해양 바이오매스인 해조류는 연료와 화학제품을 생산하는 바이오 리파이너리 공정으로 기존 석유화학제품을 대체할 수 있어 주목받고 있으며, 특히 최근에는 이를 바이오항공유의 원료로 활용하는 연구가 활발히 진행 중이다.
바이오항공유는 기존 항공유 대비 온실가스를 최대 82% 줄일 수 있으며, 2070년까지 전체 항공유의 35%를 차지할 전망이다.
현재 상용화된 바이오항공유 생산공정 중 이산화탄소 감축 효과가 가장 큰 방법은 바이오매스로 미생물을 발효시켜 전구체를 얻는 방식이다.
이를 통해 전처리 과정을 거쳐 바이오매스를 발효당으로 변환하고, 발효당으로 미생물을 발효시키면 바이오항공유를 생산할 수 있는 전구체를 만들 수 있다.
하지만 전처리 과정이 복잡하고 고압 수소를 이용한 반응도 필요해 공정비용이 비싸다는 단점이 있다. 또 이렇게 생산한 전구체의 양이 투입된 발효당의 15% 수준에 불과하다.
꼬시래기로 바이오항공유 원료 만든다
한국에너지기술연구원(이하 에너지연) 광주친환경에너지연구센터 민경선 박사 연구팀은 강원대와 협력해 해조류로 바이오항공유 전구체 생산공정을 개발했다. 생산과정에서 나온 잔여물은 리튬이온전지의 음극소재로도 활용할 수 있다.
연구팀은 미생물 발효 없이 원스톱 효소반응으로 전구체를 생성할 수 있는 ‘레불린산 기반 공정’을 개발했다.
이를 이용하면 간단한 전처리로 해조류를 레불린산으로 변환하고, 효소반응을 통해 기존 전구체보다 활용도가 높은 ‘(R)-감마 발레로락톤((R)-GVL’)을 생산할 수 있다.
이번 연구의 핵심은 효소반응을 통해 레불린산을 전구체로 직접 전환하는 것이다.
꼬시래기 등의 해조류는 산처리만 거쳐 레불린산으로 전환되고, 이를 연구팀이 개발한 개량효소로 전구체인 (R)-GVL을 생성한다.
이는 바이오매스로 미생물을 발효시키는 기존 공정과 달리 효소반응만 필요하기 때문에 같은 양의 바이오매스로 기존 대비 10배 많은 전구체를 생산할 수 있다.
실제 기존 공정으로 바이오매스 1톤으로 생산되는 전구체는 36㎏인 반면 연구팀이 개발한 기술은 330㎏에 이른다.
아울러 연구팀이 개발한 효소는 레불린산을 99.99% 이상 정확하게 (R)-GVL로 전환할 수 있어 고혈압치료제 등 바이오의약품의 중간물질로 활용할 수 있다.
또 연구팀은 레불린산을 생산하고 남은 꼬시래기 잔여물은 탄화공정을 거쳐 리튬이차전지의 음극소재로 사용할 수 있음을 확인했다.
실제 연구팀은 탄화된 꼬시래기 잔여물로 이차전지 음극소재인 ‘하드카본’을 제작해 리튬이차전지에 적용, 용량, 출력, 수명 특성을 분석해 적용 가능성이 있음을 확인했다.
민 박사는 “이번 연구는 해조류에서 다양한 산업 응용물질을 생산하는 공정을 개발한 동시에 잔여 바이오매스까지 아차전지 전극소재로 활용할 수 있다”고 설명했다.
이번 연구결과는 국제학술지 ‘케미컬엔지니어링 저널(IF 13.3)에 게재됐다.
