- 농업폐기물을 이용한 ‘레불린산 생산 공정 최적화’ 성공

- 버려지는 농업폐기물로 항공유, 고부가 바이오 의약품도 생산 가능

- Agricultural engineering 분야 저명 학술지 ‘Bioresource Technology’ 게재

[사진자료] 농업 폐기물 산처리 최적화 실험을 위한 소형 반응기 운전

□ 수송부문에 탄소를 저감하는 방법으로 가장 주목받는 기술은 배터리를 이용한 전기화다. 하지만 수송부분 전체 에너지 사용량의 45%를 차지하는 장거리 운송 수단인 대형 트럭, 선박, 항공 부문은 에너지 밀도가 높은 연료가 필요해 전기를 사용하는 것에 어려움이 있어 이를 대체하기 위해 바이오 연료가 주목받고 있다.

□ 특히, 바이오 항공유의 경우, 2020년에는 전체 항공유 중 약 0.01%를 차지하는데 불과했지만, 2070년에는 35% 까지 그 수요가 크게 성장할 것으로 예상되고 현재 바이오 항공유를 이용한 시험 비행 사례도 꾸준히 늘어나고 있다.

■ 이러한 가운데 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 광주친환경에너지연구센터 민경선 박사 연구진이 쓸모없이 버려지는 옥수수속대와 같은 폐기물을 고부가 산물인 바이오 항공유의 중간물질인 레불린산*으로 전환시킬 수 있는 기술을 개발했다.

* 레불린산(Levulinic Acid): 바이오매스 유래 당 성분의 최종 산화물 형태로, 바이오 항공유와 같은 수송용 바이오 연료 및 바이오 플라스틱의 중간 원료로 활용이 가능한 주요 플랫폼 물질

■ 기존 레불린산 생산 연구는 주로 꼬시래기, 모자반 등 식용 해조류를 원료로 사용했던 반면 이번 연구에서는 목질계 바이오매스의 일종인 옥수수속대로 레불린산 생산 수율 20%를 달성해 레불린산 생산 원료를 다변화할 수 있다는 가능성을 제시했다.

□ 오일리파이너리를 대체하는 바이오리파이너리*는 기존 산업시스템에서 석유로부터 생산하던에너지, 연료, 화학제품 등을 재생 가능한 바이오매스**로부터 생산하는 시스템으로 미래 산업기술로 각광받고 있다. 세계 바이오 시장은 바이오매스 등 원료가 풍부한 국가들 중심으로성장 중이며, 주요국 정부는 바이오연료 사용 의무화 제도 정책을 도입하고 있다.

* 바이오리파이너리(Bio-refinery): 석유화학 산업의 Oil-refinery에 대응되는 개념으로, 석유 대신 바이오매스를 원료로바이오기술을 이용해 재생 가능한 연료 및 화합물을 생산하는 것을 의미 

* 바이오매스(Biomass): 태양에너지를 받는 식물과 미생물의 광합성에 의해 생성되는 식물체, 균체 그리고 이를 먹고살아가는 동물체를 포함하는 생물 유기체를 총칭

□ 우리 정부도 기후변화 대응에 효과적인 수단으로, 그리고 날로 강화되는 국제환경규제에 있어 필수적인 수단으로 친환경 바이오연료를 확대하기 위한 방안 마련에 나서고 있다.

* ‘22.10.13, 친환경 바이오연료 활성화를 위한 간담회 및 ’친환경 바이오연료 확대방안‘ 발표(산업통상자원부)

* 국제민간항공기구(ICAO) ‘27년부터 탄소감축상쇄제도(CORSIA) 의무참여 시행, 온실가스 초과배출시 항공사에게 배출권 구매 등 비용발생

■ 이에 연구진은 옥수수속대와 같은 비식용성 농업폐기물을 활용해 바이오항공유, 바이오플라스틱의 중간 원료인 레불린산을 생산할 수 있는 산화공정을 개발했다. 연구진은 산촉매 농도, 반응 온도, 시간 등을 통계학적 방법으로 최적화 해 옥수수속대 유래 레불린산 생산 수율 최적화에 성공했다.

□ 원래 4-하이드록시 발레르산은 중요도가 매우 높은 물질이지만 바이오매스에서 직접 얻을 수는 없다. 그래서 ① 바이오매스를 산화시켜 레불린산을 얻고, ② 레불린산을 수소화해 4-하이드록시 발레르산을 얻는다*. 

* 바이오매스 → 레불린산 → 4-하이드록시 발레르산 → 바이오연료, 바이오플라스틱

             (①산화)     (②수소화)

[사진자료] 레불린산 생산량을 분석하는 모습

□ 하지만 이 과정에는 큰 난관이 있었다. ②번 과정에 수소화 과정이 필요한데 실제로 자연계에는 레불린산을 수소화시키는 효소가 없다는 점이다. 하지만 민경선 박사 연구진은 구조 기반 계산과학을 통해 자연계에 존재하지 않는 레불린산 수소화 효소를 이미 개발한 바 있다.

■ 그리고 뒤를 이은 이번 연구로 ①번 과정이 비로소 완성되어 농업폐기물을 포함한 다양한 목질계 바이오매스로부터 레불린산으로, 그리고 4-하이드록시 발레르산으로 이어지는 고부가 가치 프로세스가 드디어 완성된 것이다. 특히, 레불린산을 수소화하는 효소 반응 과정에서 외부 수소 공급 없이, ①번 과정에서 동시 생산되는 개미산을 액상 수소 공여체로 활용 가능해, 전체 공정의 경제성 향상과 바이오매스로부터 생산된 모든 성분을 사용하는 전수 활용에 가까운 공정을 개발했다는 점에서 의미가 크다. 

■ 또한 이번 연구는 기존 당 기반 바이오리파이너리에서 부산물로 취급되었던 레불린산을 바이오연료, 바이오 플라스틱의 직접 원료로 활용하는 non-sugar 기반 바이오리파이너리라는 새로운 패러다임을 제시했다. 뿐만 아니라, non-sugar 원료인 레불린산은 수소, 전기가 대체하기 어려운 항공유, 대형차용 바이오 연료로의 중간 원료라는 점에서 의미가 크다.

■ 연구책임자인 민경선 박사는 “성장 과정에서 광합성을 통해 이산화탄소를 흡수하기 때문에 탄소 중립형 원료로 각광받고 있는 바이오매스 중 농업폐기물을 바이오리파이너리의 원료로 활용하여, 레불린산과 같이 다양한 최종 산물로 확장 적용이 가능한 중간 원료로 전환하는 산화 공정 개발 연구는 탄소중립 실현에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다.”고 말했다.

□ 한편 이번 연구는 한국에너지기술연구원의 기본사업인 ‘바이오항공유 생산 수율 10배 향상을 위한 non-natural 생촉매 개발연구’ 과제의 일환으로 수행됐으며, 연구결과는 농업공학 분야 저명 학술지인 ‘바이오리소스 테크놀로지(Bioresource Technology)’에 게재됐다.