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미세조류와 규조, 신소재 에너지원으로 급부상
등록일 : 2018-07-18 17:54 | 최종 승인 : 2018-07-18 17:54
심현영
▲해안가를 따라 조류로 덮인 바위들 (출처=픽사베이)

[메디컬리포트=심현영 기자] 조만간 광합성 해양 유기체를 재생 가능한 에너지원으로 사용하게 될 것으로 보인다. 또한 규조와 미세조류에 대한 연구가 기술 및 여러 응용 분야에서 성과를 거둬 이 수중 미생물을 사용해 만든 천연 제품을 개발할 전망이다.

조류, 에너지로 활용

규조는 지구상에서 가장 중요한 산소 합성기 중 하나이자 바다에서 생산되는 주요 바이오매스 자원으로, 수백만 년 동안 생태계에서 결정적인 역할을 해왔다.

이전에 규조는 학계에서 거의 제한적인 분야였다. 현재는 ▲이산화탄소를 배출하지 않는 연료 ▲의약품 ▲건강식품 ▲생체 분자 ▲나노기술 관련 재료 ▲생물적 폐수 환경정화물질 등 상업 및 산업 응용 분야에서 유용한 존재가 됐다.

또한 모델 생물의 게놈 프로젝트뿐만 아니라 배양 조건, 광생물반응기의 효능 같은 규조 분자 생물학 기술이 개발되면서 가까운 미래에 규조를 신물질원으로 만들 것으로 보인다.

수많은 유기체를 사용해 가치 있는 천연 제품을 개발하면서 미세조류도 지난 수십 년 동안 점차 인기를 끌고 있다. 특히, 지방질 함유량이 높은 일부 종은 현재 바이오 디젤 산업에서 관심을 받고 있다.

수년 전부터 나타난 응용 분야도 재조합형 단백질의 표현 플랫폼으로써 미세조류를 사용하고 있다. 또한 치료제와 백신, 보충제 생산과 관련된 여러 프로젝트를 통해 새로운 저가의 표현 플랫폼으로써 미세조류의 사용 잠재력을 증명한다.

헴펠 박사는 규조의 일종인 '페오닥틸럼 트리코뉴튬'을 항생제나 백신 같은 치료 단백질 생산을 위한 생물반응장치와 바이오플라스틱 PHB 등 중합체로 표현했다.

미세조류는 다양한 바이오기술 응용분야에서 대단한 잠재력을 가졌으며, 바이오연료 부문에서 관심을 받고 있다. 그러나 미세조류를 재조합형 단백질 생산의 표현 시스템으로써 사용하려는 발상은 아직도 과소평가되고 있다.

미세조류는 빠른 성장 속도와 진핵생물의 표현 시스템의 모든 장점을 결합하고 있다. 특히 태양열 동력을 사용한 약학 단백질의 저가 생산에 뛰어난 잠재력을 제공한다.

헴펠 박사는 "규조에는 지질과 규산염이 풍부하기 때문에 이미 바이오기술 분야에서 사용하고 있다"며 "복잡한 분자와 생물학적 활성물질, 원재료를 합성하기 위해 규조에 생화학적 경로를 삽입하거나 변경해 나노기술 산업과 재생 가능한 바이오 연료의 생산에서 여러 방법으로 응용할 수 있다"고 밝혔다.

B바이오에너지 과학센터도 바이오연료 생산 도중 목질계 바이오매스 형성 및 해체를 이해하는 데 중점을 두고 있다. 바이오매스 문제를 극복할 수 있는 토대를 제공하기 위해서는 식물 세포벽 구조와 효과적인 해중합 및 발효의 생물학적 메커니즘을 깊이 이해하는 것이 필요하다.

화석 연료 대체물

화석 연료 대체에 관한 연구에 따르면, 조류 공급원료는 재생 및 지속이 가능한 특징을 가지고 있다. 특히 재생 가능한 연료를 제공할 수 있는 경제적 신뢰성 때문에 적합한 대체물로 부상 중이다. 바이오매스 혹은 조류 공급원료는 재배하기가 쉽고, 세계적으로 증가하고 있는 교통 연료 수요에 부응할 수 있는 역량을 가졌다.

글로벌조류이노베이션(GAI) 데이브 헤이즐벡 CEO는 GAI의 혁신적인 지속 가능한 에너지 개발법에 대해 "당사가 개발한 연료는 가솔린이나 디젤의 성능과 정확히 동일하다"며 "또한 깨끗한 것이 타 바이오연료와 다른 점"이라고 설명했다.

헤이즐벡 CEO는 GAI가 현재 생산되고 있는 석유와 식품의 판도를 완전히 바꿔놓을 것이라고 믿고 있다. 조류는 바이오연료를 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 동물 사료도 만들 수 있다. 현재 대부분의 동물과 어류의 사료는 옥수수나 콩으로 만들고 있다. 하지만 옥수수와 콩을 재배할 때 조류보다 많은 물과 에너지가 사용된다.

한편, 조류로 사람이 먹을 수 있는 식품도 만들 수 있다. 노스캐롤라이나에 위치한 뉴웨이브푸드는 진짜 새우처럼 보이고 같은 냄새와 맛이 나는 조류와 다른 식물을 사용해 가짜 새우를 만들었다. 이 제품은 조류로 만들어 지방 함량이 낮고 옥수수와 콩에는 없는 영양소가 풍부해 새우의 대체물이 되고 있다.

하지만 이 회사가 겪고 있는 문제 중 하나는 비용이다. 글로벌조류이노베이션이 출범 당시 조류로 만든 석유 1갤론은 약 30달러(약 3만 4,000원)으로, 화석연료 대체제로 사용하기에는 비용이 10배나 높았다.

그러나 헤이즐벡 CEO와 연구팀은 포기하지 않았고, 비용을 줄일 수 있는 해결책을 고안했다. 그 결과 현재 조류 오일 가격은 1갤론 당 2~3달러(약 2,600~3,400원) 선이다.

수십 년 동안 진행된 생태계 연구를 통해 식물과 동물계는 평균적으로 생산성이 높고, 환경적 변동이 발생해도 비교적 안정적이며, 해충과 질병에 내성이 좋은 것으로 확인됐다.

따라서 바이오플라스틱은 자원에 대한 실현 가능한 대체제가 될 수 있다. 그것은 화석 연료를 재료로 사용하고 있지 않기 때문에 쉽게 생분해된다. 그러나 이제까지 석유 유도 중합체의 생산 비용이 생분해성 대체제보다 낮아서, 환경친화적인 대체제의 개발 및 판매에 방해가 되고 있다.

미시건대학 연구진은 80여 개 인공 호수에서 담수 조류종을 혼합 재배했다.

그리고 연구진은 복작(같은 시기, 한 토지에 두 가지 이상의 곡식이나 채소를 심는 것)으로 알려진 다양한 조류종의 혼합 재배 방법을 사용해 단일종보다 높은 수준의 성과를 냈다. 하지만 복작으로는 바이오매스를 생산할 수 없다는 사실을 알게 됐다.

케이지 고드윈 박사는 "이 결과는 지속 가능한 바이오연료 시스템 디자인의 핵심이다. 단일 재배는 단기간 조류 생산을 극대화할 수 있는 최적의 선택인 반면, 복작은 장시간 동안 안정적으로 수확할 수 있는 방법"이라고 설명했다.

연구진은 이번 연구에서 조류를 가연성 석유 또는 바이오크루드로 전환하기 위해 열수액화 방법을 사용했다. 이는 바이오디젤 같은 차량용 연료로 정제할 수 있다.

고드윈 박사는 "우리는 처음 실험실에서 여러 가지 조류 배합을 평가했다"며 "이후 최고의 성과를 내는 것을 선택해 여러 기후와 해충, 질병, 기타 요인에 노출했다"고 밝혔다.

조류 바이오매스를 바이오연료 생산의 공급원료로 사용하는 고전적인 접근 방법에서는 지방질을 추출해 바이오디젤 또는 재생 가능한 디젤·제트 연료로 업그레이드했다. 미세조류 바이오매스는 올바른 재배 조건 하에서 50% 이상 지방질을 함유할 수 있어 이러한 과정에 적합했다.

그러나 이렇게 높은 지방질 함유량에서 바이오매스의 50% 가량(주로 단백질과 탄수화물)이 낭비되고 있었다. 또한 잔여 바이오매스는 바이오정유에 필요한 열과 전력을 생산하고 연못으로 돌려보낼 영양소를 재활용하는 수단을 제공하는 바이오가스로 전환하기 위해 혐기성 온침기로 전달된다.

이 과정을 통해 열과 전력에 필요한 화석 연료량을 줄이는 과정을 개선했지만 바이오가스는 저렴하고 쉽게 이용 가능한 천연가스보다 경쟁력이 없다.

조류 유도 바이오원유는 화석연료에 대한 잠재적인 재생 가능한 에너지로 연구 중이다. 조류는 빠르게 성장하고 바이오석유로 전환할 수 있기 때문에 옥수수 같은 농작물보다 적은 농업 면적에서 더욱 많은 연료를 생산할 수 있는 잠재력을 가졌다.

그러나 대규모 실외 재배 연못에서 다량의 미세 수중식물을 상업 규모로 재배하기에는 아직 진행 상황이 느리다는 문제점이 있다.

바이오연료 및 여러 응용분야

엑슨모빌리서치앤엔지니어링컴퍼니는 대규모로 바이오연료 생산을 구상 중이다.

7년 동안 유전자 편집 기술 및 조류 경작 기술을 발전시킨 이 회사는 기술적으로 하루에 조류 바이오연료를 1만 배럴을 생산할 수 있다고 판단했다. 원유 생산에 비해 적은 양이지만, 곧 하루에 1,100만 배럴을 생산할 것으로 전망한다.

신세틱게노믹스 올리버 페처 CEO는 "목표는 지속 및 재생 가능한 바이오연료를 얻어 가격 경쟁력을 갖춘 상품을 개발하는 것"이라고 밝혔다.

한편, 바이오연료를 사용하는 트럭은 여전히 온실가스를 배출지만, 조류는 화석연료와는 달리 CO2를 빨아들이기 때문에 탄소를 중화할 것으로 판단된다.

조류를 사용한 응용 분야는 식품과 제품, 연료, 에너지 등을 통해 매일 개발되고 있다. 또한 조류 유도 바이오연료는 농작물로 생산한 바이오연료와 달리 환경과 식품 공급에 어떤 영향도 미치지 않는다.

▲실험실에 있는 조류 바이오연료 (출처=셔터스톡)

[메디컬리포트=심현영 기자]

[메디컬리포트=심현영 기자]

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