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화석연료는 산업혁명 이후로 세계의 산업을 떠바치는 성장의 동력으로 작용하였습니다. 그러나 향후 50년 정도만 사용할 수 있는 양정도 밖에는 남아 있지 않아, 이를 대체할 에너지원의 개발이 시급할 실정입니다. 또한 급격한 산업화로 인해 많은 화석연료의 사용은 지구 온난화의 주범인 이산화탄소의 고농도 배출로 인해 지구는 해수면 상승, 사막 지역확대, 빙하의 유실, 생물의 멸종 등과 같은 환경 재앙을 겪고 있으며 이는 다양한 형태로 나타날 것이라고 세계의 과학자들은 경고하고 있습니다.

이를 타계하고자 태양광, 지열, 풍력, 파력, 바이오에너지등의 다양한 신•재생에너지의 개발이 진행되고 있습니다. 하지만 대부분의 신•재생에너지는 전기만을 생산할 뿐만 아니라 지구온난화의 주범인 이산화탄소 농도의 저감에는 크게 기여하지 못하는 단점을 지니고 있습니다. 이에 반해 바이오에너지 자원은 고밀도의 액체 에너지를 생산할 뿐만 아니라 대부분이 광합성을 통해 생산되는 자원을 이용함으로써 대기의 이산화탄소의 농도를 줄이면서도 에너지를 생산하는 방법으로 많은 기대를 받고 있습니다.

 

 

하지만 1세대 식용작물(edible crops)과 2세대 목질계(cellulose) 기반의 바이오에너지 생산은 식량문제, 경작지의 부족, 낮은 단위면적당 생산성 등의 다양한 문제에 기인하여 미래의 바이오에너지원으로서는 부족한 요소를 지니고 있다는 것이 이미 밝혀 졌습니다. 이에 반해 제 3세대 바이오에너지원으로 평가 받고 있는 미세조류는 초기 지구 형성과정에서 처음 나타난 생명체 중의 하나이며, 현재 지구의 대기 조성을 만들어 낸 남조류(blue-green algae or cyanobacteria)를 비롯하여 지구상에 수십만 종이 있는 것으로 추정되고 있으며, 현재까지 이 중 100여종만 인위적인 배양이 가능한 것으로 알려져 있습니다. 미세조류는 육상 식물처럼 광합성에 기반하여 에너지를 생성하는 자가영양주(autotroph) 이지만, 그것들과 구별되는 특징으로서는 배가 속도(doubling time)가 1일에 2~4회까지 가능할 정도로 성장속도가 빠르고, 바이오에너지로 전환이 가능한 탄수화물 (바이오알콜의 전구체)이나 지질(바이오디젤의 전구체)과 같은 특정 산물의 농도를 세포 내에 80%까지도 축적하는 능력을 가지고 있습니다. 척박한 환경에서도 배양이 가능하여, 농업과 경쟁하지 않으면서도 각종 생활하수, 공장 폐수, 높은 염농도의 수자원으로 배양하는 것이 가능합니다. 또한 기존의 바이오에너지의 단점이었던 단위면적당 생산성과 식용 작물이라는 윤리적 문제에서도 상관성이 없어 미래의 바이오에너지원으로 전세계적으로 큰 주목을 끌고 있는 생물 자원입니다.

그럼에도 불구하고 아직까지 실용화 되지 못한 이유는 미세조류 바이오에너지 생산에 많은 비용이 소요됨에 따라 기존의 바이오에너지와 화석 연료에 비해 경쟁력이 낮기 때문입니다. 기존의 미세조류 산업은 주로 carotenoids, 불포화지방산등의 기능성 건강 식품, 사료 첨가제, 의약품을 생산하기 위한 고부가가치의 생산품에 초점을 맞추어 연구가 활발히 진행되었습니다. 따라서 양적으로 의미가 있으며, 기존의 화석연료와 경쟁하기 위해서는 기존 방법과는 다른 방식의 생산 방법이 요구되며, 생산 공정상에 투입되는 자원과 에너지를 최소화 시켜 경쟁력 있는 생산 단가로 생산하는 것이 중요하게 됩니다. 또 다른 문제로서는 우리나라는 국토가 협소할 뿐만 아니라, 국토의 대부분이 산악지역으로 농작물을 생산할 면적도 협소할 뿐만 아니라, 산림이나 농지를 파괴하고 그 곳에 미세조류 바이오에너지를 생산한다는 것은 많은 문제점을 가지고 있습니다. 본 연구 센터에서는 해양의 자원과 에너지를 미세조류 생산에 접목시킴으로써 기존의 생산 방법을 탈피하여, 바이오에너지 생산과 동시에 환경 문제를 해결하는 방법에 대해 연구하고 있습니다. 특히 우리나라의 서해는 우리나라와 중국의 대부분의 강물들이 유입되어 미세조류 성장에 필요한 영양분이 세계적으로 풍부할 뿐만 아니라, 해안가에 대부분의 화력 발전소에서 이산화탄소는 물론 온배수를 활용 할 수 있다는 장점을 가지고 있습니다. 좀 더 구체적으로 미세조류 배양적인 측면에서 보면, 파도에너지에 의한 배양액 혼합(mixing), 상대적으로 높은 해수 비열을 통한 온도 조절, 풍부한 해수 자원 활용 가능성이 있어 해양환경에 적합한 미세조류 배양 장치를 개발하고, 생산한다면 기존의 미세조류 육상 배양의 단점을 보완 할 수 있는 무궁무진한 가능성을 가지고 있습니다.

이러한 관점에서 본 연구센터에서는 해양 배양에 적합한 광생물반응기(photobioreactor) 개발 및 실증 배양을 통한 검증, 미세조류 수확 및 에너지 추출 공정, 에너지 전환 공정 개발 및 부산물 활용 연구, 토착 미세조류 균주 동정 및 보존 등 미세조류 유래 바이오에너지 전반의 연구를 진행을 통해 해양 바이오에너지 생산에 박차를 가하고 있습니다. 또한 다양한 원천 기술과 산업화를 위한 know-how를 확보하는 동시에 전문인력 양성을 통한 바이오에너지 산업에 기여하고자 본 연구 사업은 시작되었습니다.

1. 해양 배양용 광생물반응기 설계/제작/분석

해양에 설치하고 운용될 미세조류 배양 장치(광생물반응기)는 기존의 육상 반응기와는 다른 특징을 가지고 있습니다. 해양의 에너지와 자원을 효율적으로 사용하기 위하여, 해양 환경에 적합한 형태와 기능을 가지고 있어야 합니다. 또한 기존의 미세조류 배양 장치들은 복잡하면서도 고가의 재질들로 제작되어 있어 앞에서 이야기 한 것처럼 우리나라 서해 바다는 다른 지역에 비해 질소와 인의 농도가 상대적으로 높아 이를 이용하여 미세조류 배양에 활용하는 것이 가능합니다. 하지만 상대적인 농도는 높지만, 미세조류를 대량 배양하기 위해서는 낮은 농도기 때문에 본 연구에서는 반투과막 광생물반응기(Semi-permeable Membrane Photobioreactor, SPM-PBR)를 개발하여 적용하고자 하였습니다. 반투과막 광생물반응기는 반투과성 막이 부착되어 있어 세포는 해양으로 유출되지 않고, 반응기내의 해수와 외부 해수의 영양염 농도차에 의해 미세조류를 성장시키는 방식입니다. 다시 말해, 반응기 내부의 미세조류는 해수에 존재하는 탄소, 질소, 인과 같은 영양분을 섭취하게 되고, 외부와의 농도 차(driving force)에 의해 외부에서 내부로 이동하고 이를 이용하여, 지속적으로 세포를 배양하고, 농축시키는 시스템 입니다.

이러한 배양 방법은 잠재적으로 적조, 녹조, 및 해양 오염을 일으키는 물질을 제거하는 동시에 미세조류 바이오에너지를 생산함으로써, 에너지 생산과 환경 개선이라는 두 마리의 토끼를 잡는 배양 방식입니다. 또한 별도의 배지의 공급이나 pH, salinity조절이 자연스럽게 이뤄지면서 기존의 미세조류 반응 장치에 필요한 조절 요소들은 자연으로부터 해결하는 친환경적인 배양 방법입니다. 미세조류의 성장성은 반투과막의 투과성에 비례하여 나타나게 됨으로, 막의 성능이 중요하게 됩니다. 해양 미세조류 배양용 반투과막 개발을 위해 고분자공학 전문가들과의 협동 연구를 통해 해양에 적합하고, 미세조류 배양에 최적화된 많은 반투과막을 동시에 개발하고 있습니다.
또 다른 기술 요소로서는 미세조류 배양에 중요한 것은 배양액의 적절한 혼합(mixing)입니다. 미세조류는 광합성 미생물로서, 대부분이 부유상태를 유지하고 광합성의 효율성을 높이기 위해서 적절한 혼합이 필요하게 됩니다. 기존의 육상 반응기에서는 공기를 주입하거나 기계적인 방법으로 미세조류를 혼합하게 됨에 따라 별도의 장치와 에너지를 투입하여야 합니다. 그에 비해 해양 환경에서는 항상 파도가 끊임없이 발생하고 이를 미세조류 배양액 혼합에 이용하는 것이 가능합니다. 파도에너지를 보다 효율적으로 사용하기 위하여 내부 격막이 된 반응기(Internally Partitioned Photobioreactor)를 개발하였습니다. 저렴하면서도 유연성이 있는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)로 제작된 반응기 내부에 배양액의 흐름을 규칙적으로 유도하기 위하여 격막을 설치 함으로서 미세조류 생산성을 향상 시키는 것이 가능합니다. 실제 혼합능(Mixing efficiency)와 산소 전달 계수(kLa)를 측정하였을 때, 단순히 격막의 설치로 비 설치군에 비해 혼합과 산소 전달 계수가 각각 200%와 300% 증가하는 것으로 나타나 그 효과가 입증되었습니다. 또한 반응기에 미세조류를 배양 시켰을 때, 30-50% 미세조류 세포 농도가 증가되었으며, 고농도 배양에서 더욱 효과적인 것으로 평가되었습니다.

상기 예제 연구에서 보시는 것처럼, 해양해양 광생물반응기 연구에서는 해양의 에너지와 자원을 효율적으로 이용하고자 공학적 연구와 결부시켜 지속적으로 연구 및 개발을 진행해 나가고 있습니다.

2. 해양 실증 배양

3.1에서는 미세조류 광생물반응기의 요소기술을 개발하였다면, 이를 해양에 적용하고 실증하는 과정이 필요하게 됩니다. 해양의 환경은 지역에 따라, 계절별로 변화하게 됩니다. 이를 실제 해양의 환경에서 미세조류를 배양하고, 개발된 반응기의 효율성을 평가하기 위하여 해양배양을 실시하고 있습니다. 이를 위해 인천시 옹진군 영흥도 앞바다에 해양 실증 배양장 설비를 인천시의 지원을 받아 구축하였으며, 이를 활용하여 실증배양을 진행하고 있습니다. 4 계절이 뚜렷한 우리나라의 기후 변화에 따른 미세조류 생산성과 해양 환경을 관찰하여 데이터를 확보함으로써, 미세조류 해양 배양 전략 구축에 활용하고 있습니다. 영흥도뿐만 아니라 서해 지역과 남해 지역에 해양 배양기를 운용해 봄으로써, 지역에 따른 환경 및 미세조류 생산성 비교를 통해 최적지 선정에 대한 연구도 진행하고 있습니다.

해양배양에서 검증된 반응기를 규모 확대하는 기술 개발을 통해, 해양에서의 미세조류 대량 배양 기술을 확보해 나가고 있으며, proto-type 0.5 L 반응기에서 지속적인 피드백을 통한 규모 확대 기술 확보로15 L, 100 L, 1000 L까지 규모 확대하여, 운용하고 있습니다.

3. 바이오에너지 전환 및 부산물 활용 연구

세포 배양 후 획득한 미세조류 균체를 이용한 바이오디젤 생산과정은 일반적으로 건조과정, 추출 및 전환과정, 정제과정 등의 간단한 단계로 생산이 가능합니다. 하지만 현재 미세조류 바이오디젤이 시장에서 가격 경쟁력을 갖추기 위해서 중요한 요소 기술 개발이 필수적입니다. 중요 요소 기술로서는 수분을 제거하는 탈수 기술, 에너지원 추출 후 남은 세포 부산물 효율적 활용, 에너지 전환능이 높은 촉매 개발 등의 숙제는 해결되어야 합니다. 본 연구센터에서는 90%이상이 물인 미세조류 배양액으로부터 미세조류를 분리하기 위해, 침전(sedimentation), 거름(filtration), 흡착(absorption)등 다양한 방법을 비교 및 개선 연구를 진행하고 있습니다.

한편, 최근 미세조류유래 바이오에너지 생산 부분과 관련하여 열수액화공정(hydrothermal liquefaction process)이 이슈가 되고 있습니다. 바이오매스를 수중에서 고온, 고압 하에 가공하여 바이오에너지를 생산하는 열수액화공정은 바이오오일을 주요산물로 생산하는 공정으로 바이오매스를 건조하지 않고 젖은 상태로 직접 사용하여 물이 용매와 동시에 반응물로 사용되는 공정으로써 에너지효율이 높습니다. 특히 미세조류를 원료로한 열수액화공정은 에너지 효율적으로 바이오에너지가 생산되고 사용되는 모든 원료가 재순환가능하며 에너지뿐만 아니라 화학물질을 공급할 수 있는 방법입니다. 비 건조 상태로 회수되는 미세조류 균체를 사용한 열수액화공정은 미세조류로 에너지를 생산하는 적합한 공정으로 적은 에너지를 사용하여 열량이 높은 고품질의 오일을 높은 수율로 생산하므로 미세조류로 바이오연료를 생산하는 바람직한 방법입니다. 하지만 높은 열과 압력이 공급 되는 만큼 공학적 최적화와 에너지 수율 비교를 통해 공정 효율의 향상에 대한 연구를 진행 하고 있습니다.
이외에도 에너지 전구체 추출 후에 발생되는 부산물을 이용하여 바이오가스, 바이오에탄올과 같은 다른 형태의 에너지 전환 공정과 부산물 유래 촉매 개발에도 집중적인 연구를 통해 미세조류의 모든 균체를 사용하는 새로운 형태의 녹색 유전 개발에 힘쓰고 있습니다.

4. 분자 수준에서의 미세조류 특성 규명

미세조류는 배양 환경에 따라 에너지 전구체의 종류와 농도가 변화하게 됩니다. 주요 인자인 광도, 온도, 특정 영양염의 농도를 달리하여 세포를 배양하고 어떠한 유전자나 단백질이 발현되는지 비교 정량 함으로서 목적 산물의 생합성 기작과 그 메커니즘의 규명에 대해서도 연구하고 하고 있습니다. 이를 통해 미세조류 종별 특성과 환경 조건에 대한 미세조류 생리적 활성 변화와 분자적 규모에서의 특성을 규명함으로써 고성능 균주 설계 및 개발이 가능할 것으로 예상 됩니다. 이외에도 진행되고 있는 연구 방향 및 방법은 하단에 간단히 정리하였습니다.
 

- 광도 및 배지성분 농도 등의 다양한 환경 스트레스 조건별 배양 및 전사체 및 단백질체 분리·비교·분석
- 동위원소 표지법(iTRAQ)과 LC-MS/MS를 이용한 단백질체의 비교 정량
- 기 확보된 cDNA chip에 의한 전사체 자료와 통합·동정
- 단백질체 정량정보에 대한 생물정보학 분석
- 발굴된 조절인자 유도발현에 의한 배양과 야생종의 배양 비교
- 완성된 전사체와 단백질체의 분석에 의한 생리적 변화 및 생산성 비교
- 다양한 환경 스트레스 조건 별 조절인자 전사·발현 비교 및 상위 생합성 조절인자 탐색

해양바이오에너지 개발 연구를 통해 해양 바이오에너지의 원천 기술을 확보하였으며, 20 여건의 해양 배양 기술 특허를 확보함으로써 세계적인 신기술 개발의 초석을 마련하였습니다. 아직 시작 단계의 해양바이오에너지 개발 연구는 전 세계적으로도 기초적인 시작 단계라는 측면에서 본 연구센터의 연구가 의미가 있습니다. 지속적이고 집중적인 연구를 통해 우리나라의 신성장 동력이 될 수 있도록 최선을 다하겠습니다. 많은 관심과 격려 부탁 드립니다.
밤낮 없이 과학발전에 기여하고 계시는 모든 연구자 분들에게 감사와 경의를 표하며 글을 마무리하고자 합니다. 읽어주셔서 대단히 감사합니다.

인천광역시 남구 인하로 100 인하대학교3호관 222호에 위치하고 있습니다. 좀 더 자세한 사항은 하단의 연락처를 참고 부탁 드리겠습니다. 궁금하신 사항이나 본 연구센터를 방문하시고 싶은 분은 연락 주시면 따뜻하게 맞이해 드립니다.!!!

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