밑반찬 재료 '꼬시래기'로 항공유·의약품 만든다

한국에너지기술연구원

해조류인 꼬시래기와 연구팀이 개발한 꼬시래기 유래 (R)-감마 발레로락톤. 한국에너지기술연구원 제공.

식재료로 쓰이는 해조류를 항공유 소재로 활용할 수 있는 기술이 개발됐다. 탄소중립 실현을 앞당길 수 있는 친환경 기술이다. 

한국에너지기술연구원은 민경선 광주친환경에너지연구센터 책임연구원 연구팀이 강원대와 함께 해조류를 원료로 바이오항공유 전구체를 생산하는 공정을 개발했다고 25일 밝혔다. 전구체는 화학반응 등에서 원하는 구조의 물질이 되기 전 단계의 물질을 의미한다. 

해조류는 석유 대신 연료와 화학제품을 생산하는 ‘바이오 리파이너리’ 공정에 사용할 수 있다. 최근에는 특히 바이오항공유 원료로 주목받고 있다. 해조류로 바이오항공유를 만들면 기존 항공유보다 온실가스를 최대 82% 줄일 수 있다. 

바이오항공유를 생산할 때 이산화탄소 배출을 줄이려면 바이오매스(미생물·식물·동물 등 유기체)로 미생물을 발효시켜 전구체를 얻어야 한다. 전처리 과정을 거쳐 바이오매스를 발효당으로 변환하고 발효당으로 미생물을 발효시키면 바이오항공유를 생산할 수 있는 전구체가 된다.

문제는 전처리 과정이 복잡하고 고압 수소를 이용하는 등 공정에 들어가는 비용도 크다는 점이다. 공정을 통해 생산된 전구체의 양은 투입된 발효당의 15% 수준에 불과하다는 점도 개선이 필요하다. 

연구팀은 미생물 발효 없이 원스톱 효소 반응으로 전구체를 생성할 수 있는 레불린산 기반 공정을 개발했다. 간단한 전처리만으로 해조류를 유기화합물인 레불린산으로 변환하고 효소 반응을 거쳐 기존 전구체보다 활용도가 높은 전구체인 ‘(R)-감마 발레로락톤((R)-GVL)’을 생산했다. 

연구팀은 꼬시래기 등의 해조류에 산처리만 진행해 레불린산으로 전환했다. 이후 연구팀이 개발한 개량 효소를 이용해 (R)-GVL을 생성했다. 미생물을 발효시키는 기존 공정과 달리 효소 반응만으로 전구체를 만들 수 있어 같은 양의 바이오매스로 10배 많은 전구체를 생산할 수 있다. 

(R)-GVL의 원형인 감마 발레로락톤은 바이오항공유 외에도 고혈압 치료제 등 바이오의약품 중간물질로 활용할 수 있다. 단 감마 발레로락톤은 (R)형과 (S)형이 혼합된 형태인 광학이성질체로, 고혈압 치료제로 사용하려면 감마 발레로락톤에서 (R)형만 선택적으로 생성할 수 있어야 한다.

연구진이 자체 개발한 효소는 레불린산을 99.999% 이상의 정확도로 (R)-GVL로 전환할 수 있다. 지금까지 (R)-GVL만 선택하는 기술이 부족해 감마 발레로락톤이 바이오의약 분야에 적용되지 못했으나 이번 기술을 통해 활용 가능성이 높아졌다. 

레불린산을 생산하고 남은 꼬시래기 잔여물은 탄화 공정을 통해 리튬 이차전지의 음극 소재로도 활용할 수 있다. 연구팀은 탄화된 꼬시래기 잔여물로 이차전지 음극 소재인 ‘하드 카본’을 제작해 리튬 이차전지에 적용하고 용량, 출력, 수명 특성을 분석해 적용 가능성이 있음을 확인했다.

민 책임연구원은 “3면이 바다로 둘러싸인 우리나라는 해조류 확보에 있어 지정학적으로 유리한 위치에 있다”며 “해조류로부터 다양한 산업 분야에 응용 가능한 물질을 생산하고 잔여 바이오매스까지 전극 소재로 활용할 수 있어 이번 기술은 탄소중립 실현을 앞당기는데 크게 기여할 수 있을 것”이라고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널’에 실렸다. 

<참고 자료> 
doi.org/10.1016/j.cej.2024.151713

연구진이 레불린산을 (R)-GVL로 전환하는 개량 효소의 활성을 측정하고 있다. 한국에너지기술연구원 제공.

[문세영 기자 moon09@donga.com]