[알아봅시다] 바이오연료 만드는 `미생물공장`

신재생에너지를 먼 미래의 일로 생각하기 쉽지만 바이오연료는 이미 일상생활에서 조금씩 사용되고 있습니다. 바로 버스와 트럭 등 중·대형차에 들어가는 바이오디젤입니다. 수도권의 대기오염이 심각해지면서 환경부에서는 2002년부터 전국 주유소에서 'BD5(경유에 바이오디젤 5% 혼합)'를 의무적으로 사용하도록 했으며 2020년까지는 바이오디젤 혼합률을 7%까지 끌어올릴 신재생에너지를 먼 미래의 일로 생각하기 쉽지만 바이오연료는 이미 일상생활에서 조금씩 사용되고 있습니다. 바로 버스와 트럭 등 중·대형차에 들어가는 바이오디젤입니다.

수도권의 대기오염이 심각해지면서 환경부에서는 2002년부터 전국 주유소에서 'BD5(경유에 바이오디젤 5% 혼합)'를 의무적으로 사용하도록 했으며 2020년까지는 바이오디젤 혼합률을 7%까지 끌어올릴 계획입니다. 경유에 바이오디젤을 20% 혼합한 'BD20'은 일부 지자체와 군부대에 시범 공급되고 있습니다.



◇바이오연료, 기존 연료와 성분 같아야= 시범적으로 쓰이는 수준을 넘어 기존 화석연료를 대체할 수 있을 정도로 실용화되려면 바이오연료에 두 가지 조건이 필요합니다.

첫째, 현재 쓰는 연료와 같은 성분이어야 합니다. 바이오매스에서 많이 나오는 에탄올은 부식이 잘 되고 물을 흡수하는 성질이 커서 내연기관에 사용하기 어렵습니다. 뿐만 아니라 연료를 옮기고 보관하는 기반시설과도 어울리지 않습니다. 기존 인프라와 내연기관을 교체하지 않고도 바이오연료를 섞어서 사용하려면 가솔린이나 디젤처럼 현재 쓰는 연료와 동일한 성분을 가진 탄화수소를 만들어야 합니다.

둘째, 비식용자원으로 만들 수 있는 바이오연료를 개발해야 합니다. 바이오연료는 옥수수나 사탕수수로 만든 바이오에탄올과 대두나 유채로 만든 바이오디젤이 가장 잘 알려져 있습니다. 하지만 식량자원을 낭비한다는 지적과 함께 국제 곡물가격 폭등 원인으로 지목받으면서 재생 가능한 초본, 목재, 농업폐기물 등 비식용 목질계 바이오매스 자원을 활용하는 연구가 주목받고 있습니다. 이 두 조건을 고려해 목질계 바이오매스로 화석연료와 동일한 성분의 탄화수소를 생산할 수 있다면, 바이오연료 대량 혼합이 가능하고 현재의 내연기관과 인프라시설을 그대로 이용할 수 있습니다.

◇'미생물 바이오공장'으로 바이오연료 생산= 목질계 바이오매스로부터 바이오연료를 생산하려면 먼저 수증기, 산, 알칼리 등을 이용해 전처리 과정을 거쳐야 합니다. 그런 다음 '당화 과정'을 통해 셀룰로스를 단당류로 분해해야 합니다. 이렇게 분해된 단당류를 기존 연료성분과 동일한 탄화수소로 만드는데, 야생에서 얻은 미생물들은 이런 탄화수소를 생산할 수 없기 때문에 대사공학을 이용합니다.

대사공학은 미생물이 호흡하면서 자연스럽게 영양분을 분해하고 우리에게 필요한 화학물질을 생산하도록 하는 기술입니다. 이런 생물학적 공정을 '미생물 바이오공장'이라 부릅니다.

미국 조인트바이오에너지연구소의 키슬링 교수팀은 식물 대사산물인 '파네신'과 '비사볼린'을 생산하는 미생물을 개발하는 데 성공해 벤처 기업인 아미리스사와 함께 탄화수소를 생산하는 미생물 바이오공장을 만들고 있습니다.

국내에서는 KAIST 이상엽 교수팀이 가솔린, 디젤, 항공유의 구성 성분인 '알칸'을 만드는 미생물 균주를 개량해 가솔린을 생산하는 미생물을 개발하는 데 성공했습니다. KIST의 청정에너지연구센터도 인도네시아 현지 비식용 바이오매스의 일종인 팜오일 부산물을 이용해 탄화수소를 생산하는 인공미생물을 개발하는 데 박차를 가하고 있습니다.



◇글로벌기업·정부 과감한 투자=비식용 바이오매스로부터 대체연료와 석유화학 제품을 생산하려는 연구들이 실용화로 이어질 지 의심하는 시선도 있습니다. 우선 경작지가 제한돼 바이오매스 확보에 한계가 있다는 것입니다. 대안으로 목질계 바이오매스가 있으나, 구조가 복잡해 효소나 화학약품으로 분해하기 어렵습니다. 게다가 최근 등장한 셰일가스는 목질계 대체에너지 시장 전체에 타격을 주고 있습니다. 셰일가스 등장으로 원유와 가스 가격이 절반 이하로 떨어지면서, 미국 환경보호국에서도 바이오에탄올 의무 사용량을 16%나 감축시켰습니다.

반면 실용화 가능성을 높게 점치는 견해도 있습니다. 우선 미국과 유럽, 일본 정부 모두 바이오에너지 연구개발에 막대한 투자를 하고 있습니다. 미국 대부분 주에서는 이미 2005년부터 E10(에탄올을 10% 혼합한 가솔린) 사용을 의무화하고 있습니다. 유럽은 2007년부터 7년간 바이오연료 개발에 투자한 비용이 505억유로(약 75조원)에 이릅니다. 일본은 '자원 순환형 사회'를 구축한다는 목표로 폐기물의 80%를 재사용하고 미사용 원료의 25% 이상을 재활용하고 있습니다.

더불어 최근 혁신적 기술들도 개발되고 있습니다. 바이오연료 생산의 핵심인 발효 공정, 즉 새로운 미생물을 개발하는 연구가 최근 10년 사이 폭발적으로 늘어나고 있습니다. 발효 전처리를 연구하는 촉매화학공정 기술과 유전자조작 식물 및 미생물의 유전체와 관련된 기초연구도 활발합니다. 미국 바이오연료 회사 제보와 미국 1위 화학회사인 듀폰 등 글로벌 기업들도 연구 개발에 과감히 투자하고 있습니다.

이처럼 세계적인 대기업들이 바이오연료 연구에 앞다퉈 뛰어들고, 각국 정부 역시 대체연료 개발을 지원하고 있어 향후 시장이 더욱 커질 전망입니다. 과감한 투자와 혁신적인 기술개발이 뒷받침될 경우, 2022년까지 360억갤런의 바이오연료를 생산할 수 있을 것으로 기대됩니다.

백나영기자 100na@dt.co.kr

도움말=한국과학기술연구원(KIST)