 지구온난화 주범 이산화탄소의 환골탈태 항산화 물질 ‘카로티노이드’로 전환 성공 한국에너지기술연구원(이하 에너지연) 광주친환경에너지연구센터 이수연 박사 연구진이 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 항산화 및 항암효과를 지닌 ‘카로티노이드(carotenoid)’로 전환하는데 성공했다. 연구진은 이산화탄소 흡수제를 활용해 낮은 용해도 문제를 해결하고, 고부가 물질 생산성도 향상시켰다. 이 연구는 유럽화학회가 발행하는 화학 분야 세계적 학술지인 「캠서스캠(ChemSusChem)」에 게재되었고 특허등록도 마쳤다.
정리 편집부 제공 에너지연
탄소중립을 실현하기 위해서는 산업활동을 통해 배출된 이산화탄소를 흡수하여 처리해야 하며, 이를 위한 수단으로 이산화탄소 포집·활용·저장(CCUS) 기술개발의 필요성이 대두되고 있다. 이산화탄소를 에틸렌, 프로필렌 등 고부가 화학물질로 전환하는 기술은 탄소 감축과 더불어 산업에 활용 가능한 제품을 생산할 수 있다는 점에서 탄소중립 실현의 핵심기술로 부각되고 있다.
전해액에 흡수제 녹여 이산화탄소량 증가 최근 유망한 이산화탄소 전환 기술로 미생물전기합성(Microbial Electrosynthesis1)을 통한 화학물질 생산 기술이 주목받고 있다. 미생물전기합성은 주로 미생물이 포함된 물을 전해액으로 만들고, 전해액에 이산화탄소를 녹여 미생물의 양분으로 활용하는 방식을 사용한다. 하지만 미생물이 성장하는 상온·상압 환경에서는 이산화탄소가 물에 녹는 양이 매우 적어서 미생물의 양분 부족이 발생하고 최종 전환되는 물질의 생산성이 떨어지게 된다.
이를 해결하기 위해 연구진은 이산화탄소 흡수제인 모노에탄올아민(C2H7NO)을 전해액에 녹여 미생물 ‘로도박터 스페로이드(Rhodobacter sphaeroides)’를 활용할 수 있는 이산화탄소의 양을 증가시켰다.
이를 통해 미생물의 이산화탄소 소모량을 늘리고(5% 이산화탄소 주입, -0.6V(Ag/AgCl 기준전극 대비) 전압인가 조건) 에너지 생산과 생장, 대사활동도 함께 촉진하여 전환되는 물질의 생산 효율을 높였다. 미생물 세포 내부에서 탄소 사슬이 긴 화학물질을 만들도록 유도해 기존 음극 전해액 기술(4.6 mg/L)과 비교해 동일한 전압조건에서 3.9배의 생산성(18mg/L)과 4.5배 이상의 페러데이 효율을 달성했다.
이산화탄소 농도 높여 생산성 4배 향상 연구진은 전환 물질의 범위도 넓혔다. 기존의 미생물전기합성 기술이 낮은 이산화탄소 농도로 인해 부탄올, 에탄올 등 낮은 탄소수를 지닌 물질을 생산하는 반면, 연구진의 기술을 이용하면 높은 탄소수를 지닌 카로티노이드를 생산할 수 있다. 세포의 노화를 억제하는 효능으로 화장품, 보충제 등에 활용되는 카로티노이드는 전통적으로 미생물 발효를 통해 생산되는데, 안전성과 원료 수급 등의 문제로 제한적인 생산만 가능했다.
또 카로티노이드는 40개의 탄소원자로 구성돼있어 미생물이 다량의 이산화탄소를 섭취해야 생성할 수 있다. 연구진은 높은 이산화탄소 농도를 통해 기존 기술 대비 생산성을 약 4배 향상시킴으로써 미생물전기합성 분야에서도 카로티노이드 생성을 가능하게 했다.
이는 기존 바이오매스에 기반한 바이오 연료, 바이오 화학물질, 고부가 바이오 소재 생산을 위한 생물공정의 한계를 극복하는 기술로, 이산화탄소를 직접 전환하여 온실가스 저감 관련 연구개발 분야에 큰 파급효과를 가져올 수 있을 것으로 기대된다. 또한 습식아민을 기반으로 한 음극전해액이 적용된 미생물전기합성 반응 최적화를 통해 이산화탄소를 포함하는 산업체 발생 부생가스 등을 고부가 소재로 전환하는 생물공정 기술의 구현도 가능해질 것으로 기대를 모으고 있다.
과학기술정보통신부 원천기술개발사업 ‘목질계 바이오매스의 통합 e-Biorefinery 기술개발’의 지원을 받아 수행된 이번 연구성과는 유럽화학회가 발행하는 화학 분야 세계적 학술지인 「켐서스켐(ChemSusChem, IF 8.4)」(’24. 1. 29)에 게재됐으며, 특허등록을 마쳐 원천기술도 확보되었다.
연구자와의 인터뷰 Q. 연구를 시작한 계기나 배경은 A. 산이 많고 영토가 좁은 지형적 특성을 가진 우리나라는 바이오 리파이너리의 원료물질인 바이오매스 확보에 불리하다. 또한 기존의 생물학적 이산화탄소 전환은 광합성을 통해 생산된 유기물 또는 바이오매스를 당화과정 후 미생물 발효를 거쳐 바이오연료 또는 화학물질을 생산하는 방식으로 복잡한 생물공정을 거쳐야 한다. 이에 새로운 방법으로 이산화탄소를 직접 탄소원(먹이)으로 활용해 성장할 수 있는 미생물에 환원력을 제공해주는 미생물전기합성 바이오융합기술을 바이오 리파이너리에 적용하게 되었다.
Q. 연구 전개 과정은 A. 현재 미생물전기합성 반응은 물 기반의 음극전해액에서 가스 형태로 주입되는 이산화탄소를 미생물이 먹이로 사용해야 한다. 하지만 이산화탄소를 전해액에 녹일 수 있는 양이 매우 적어 화학물질의 생산 효율이 떨어진다. 본 연구진은 음극전해액에 생체적합성 습식 이산화탄소 흡수제인 모노에탄올아민(MEA)을 첨가하여 미생물전기합성 반응에서 이산화탄소 전환율을 향상시키고 미생물의 성장을 촉진시켰다. Q. 연구 시 어려웠던 점은 A. 미생물의 성장과 생산효율을 향상시키기 위해서는 먹이가 되는 이산화탄소의 물질전환(mass transfer) 문제를 개선하는 것이 필요했다. 이를 위해 미생물전기합성 반응기의 음극 전해액에 이산화탄소 가스를 주입하는 투입구(스파저)를 개선하거나, 고농도의 가스를 주입하는 방법도 고려하였으나, 음극전해액에 녹는 이산화탄소의 양은 여전히 향상되지 않았다. 그래서 본 연구진은 기존에 이산화탄소 흡수제로 사용되고 있는 화학물질 중 미생물 성장에 독성을 유발하지 않는 물질들을 고려하였으며, 그중에서 생체 친화성이 있는 습식 이산화탄소 흡수제인 모노에탄올아민(C2H7NO)을 사용했다.
Q. 이번 성과의 차별점은 A. 기존의 방법은 대부분 당(sugar)을 원료물질로 사용하여 생산했다. 그러나 본 연구진은 수입에 의존하는 당을 원료물질로 사용하는 대신, 이산화탄소를 투입해 카로티노이드를 생합성했다. 이 과정에서 미생물 세포에 필요한 환원력을 전극으로부터 제공하는 미생물전기합성 기술을 적용했다.
Q. 앞으로의 목표나 후속 연구계획은 A. 미생물전기합성 반응 최적화 및 규모 확장(반응기 scale-up)을 통해 본 반응의 실용성을 확대해 갈 예정이다. 또한 미생물 촉매에 대사공학을 적용해 미생물전기합성반응에서 이산화탄소 직접전환을 통해 생산하는 제품군을 산업적으로 유용한 고부가 바이오 활성소재(생리활성물질, 카로티노이드(베타카로틴, 라이코펜 등), 바이오연료(바이오항공유) 및 바이오폴리머로 확대해나갈 예정이다.
1) 전기를 전달하는 전극과 고부가가치 화학 물질을 합성하는 특수 미생물로 구성돼 미생물이 전극으로부터 받은 전자를 에너지로 활용해 이산화탄소를 고부가가치 화학물질로 전환하는 방식
<Energy News>
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