가능한 항공유라고도 불리지요. 현재 바이오 항공유는 전체 항공 연료 소비량의 극소량인 0.01% 정도만 사용되지만, 2070년에는 소비 비중이 35%까지 크게 증가할 것으로 보고 있습니다. 탄소중립과 가까워질 수 있는 저탄소 에너지로 각광받는 이유죠.

레불린산 생산량을 분석하는 모습

연구진들이 바이오 항공유를 어떻게 생산하는지 알기 위해선, 먼저 기존 항공유와 레불린산의 특성에 대해 알아야 합니다. 기존 항공유는 에너지 밀도가 높기 때문에 탄소수가 많고, 산소가 없는 탄화수소 형태를 띠고 있는데요. 반면 바이오매스를 산화시켜 얻은 레불린산은 탄소수가 5개로 적고 산소도 포함되어 있죠. 그래서 레불린산을 최종적인 항공유로 쓰기 위해서는 촉매로 탄소수를 9개 이상까지 늘리고, 산소도 없애주어야 합니다. 하지만 앞서 말했듯, 자연계에는 레불린산을 수소화하는 촉매가 없습니다. 그래서 한국에너지기술연구원 연구진이 레불린산을 수소화하는 신규 효소 개량 기술을 개발한 것이죠.

먼저 신규 효소를 활용해 레불린산을 수소화시켜, 중간물질인 4-하이드록시 발레르산을 만듭니다. 그리고 4-하이드록시 발레르산을 다시 약하게 산화시켜 또 다른 중간물질인 ‘감마 발레로락톤(Gamma-valerolactone)’으로 전환하죠. 감마 발레로락톤은 화학 촉매 반응과 연계해 바이오 항공유, 대형차 연료로 전환이 가능합니다.

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이번 연구 결과는 항공유, 대형차 연료로 뿐만 아니라
항암제나 백혈병 치료와 같은 바이오 의약품 시장에도 확장 적용 가능합니다.

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골칫거리로 취급받던 옥수수 속대와 볏짚. 이러한 농업폐기물이 우리 일상에 꼭 필요한 플라스틱 원료로 활용되고, 먼 거리 운송을 톡톡히 해오던 비행기나 대형차량의 연료로 사용될 날이 머지않았습니다. 자연으로부터 얻은 자원을 이용하고, 다시 자연으로 돌려줄 수 있는 이상적인 길이 열리고 있는 것이죠. 이 중심에서 누구보다 굵은 땀을 흘리고 있는 연구원들을 응원합니다.

[내용 출처]

전자신문, 농업 폐기물로 연료와 플라스틱을...에너지연 공정 개발 성공(2021), https://m.etnews.com/20211014000031

에너지움, 보도자료, https://energium.kier.re.kr/sub040101

YTN 사이언스 투데이, [과학의 달인] 버리는 옥수수 속대…항공유·대형차 연료로 변신한다“(2023), https://www.youtube.com/watch?v=gGOzOZJeAaM