해양바이오에너지의 신세계에 도전하다

2013.05.03 11:07

지금 우리가 사용하는 에너지 대부분은 ‘화석연료’라고 부른다. 그중에서도 석유를 비롯하여 아스팔트, 플라스틱 등 다양하게 활용되는 원유는 바다의 플랑크톤과 같은 유기물의 사체가 천만년에서 수억 년 동안 퇴적되어 만들어졌다. 이들 화석연료가 점차 고갈되어가고 있다. 문제는 우리 생활이 화석연료인 석유기반의 사회로 굳어져 있다는 것이다. 많은 과학자는 사라져 가는 화석연료를 대체하기 위해 다양한 대체에너지를 연구하고 있으며 최근 가장 주목받는 에너지가 바로 해양바이오에너지다.


미국의 지구물리학자인 매리언 킹 허버트(Marion King Hubbert) 박사는 1956년 석유매장량 추정치와 석유생산 분석 에 관한 연구를 토대로 미국 내 석유생산량이 최대치에 이르 는 시기가 1966~1972년이 되리라 예측했고 이후 석유 매장량 부족을 예상했다. 1973년 발생한 제1차 오일쇼크와 맞물려 그 의 예상은 정확히 맞아떨어졌다.
허버트 박사의 피크 오일(Peak Oil) 이론에 의하면 2007~2010
년 사이가 석유 공급의 정점에 이르고, 그 생산량은 절대적으 로 감소한다고 한다. 이에 그동안 전 세계 석유회사들이 육상 에서 대규모 유전개발의 여러 장애에 따라, 첨단기술을 동원 해 심해유전을 찾아내는 방안을 연구했으나 최근 발생한 멕 시코만 원유 유출사고로 심해저의 유전탐사가 그만큼 어렵다 는 것을 확인하는 데 그쳤다. 이는 ‘포스트 석유시대’의 대비 를 늦춰서는 안 되는 이유를 알려주기에 충분했다. 가용 화석 연료 매장량은 한정되어 있는데 세계 각국의 원유 수급량은 상대적으로 증가하고 있는 것도 문제다.
또한 최근 들어서 화석연료의 사용이 온실가스 축적 및 심각 한 기후환경변화로 증폭되어 세계 경제활동 및 인류가 해결 해야 할 당면 문제로 나타나고 있다. 이러한 문제점들을 타계 해 나가고자 2007년부터 미국을 중심으로 에너지독립 및 안 보에 관한 법안이 만들어져 운영되고 있다. 이를 통해 강력한 신재생에너지 의무할당제도와 신재생에너지 의무혼합제도 등을 이끌어낼 수 있었다. 현재 미국은 육상 식량자원인 옥수 수 등을 이용하여 바이오에탄올 21억 갤런을 생산하고 있다.
옥수수 및 초본류와 같은 1, 2세대 육상식물 기반의 셀룰로스 계 바이오에탄올은 신재생에너지 목표달성에 중요한 역할을 하지만 식량 가격 상승이라는 윤리적 문제에 봉착해 있다.
원유의 정유과정을 통해 얻는 물질들을 이용해 우리가 얻고 있는 혜택은 식품분야를 제외하고는 대부분의 산업 분야에 적용되고 있다. 그러므로 석유기반 사회를 유지하면서 원유 를 대체할 수 있는 혁신적인 대체원료 또는 재생가능원료를 확보할 수 있을 것이냐는 질문은 미래가 아닌 현실이 되어 버 린 것이다. 현재까지 나온 해답 중에 가장 유망한 바이오매스(biomass)는 조류(algae)를 이용한 방법이다.


미세조류 유래 오일 생산의 장점
최근 전 세계적으로 이러한 목표들을 달성하기 위해 가장 주목받고 있는 대체에너지 원으로는 단연 조류(藻類, algae)를 이용한 제3세대 바이오연료다. 조류는 대형해조 류(macro-algae)와 미세조류(micro-algae)로 크게 나뉘는데 이 중에서도 미세조류의 지질 성분이 에너지 자립국의 목표를 실현하고자 하는 국가들의 주요한 원료로 평가 받고 있다. 미세조류 재생가능에너지의 생산 개념은 태양에너지, 물, 이산화탄소를 이용한 광합성이 화학에너지로 전환되는 아주 단순한 생물 작용을 기본으로 한다.
그러므로 미세조류 유래 재생가능에너지는 현재 우리가 쓰고 있는 화석연료와는 원 료 측면에서는 같다고 할 수 있으나, 시간적 생산 개념에서는 미세조류 바이오연료 의 생산성이 매우 높다고 볼 수 있다.
미세조류는 광합성을 하는 단세포생물들을 통칭하는 말로서, 육상식물들보다 매우 효율적이고 빠르게 바이오매스를 생산할 수 있는 다양한 종류의 광합성 생물들로 구 성되어 있다. 그 중에 몇몇 종들은 바이오매스의 50% 이상을 지방으로 생산할 수 있 으며, 더불어 이 지방의 많은 부분은 바이오디젤의 원료인 중성지방(triacylglycerols)이 될 수 있으며, 이 중성지방은 에너지 밀도가 높은 바이오디젤, 그린 항공기 연료 및 그린 가솔린 등의 연료가 되는 원료 소재로 기대를 모으고 있다. 전 세계적으로 미 세조류 바이오연료에 대한 투자가 확대되고 있는 이유를 정리하자면 다음과 같다.
우선 석유연료와의 유사성을 들 수 있다. 특정 미세조류들은 현재 우리가 사용하고 있는 석유와 분자 구조가 유사한 오일을 자연적으로 생산하기에 가솔린, 디젤 등의 석유 연료 대체가 가능하다. 또한 미세조류를 통한 연료생산은 기존 기본시설을 활 용할 수 있기 때문에 시설 투자에 투입되는 막대한 인프라 시설비가 불필요하다. 게 다가 상업적 대량생산이 가능하다. 미세조류는 이미 약 5종에 대해서 상업적으로 사 용할 수 있을 정도의 대량 생산의 기반을 마련했으며, 다른 육상 바이오매스에 비해 빨리 자라기 때문에 그 생산량 또한 3~8배 높은 것으로 파악되고 있다. 이뿐만 아니 라 미세조류는 탄소 배출 절감 전략에 맞는 최적의 바이오매스다. 미세조류 바이오 매스는 광합성을 통해 에너지원을 생산하기 때문에 이산화탄소를 1:1.8 비율로 흡수 하여 온실가스를 저감하고 산소, 오일 및 고부가 물질 등 유용한 물질을 생산해 환경 적으로 대단히 유익하다. 마지막으로는 세계 식량난의 영향을 최소화할 수 있는 원 료라는 점을 들 수 있다. 유엔에서 바이오연료 사용을 목적으로 옥수수, 콩, 사탕수 수 재배를 확대할 경우 곡물 생산이 감소하여 식량가격 상승으로 빈곤국이 피해를 당할 가능성이 무수히 지적됐음을 상기할 때, 비 식량자원인 미세조류 기반 바이오 연료가 세계의 식량난에 영향을 주지 않는다는 점은 큰 의의를 갖는다.


현황 및 미래
한국해양과학기술원은 2011년 3월에 40톤급 미세조류 바이오연료 실증실험장을 준 공하고, 바다와 강 등에 서식하는 미세조류 중 지방과 탄수화물 함량이 높은 10여 종의 미세조류들을 고밀도로 배양해오고 있다. 이 시설을 이용하면 연간 약 600리터 의 바이오디젤을 생산할 수 있다.
지난 2011년 6월에는 본격적인 공동연구를 통한 미세조류 배양 및 대규모 생산단지 착공을 추진하기 위해 롯데건설, 애경유화, 호남석유화학과 함께 ‘미세조류 바이오 디젤 공동연구협력 파트너십 결성을 위한 양해각서 체결식’을 가졌다. 이에 따라 앞 으로 롯데건설은 미세조류 대량생산을 위한 최적화 시스템 설계 및 시공기술개발, 애경유화는 미세조류 응용 바이오연료 제조기술개발 및 미세조류의 유효 화학성분 을 응용한 바이오 화학제품의 제조기술개발, 호남석유화학은 미세조류 수확 기술, 유용물질 추출 기술 및 정유 관련 기술개발에 협력할 예정이다. 한국해양과학기술 원과 참여기업들은 바이오연료와 고부가 물질을 포함하여 3천억 원 이상의 수익을 창출할 수 있는 10ha급 생산단지 완성을 목표로 하고 있다.
2009년부터 진행된 연구사업의 주요 내용으로는 해양 조류 탐색 및 생육조건 개량, 유전자분석을 통한 미세조류의 규명, 바이오에탄올 생산 수율 향상용 분해효소 생 산과 적용, 미세조류의 대량/연속배양이 가능한 공정 최적화 및 Scale-up, 바이오연 료 생산을 위한 공정개발 및 최적화 등이 있다. 주요 연구결과로서는 세계 최고수준 의 해조류 바이오에탄올 전처리 및 발효기술 개발과 국내 최초 미세조류 바이오디 젤 생산기술을 검증한 것이다. 이후의 주요 사업내용으로는 미세조류 대량생산 검 증, 바이오연료 경제성 요인 검증, 복합공정 적용 생산 연구 등이 있다. 연구사업의 주요 결과로서는 해조류 바이오에탄올 생산기술 국제특허 등록(미국, 일본) 및 중 국 출원, 4종의 미세조류 기반 바이오디젤 추출 기술 개발 및 특허 등록, 국내 최초 10톤급 대량생산 체계 확립, 배양액 리터당 100원 이하의 배양 배지 개발, 바이오에
탄올 당화용 신규 효소 유전자원 30여 개 확보, 파일럿플랜트 시스템 및 시설 설계 등이 있다. 또한 유체역학적 수치모델 기반의 설계를 통한 20톤급 2기의 미세조류 대량 배양시설 구축, 대기업(롯데건설, 애경유화 및 호남석유화학)과의 공동연구협 력 MOU 체결, 대량배양 시설로부터 미세조류 배양 장기 모니터링을 통한 성장률, 일반성분 및 생리활성성분 변화를 정량적으로 분석, 전처리 해수를 이용한 저가의 맞춤형 미세조류 배양 배지 개발, 지방 변환 및 당화 효소 관련 유전자원 다량 획득(지방변환 관련 효소 18개, 당화 관련 효소 189개), 해조류 고압균질 전처리 공정 도 입을 통한 당화물 수율 증대, 해조류 가수분해물로부터 에탄올 생산성 증진 등을 들 수 있다.
전 세계 에너지 수요는 갈수록 증가하고 있으며, 새로운 에너지원에 대한 개발의 중 요성도 함께 높아지고 있다. 대체 에너지 개발이 향후 기업의, 그리고 국가의 경쟁 력을 가늠하는 잣대가 될 것이라는 보고 또한 각 분야에서 활발히 제시되고 있다.
허버트 박사의 ‘피크 오일 이론’을 빌리지 않더라도, 현재 우리가 전 세계 에너지 정 책의 대변혁기에 있음은 쉽게 파악할 수 있다. 모든 변화기는 ‘위기’와 ‘기회’를 동반 한다. 미세조류 바이오연료 개발에 더 큰 힘을 쏟아 지금 이 대변혁기를 국가경쟁력 향상의 중요한 ‘기회’로 삼아야 할 것이다.


강도형 한국해양과학기술원 해외생물자원연구센터 선임연구원

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