매력적인 바이오디젤, 그것은 ‘미세조류’로부터
매력적인 바이오디젤, 그것은 ‘미세조류’로부터
  • 김효진 기자
  • 승인 2015.08.31 15:51
  • 댓글 0
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_전세계적으로 화석연료의 매장량은 줄고, 원유의 수급양은 늘고 있다. 더군다나 화석연료의 사용이 온실가스의 축적과 심각한 기후환경변화로 이어졌다는 것은 두 번 말해 입 아프다. 이에 신재생에너지와 대체에너지에 대한 관심이 쏟아지고 있는데, 최근에는 석유기반 사회를 유지하며 원유를 대체할 수 있는 대체원료 또는 재생가능 원료에 대한 연구가 활발하다. 특히 바이오디젤은 식물성 유지나 동물성 유지로부터 만들어지는 재생가능 연료로써 미세조류를 이용한 제 3세대 바이오디젤의 생산이 매력적인 대체에너지원으로 떠오르고 있다. 1, 2세대 육상식물 기반의 바이오에탄올에서 진보한 3세대 미세조류 바이오디젤. 그 매력 속으로 빠져보자.

 


미세조류라는 반가운 대안

_현재 생산되고 있는 바이오디젤의 대부분은 옥수수, 대두, 유채 등의 곡물로부터 얻어진다. 하지만 바이오디젤의 수요가 커질수록 국제 곡물가격의 폭등을 초래하고 개발도상국의 식량난을 가져온다는 비판의 목소리를 면치 못하고 있다. 또한 곡물은 재배면적의 제한성과 더불어 산림파괴라는 부정적 영향도 무시할 수 없다. 우리나라의 경우 주요 식량을 해외 수입에 의존하고 있어 더더욱 적신호가 켜진 상태다. 이에 새로운 대안으로 떠오른 것이 미세조류이다.
 미세조류는 대규모 실외 배양지에서 성장 및 수확이 가능하다. 또한 단기간 내에 성장하며 단위면적당 생산량이 높아 우리나라처럼 육상식물 재배가 어려운 해양인접 국가에서도 연료 확보가 가능하다. 기존 석유에서 배출되는 황 및 벤젠 등과 같은 오염원도 생성되지 않아 오염원을 처리하는 잠재적 사회경제비용도 줄일 수 있을 것으로 예상된다. 미세조류는 이산화탄소를 흡수하여 체내 대사활동 및 재생산을 위한 에너지원 및 저장물질로 사용된다. 연소시킬 경우 일반 경유의 20%에 불과한 이산화탄소가 발생하지만 이 이산화탄소는 다시 광합성에 의해 체내로 흡수된다. 이는 재생 가능한 에너지원이 되는 것이다. 지질 생산성이 높고 이산화탄소를 대규모 회수할 수 있는 광합성 미세조류들은 기술적인 실용성과 지속가능한 재생에너지 원료로 석유를 대체할 매력적인 대안이 될 수 있다.




미세조류를 이용한 바이오디젤

_바이오디젤을 비롯한 바이오연료의 생산은 전세계가 주목하는 바이지만 아직 미세조류를 이용한 바이오디젤의 생산에 대해서는 미개척지에 가깝다. 조류는 크게 대형해조류와 미세조류로 나뉘는데 이 중에서도 미세조류가 합성한 지질 성분이 바이오연료의 생산에 적합하다. 이는 태양에너지, 물, 이산화탄소를 이용한 광합성이 화학에너지로 전환되는 생물기작을 이용한다. 미세조류는 육상식물보다 매우 효율적이고 빠르게 생산할 수 있는 아주 다양한 종류의 광합성 식물들로 구성되어 있다. 종에 따라 체내 총 지질 함량이 건조중량 당 1~85%로 매우 다양하며 이 지질의 많은 부분들이 트리아실글리세롤(triacylglycerols, TAGs)을 생성할 수 있다. TAGs는 글리세롤과 3개의 지방산들의 에스테르인데 이것들이 흔히 유지라 부르는 바이오디젤의 원료가 된다.




미세조류로부터 TAGs를 얻는 조건

_미세조류로부터 얻은 TAGs는 트랜스에스테르화 과정을 거쳐 에너지 밀도가 높은 바이오디젤로 쉽게 변형될 수 있다. 특히 이 TAGs함유량은 질소, 인 등의 영양염 제한조건에서 가장 높게 나타난다. 건중량 5%의 지질함량을 가지는 미세조류 클로렐라-피레노이도사(Chlorella pyrenoidosa)를 질소원을 제한해 배양했을 때 체내 85%까지 지질 함량이 증가했다는 연구보고도 있다. 하지만 지질을 20%이상 생산하는 미세조류인 경우 영양염이 제한된 스트레스 조건에서 세포 내 에너지 대사를 전환하여 저장물질을 TAGs의 형태로 세포 내에 축적하는 기작인 반면, 지질함량이 10% 이하로 적은 몇몇 종은 영양염 제한 조건에서 성장억제 현상이 발생해 TAGs 대신 다당류를 축적하기도 한다. 이 외에 세포내 지질을 합성하는데 영향을 끼치는 환경요소로는 수온 및 태양복사량이 있다. 이는 지질구성 및 함량 등에 영향을 끼쳐 높은 태양복사량은 TAGs의 생성에 도움을 준다. 일반적으로 영양염 제한조건에서 태양복사량이 많을 경우 미세조류 체내에 회수된 탄소는 단백질 생성량을 줄이고 지방 또는 탄수화물 생성량의 증가로 기작 전환이 이루어진다. 하지만 영양염 제한조건에서 높은 지질 함량을 얻을 수는 있으나 상대적으로 바이오매스 생산성은 감소하게 된다는 점도 고려해야한다.



▲ 흔히 발견되는
미세조류 종들











극복해야 할 것들

_앞서 말했듯이 세계적인 바이오연료 바람이 불고 있지만 미세조류를 이용한 바이오디젤에 대해서는 아직 미개하다. 여느 바이오디젤이 그렇듯 미세조류를 이용한 바이오디젤 또한 극복해야 할 과제는 경제성이다. 바이오디젤은 세전가격이 경유를 조금 웃도는 수준으로 지속적인 조세감면이 필요하지만 정부의 재정 부담이 크다는 점에서 상용화의 걸림돌이 되고 있다. 미세조류는 육상작물보다 3.5~20배 높은 지질 생산성을 가지고 있지만 실험실을 벗어난 상용화 범위에서는 생산되지 못하고 있다. 전문가들은 미세조류 대량생산 및 연료화 공정이 저비용 구조로도 가능하지만 기술의 미성숙을 상용화되지 못한 이유로 꼽고 있다. 지금 미세조류를 이용한 바이오디젤에 필요한 것은 높은 생산성을 담보하는 여러 복합시스템과 생물생리학적 처리 기술의 동반이다. 또한 정부 및 기업의 장기적인 투자가 필요하다는 전망이다.



최근 다시보인 움직임

_미세조류의 높은 생산성을 담보할 수 있는 복합시스템 개발과 TAGs를 증가시킬 수 있는 생물생리학적 처리기술이 뒷받침 된다면, 미세조류 바이오디젤 성장은 급물살을 탈 것으로 예상된다. 하지만 95년 당시 원유의 가격에 비해 미세조류의 지질 생산단가가 상대적으로 높다는 이유로 미세조류 바이오디젤의 상용화는 한번 중단된 적이 있다. 원유 값이 지속적으로 오르고 원유가 고갈되면서 최근에서야 다시금 활발한 연구가 시작되고 있다.
 이에 미국은 에너지독립 및 안보실천(Energy Independence and Security Act, EISA)에 관한 법안을 만들고 신재생에너지 무혼합제도(Renewable Fuels Standard, RFS)를 이끌어냈다. 더불어 21억 갤런의 바이오연료 생산을 RFS의 세부목표로 두고 달성을 위해 바이오디젤을 포함한 바이오연료의 비전을 EISA로 보장하고 있다.





국내 미세조류 연구는?

_이러한 전세계적 흐름에 우리나라도 예외는 아니다. 우리나라는 전체 연료에너지의 96%를 수입하고 이중 82%를 중동국가에 의존하고 있다. 이에 우리나라도 신재생에너지 무혼합제도(RFS)를 적용해 2030년까지 신재생에너지의 사용량을 11%까지 확대하도록 계획하고 있지만 지금의 수준과 속도로는 매우 어려운 목표이다.
  한국해양과학기술원(KIOST)을 중심으로 2007년부터 해조류 바이오에탄올 연구가 시작되어 2009년부터는 미세조류를 이용한 바이오디젤의 연구가 본격적으로 시작되고 있다. 하지만 현재 국내 미세조류 연구에 지원되는 연구개발비는 신재생에너지 부분에서 조차 미미한 수준이며 부족한 기술의 혁신을 이룩할 정도의 지원이 이루어지지 않고 있어 아쉬움이 남는다.




도움주신 분_KIOST 강도형 연구원


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