‘에너지’는 인류가 삶을 지속하는데 없어서는 안 될 필수적인 요소다. 에너지를 만들어내는 데 있어 가장 큰 비중을 차지하는 것은 석유를 비롯한 화석연료지만, 자원의 고갈 문제뿐만 아니라 환경문제를 초래하게 되어 화석연료를 대체할 에너지에 대한 필요성이 전 세계적으로 대두되고 있다. 이에 태양광, 풍력, 조력 등과 함께 바이오매스를 기반으로 하는 바이오에너지가 새로운 대안으로서 각광받고 있는데, 이중 바이오에너지는 화석연료를 기반으로 구성된 현대사회의 인프라를 거의 그대로 이용할 수 있다는 큰 장점을 가지고 있어, 가까운 미래의 지속 성장을 위한 기저가 될 것으로 기대되고 있다.

최근 지속되고 있는 고유가와 화석연료 사용에 의한 환경오염 및 기후 변화에 따른 국제적인 환경규제가 강화되고 있는 상황에서 신재생에너지의 확보는 인류의 지속가능한 발전을 위해 반드시 해결해야 할 과제이다. 전 세계적으로 신재생에너지 개발 및 보급이 핵심 정책이 되고 있는 가운데, 최근 많은 대체에너지원 중 기존 인프라의 변화 없이도 화석연료를 대체할 수 있는 바이오에탄올은 현실성 있는 대안으로 거론되고 있다.

반면 지구상에서 가장 풍부한 천연자원인 초·목본류 식물체와 농·임 폐기물, 폐지 및 각종 건축 폐기물을 포함하는 섬유소계 바이오매스로부터 생산되는 제2세대 바이오에탄올 생산기술은 식량과 에너지, 그리고 기후변화 문제까지 긍정적인 영향을 끼치는 잠재력이 매우 큰 기술이다.

미래 대체에너지원의 현실성 있는 대안, 바이오에너지

전남대학교 바이오에너지연구소(배현종 교수)는 환경 친화적이며 지속 가능한 바이오매스 자원의 학술활동과 종합적인 연구를 통하여 오늘날 우리가 당면한 지구온난화, 에너지 위기, 환경문제 등에 능동적으로 대체하기 위해 고효율의 2세대 섬유소 바이오에탄올 생산기술개발 및 새로운 소재산업의 실용화를 촉진하고자 2007년 11월 설립되었다.

국외 8개 유수기관과 공동연구 및 MOU를 체결한 바이오에너지연구소는 실용화(응용 실용화 기술 개발), 생물화학공정(생물소재 및 생물공정 개발), 바이오테크(단백질 응용 기술 개발), 단백질(고활성 효소 개발), 식물공정(식물세포 활용 효소 대량생산 기술 개발) 등 5개의 연구팀으로 구성되어 있다.

배 교수는 “본 연구소는 국내 바이오매스 부존량 46%를 차지하는 농업부산물을 이용하여 바이오에탄올을 생산할 수 있는 전처리 기술, 고활성 셀룰로오스 가수분해효소 및 생산기술, 당화공정기술, 발효기술을 통해 pilot plant를 제작하고, 더불어 고효능 바이오매스 작물을 생산하는 기술을 개발하고 있다”며 “또한 농업 부산물로부터 다양한 의약학용 바이오활성 물질을 대량생산할 수 있는 원천기술을 개발해 농업 부산물의 이용가치를 극대화하는 연구를 동시에 수행함으로써 농업분야의 녹색성장을 주도하는 세계적인 연구소로 성장하고 있다”고 전했다.

바이오매스 이용한 바이오연료 및 바이오소재 개발 연구

제2세대 섬유소계 바이오매스는 제1세대(전분질계 및 당질계)와는 달리 매우 단단한 구조를 가지고 있어 바이오에탄올 생산을 위해서는 여러 단계의 공정을 거쳐야 한다. 제2세대 바이오에탄올 생산 기술은 가장 선도적으로 연구를 진행하고 있는 미국에서 조차도 pilot 연구 단계에 머무르고 있으며, 아직까지 상용화되지 못하고 있는 실정이다.

섬유소계 바이오매스를 이용한 바이오에탄올 생산은 그 중요성 때문에 세계 각국이 경쟁적으로 기술을 개발하고 있어 섬유소계 바이오에탄올 분야의 원천기술 개발과 경쟁력 확보는 매우 시급한 실정이다. 이에 전남대 바이오에너지연구소는 섬유소계 바이오매스로부터 바이오에탄올을 생산하기 위해 독자적으로 팝핑 전처리 공법을 개발하였다. 팝핑 전처리 공법은 비식량계 섬유소계 바이오매스(농업 폐기물, 폐목재, 감귤박)의 효소 당화 효율을 획기적으로 높이는 성과를 이루었으며, 그 결과는 국내외 특허로 등록하였고 다수의 논문을 바이오에너지 관련 학술지에 발표하였다.

또한 바이오에탄올 생산의 경제성 확보를 위하여 매우 중요한 요소인 효소당화 기술을 완성하기 위해서는 충분한 기초연구가 뒷받침 되어야 한다는 사실에 주목하여 우수효소개발기술, 효소 분자진화 기술, 효소 대량생산 기술, 효소의 분리정제 기술, 효소 칵테일 제조 기술, 효소 고정화 기술, 미생물 배양기술 등의 응용과학 기술들의 기초연구를 통한 노하우를 활용하여 다양한 섬유소계 바이오매스용 셀룰라아제 효소를 개발하였으며, 이렇게 개발된 효소들을 이용하여 대량 생산 기술개발을 연구하고 있다.

배 교수는 “이렇게 생산된 효소를 비식량 섬유소계 바이오매스를 이용한 바이오에탄올 생산에 이용하고 있다” 고 밝혔다.

생명공학 산업 기반 될 ‘비식량 섬유소계 바이오에탄올 생산기술’

배 교수는 “본 연구실에서는 분해능이 검증된 수 백 종의 바이오매스 분해 미생물과 세포벽 분해 효소 유전자를 확보하여 생산체계를 갖추고 있으며, 미생물을 이용한 효소 생산 기술뿐만 아니라 식물을 통해 산업효소를 대량생산 할 수 있는 원천기술을 국내특허와 국제특허(미국, 뉴질랜드, 중국, 인도)를 확보하고 있다”고 밝혔다. 또한, “BT 효소 생산기술에 NT기술을 새롭게 접목한 새로운 퓨전효소를 개발하는 연구를 지속적으로 수행하고 있으며, 국내에서도 바이오연료 생산 관련 셀룰라아제 효소뿐만 아니라 다양한 의약/산업효소 생산을 가능케 할 효소 생산기술의 개발에 관한 연구를 수행하고자 한다”는 포부를 밝혔다.

 바이오매스로부터 바이오연료 생산을 위해 필요한 효소를 생산·공급하기 위해서는 효소 대량 생산 통합 시스템 구축이 공정비용 절감을 위해 필수적인 요소로 꼽히고 있다. 따라서 생물공학 기술은 많은 연구비와 인력이 투자되는 것에 비해 산업화할 수 있는 기술 개발까지는 장기간의 연구 개발기간이 소요된다는 점을 감안한다면, 지금까지 축적된 연구역량을 통해 배현종 교수 연구팀이 개발하고 있는 비 식량 섬유소계 바이오매스부터 바이오연료 생산기술은 차세대 생명공학 산업의 기반 기술을 이룰 수 있을 것으로 기대되고 있다.