본문으로 바로가기

산업동향

바이오유래 화학산업, 도전은 많지만 미래는 밝다.

  • 등록일2015-05-06
  • 조회수5636
  • 분류산업동향 > 제품 > 바이오의약

출처: 한국바이오안전성정보센터(KBCH) 『바이오화학산업동향(TWB)』

 

 바이오유래 화학산업, 도전은 많지만 미래는 밝다.

 

[2015-04-05] 바이오 유래 화학산업이 약진하고 있다. 그러나 충분한 원자재 확보 등 해결해야 할 도전들은 여전히 남아 있다. 최근 미국의 국책연구기관인 국립연구회의(NRC: National Research Council)는 바이오 소재를 이용한 화학물질 산업의 미래에 대해 대단히 긍정적인 보고서를 냈다. 보다 빠른 속도로 시장이 확대될 것이라는 내용이다. Biofuels Digest에 실린 보고서의 일부 내용을 번역 정리했다. <편집자 註> 

워싱턴에 있는 NRC 산하의 전미과학아카데미(National Academies)가 최근 “생물학의 산업화: 첨단 화학물질의 생산을 가속화 시킬 수 있는 로드맵(Industrialization of Biology: A Roadmap to Accelerate the Advanced Manufacturing of Chemicals)”이라는 제목의 보고서를 발간했다. 여기에는 지속적인 성장, 그리고 생산비용 절감을 위해 지향해야 할 목표와 과제, 충고, 그리고 결론을 포함하고 있다.

바이오 화학물질 생산의 잠재력
NRC 보고서는 다음과 같이 언급하고 있다. “2012년 미국 정부가 내놓은 국가바이오경제청사진(National Bioeconomy Blueprint)에서 오바마 행정부는 바이오경제를 ‘생명과학의 연구와 혁신을 기반으로 경제적 활동과 국민적 이득을 창출하는 경제적 행위’라고 정의했다”. 이 보고서는 이어서 “새로운 바이오유래 화학물질, 새로운 약품, 진단시약, 원유 의존도를 줄일 수 있는 바이오 연료 등 미국의 바이오경제 대상은 우리 주변에 널려 있다”고 지적했다. 

바이오 시장은 이미 대단한 규모에 이르렀다고 이 보고서는 언급했다. “바이오 제품 시장은 이미 미국 경제의 중요한 요소로 자리매김했다. 2012년의 경우 국내총생산액(GDP)의 2.2%로 3530억 달러 규모의 경제활동이 이루어졌다. 현재 전세계 바이오 화학물질과 폴리머 생산량은 연 평균 5000만 톤에 이르고 있다. 바이오 산업에 이용되는 발효, 베이킹(baking), 매질(tanning)과 같은 공정은 인류의 산업의 역사에서 오랫동안 사용돼 온 원초적인 기술들이다”

미국의 전자부품 생산업체인 Agilent Technologies社는 “2012년 미국의 바이오 기술 산업 부문에서만 기업간(business-to-business) 거래 수익은 1250억 달러를 기록했다”고 지적했다. 바이오연료 분야의 300억 달러를 포함해 바이오 화학물질은 660억 달러의 매출을 기록했다.

또한 이 보고서는 바이오 산업의 유망한 미래에 대해 언급하면서 다음과 같은 내용을 지적했다. “최근에 이룩한 대단한 성장과 밝은 전망에도 불구하고 생물합성 및 생명공학을 이용한 화학물질 시장은 훨씬 빠른 속도로 확대될 수 있다. 생물학을 이용한 최신의 화학물질 생산기술은 에너지, 기후변화, 지속가능하며 생산 효율이 높은 농업, 그리고 환경과 관련해 지구촌이 당면하고 있는 여러 가지 도전들을 해결하는데 커다란 도움을 줄 수 있다. 예를 들어 바이오 화학물질 생산 공정은 독성이 있는 부산물, 온실가스 배출을 낮추고 화석연료 소비도 줄일 수 있다. 낮은 생산비용, 생산속도(production speed)의 증가, 생산공장의 유연성, 그리고 생산능력의 증가 등이 장점들이다”
        
과학은 계속 발전하고 있다
보고서는 “현재”의 추진동력으로 유전학의 발전을 꼽고 있다. “자연 세계의 기저를 이루고 있는 유전학은 DNA 염기서열에 의해 밝게 조명되고 있다. 그리고 비용도 빠른 속도로 줄어들고 있다. 휴먼게놈(32억 개의 염기 쌍)의 염기서열이 처음으로 해독된 것은 2001년으로 총 27억 달러의 비용이 소요되었다. 9년이 지난 2010년에는 1000개의 인간게놈(3조2000억 개의 염기 쌍)의 염기서열이 해독되었다. 2014년 유전자 분석장비 업체 일루미나(Illumina)는 한 사람의 게놈 전체를 1000달러의 비용으로 해독할 수 있는 Hiseq X Ten이라는 장비를 개발했다.  

산업계는 준비 완료
NRC 보고서는 “인간의 건강과 농업분야에서 합성생물학의 응용이 화학물질 생산보다 더 빨리 확산되고 있기 때문에 산업계의 초점은 이 분야에서 장점을 지니고 있는 유전자와 단백질 변형과 대량 생산을 위한 바이오 공정에 모아지고 있다”고 지적했다. 

“복합적인 노력이 필요하다. 건강과 농업 분야에 적용하기 위한 화학물질의 합성에는 많은 유전자의 발현을 조절하는 작업이 필요하다. 바이오유래 화학물질은 일련의 효소에 의한 촉매작용(enzyme-catalyzed reactions)의 산물이다. 각각의 효소는 최소한 한 개의 유전자에 의해 암호화 되어 있다. 전체적으로 하나의 화학물질의 합성을 하기 위해서는 수십 개의 유전자 발현을 조절해야 한다. 초기에 성공을 거둔 이 합성 분야의 성장으로 인해 높은 순도, 더 많은 생산 등 전통적인 화학합성 방법으로는 나올 수 없는 높은 가치의 화학물질 생산이 가능해졌다”         

당은 비싼 원료, 다른 원료를 확보하는 것이 중요한 과제
NRC 보고서는 유전자를 응용해 얻을 수 있는 다양한 요인과 기회에 초점을 맞추고 있다. 그러나 최우선을 두어야 할 도전은 지속 가능하고, 풍부하고, 신뢰할 수 있는 원료를 확보하는 일이다. 보고서는 “특히 원료 부문에서 완전한 변형과 통합적인 디자인 툴체인(tool chain)을 가능케 하는 과학적 공학적 도전들이 남아 있다. 다량생산 되는 화학물질의 예를 들어보자. 당의 비용은 생산품 전체 비용 가운데 대부분을 차지한다. 바이오 연료의 경우, 당 비용은 전체 비용의 65%를 차지한다. 따라서 다른 원료를 개발하는 것이 해결해야 할 중요한 도전”이라고 지적했다.

곡물 유래 당과 대체 원료의 필요성  
보고서는 당면 과제를 다음과 요약했다. “곡물 유래 녹말이 업계에 커다란 도움이 돼 온 것은 사실이다. 그러나 공급에 한계가 있다. 그리고 식품이나 가출사료 용도의 상품과의 경쟁력도 비교해야 할 문제다. 결국 미국뿐만 아니라 전세계적으로 고품질의 원료 공급과 경작지는 한정돼 있다.

영농방식의 개선, 그리고 수확량을 많이 내는 작물의 육종(breeding)기술과 농업생물공학(agricultural biotechnology)의 발전으로 단위 면적당 생산량은 앞으로 계속 증가할 것으로 예상된다. 선진국의 생산량은 생산기반이 저조한 개발도상국가들에 비해 연간 1~2%씩 증가할 것으로 예상된다. 예상되는 생산량 비율의 증가는 우리의 음식과 사료 수요를 안정적으로 충족시킬 것이다. 생물학적 화학물질에 대한 우리의 열망을 실현시켜줄 화석연료 대체 원료는 필요하다.
  
유망한 목질계 바이오매스(Lignocellulosic Biomass)
“만약 셀룰로오스 유래 당이 녹말 유래 당을 충분히 대신할 수 있다면, 그리고 가격 경쟁에서도 유리한 고지를 점할 수 있다면 수 많은 도전들이 극복될 수 있을 것이다. 오늘날 농업경제는 제대로 기능을 잘 발휘하는 곡물거래 시장을 비롯해 상품의 생산, 수송, 그리고 저장에 이르기까지 잘 짜이고 안정된 인프라가 구축돼 있다. 그러나 이러한 구조와 패턴은 셀룰로오스 원료에서 유래한 발효성 당(fermentable sugar)에는 해당되지 않는다. 셀룰로오스 원료가 곡물을 대신할 수 있는 성공적인 원료로 등장하려면 가격이 톤당 100달러 이하로 유지되어야만 한다”

보고서는 작물 잔여물에서부터 출발해야 한다고 결론을 내렸다. “현재 셀룰로오스 에탄올 식물 원료로는 주로 옥수수 여물(stover: 옥수수 줄기, 잎, 그리고 옥수수숫대)에 의존하고 있다. 농작물에서 나오는 그 외 원료로는 밀집, 볏짚, 그리고 사탕수수 찌꺼기가 있다”

최근에는 목질계 식물에 들어 있는 셀룰로오스인 리그닌(lignin, 목질소木質素)에 눈을 돌리는 경향이 두드러지게 나타나고 있다. “리그닌에는 옥수수 스토버 매스(stover mass)의 20% 정도가 함유돼 있다. 최근 유망한 바이오연료 원료 후보로 등장했다. 셀룰로오스 원료 사용이 늘고 있기 때문에 발효 찌꺼기가 아닌 부산물로써 리그닌이 주는 부가가치에 대해 새로운 전략을 세울 필요가 있다. 

만약 리그닌을 얻을 수 있는 성장 속도가 빠른 나무들이 나타난다면 관심은 삼림자원에 쏠릴 수도 있다. “삼림 자원에서도 당 생산의 원료가 될 수 있는 잔여물이 나온다. 나무를 구성하고 있는 “딱딱한” 셀룰로오스는 헤미셀룰로오스(hemicelluloses: 넓은 의미로 식물세포벽에 존재하는 셀룰로오스 이외의 모든 다당류를 지칭)와 리그닌 성분이 많다(나무 종류에 따라 약 40%에 이른다). 벌채 잔유물(forestry residue)은 그 양이 대단하다. 그래서 제재소에서 곧바로 얻을 수가 있다. 성장 속도가 빠른 나무들도 발효 당의 원천으로 그 가능성이 있다. 그 나무들도 꼭 같이 펄프화 공정과정(pulping process)에서 잔여물을 남긴다. 그러나 여기에는 두 가지 도전이 가로 막고 있다. 나무를 키워 잔여물을 이용할 정도가 되려면 오랜 시간이 필요하다는 점, 다른 하나는 “딱딱한” 셀룰로오스에 들어 있는 리그닌 성분이 높은 것과 관련된 문제다. 

또 다른 기회의 영역은 에너지 작물과 다년생초(perennial grasses)에 있다. 보고서는 다음과 같이 지적했다. “농작물 재배 패턴(cropping pattern)이 조금씩 변하고 있기는 하지만 현재 농경지가 에너지 작물 재배 농경지로 바뀔 공산은 별로 없는 것 같다. 그러나 수수와 같은 한해살이 작물은 미래의 셀룰로오스 원료로 상당한 잠재력을 지니고 있다. 수수는 미국 서부의 광활한 대초원지대(Great Plains)의 아주 건조한 조건에 적응을 잘하고 있는 작물이다. 다년생초들도 농경지를 잠식하지 않고 바이오매스 공급을 증가시킬 수 있는 잠재력이 많다. 그러나 다년생초의 가장 큰 약점은 작물로 이용하려면 2~3년이라는 다소 긴 기간이 필요하다는 것이다. 그래서 처음 시작할 때는 상당한 경제적 페널티(economic penalty)를 감수해야 한다.    

C1 공급원료(C1 Feedstocks)
보고서는 메탄과 일산화탄소와 C1 공급원료로서 기회를 제공할 수 있다고 언급했다. “값싸고 풍부한 비재래식 자원인 천연가스(natural gas, 메탄을 주성분으로 하는 가연성가스를 말함)가 미국의 에너지와 그 원료 시장에 혁명을 일으키고 있다. 천연가스는 많은 화학제품을 만드는데 선호하는 원료로써 나프타 분해(원유를 정제하는 공정의 일부분)에 의한 제품을 대신하고 있다. 비재래식 가스 이외에도 매립지 가스나 바이오매스의 생물학적 소화(biological digestion, 미생물에 의한 자연분해를 말함)에서 나오는 메탄이라는 생물유래 공급원이 있다. 메탄, 그리고 메탄올, 합성가스(syngas), 그리고 포름산과 같은 파생물질은 모두 발효 탄소원(carbon sources)으로 잠재력이 있다”

그러나 보고서는 이러한 C1 공급원료에도 도전이 뒤따른다고 지적했다. “상당한 기술적 도전이 존재한다. (가스를 액체로 만드는) 가스-액화 발효 반응기(two-phase gas-liquid fermentation reactors)는 아주 복잡할뿐더러 비용도 많이 들어간다. 메탄과 수소는 수성매질(또는 물용매, aqueous media)에서 약간 녹는다. 이러한 가스-액화 물질 변화(gas-liquid mass transfer)는 발효기(fermenter) 내의 균체(세포) 생산에 커다란 걸림돌이 된다. 그러나 3개의 실증(demonstration) 규모의 합성가스-에탄올 생산 설비가 오늘날 가동되고 있다. 생물학적 화학물질 생산을 위해 C1 공급원료를 상업화 하기 위해서는 앞으로 공정공학(process engineering), 그리고 숙주생물(host organism)에 대한 연구를 진행할 필요가 있다” 

중요한 결론들
NRC 보고서는 바이오 화학산업을 위한 안정적이고 풍부한 원료확보와 관련 최종적으로 세 개의 결론을 내리고 세 개의 로드맵 목표를 제시했다.

▲결론 1: 경제적으로 타당성이 있고 환경적으로 지속발전 가능한 원료의 개발은 바이오 공정을 통한 연료와 대량의 화학물질 생산을 가속화시키는데 중요하다.
▲결론 2: 셀룰로오스 원료, 리그닌, 메탄 파생물질, 이산화탄소, 그리고 포름산(formate)을 포함한 바이오 원료의 이용가능성, 신뢰성, 그리고 지속 가능성에서 이룩한 진전은 경제적으로 이득이 될 수 있는 상품 생산량을 증가시키고, 바이오 화학물질 생산 기회를 가로막는 장벽을 낮출 수가 있다. 
▲결론 3: 미국의 경우 천연가스의 이용가능성이 증가하고 있다는 점을 비추어볼 때 숙주생물체와 발효 공정을 포함해 C1을 기반으로 한 발효에 대해 기본적인 이해의 폭을 확대시키는 일이 필요하다.

로드맵 목표
▲목표 1: 바이오 공정을 위해 4년 이내에 연질의 셀룰로오스(soft cellulose)로부터 유래한 발효 당과 같은 새로운 탄소원이 광범위하게 공급될 수 있도록 킬로그램당 0.50달러보다 낮은 가격에 공급되어야 한다. 
▲ 목표 2: 바이오 공정을 위해 7년 이내에 연질과 경질의 셀룰로오스에서 유래하는 발효 당과 같은 탄소원이 광범위하게 공급될 수 있도록 킬로그램당 0.40달러보다 낮은 가격에 공급 되어야 한다. 
▲ 목표 3: 바이오 공정을 위해 10년 이내에 연질과 경질의 셀룰로오스 유래 발효 당 이외에도 리그닌, 합성가스, 메탄, 포름산, 이산화탄소 등과 같은 탄소원이 광범위하게 공급될 수 있도록 킬로그램당 0.30달러보다 낮은 가격에 공급되어야 한다.

NRC 보고서에 대한 Biofuels Digest의 평가
NRC 보고서는 아주 자세하게 작성되었으며 칭찬받을 만하다. 그러나 우리는 NRC 보고서에서 기름을 짤 수 있는 식물 종자인 오일시드(oil seeds), 조류(algae), 그리고 지방, 오일, 윤활유(grease), 그리스와 같은 도시 잔여물(urban residues), 그리고 도시고형폐기물(municipal solid waste)에 대한 논의가 빠져 있다는 것을 발견했다.

이러한 자원에는 이용 가능한 많은 탄화물이 포함돼 있다. 주로 이산화탄소, 태양광, 염분이 많은 염수(saline water)에서 나오며, 폐기물집하시설(waste collection)에서 아주 낮은 가격으로 얻을 수 있는 자원들도 있다. 이러한 자원들은 이미 화학물질이나 연료를 생산할 정도의 규모로 이용되고 있다. 예를 들어 Enerkem社, Solazyme社 등이 그러한 업체들이다. 또한 Renewable Energy Group과 같이 바이오 디젤과 재생가능 디젤을 생산하는 업체들도 있다. (Renewable Energy는 최근 바이오 화학물질 생산분야에서 합성생물을 전담할 스타트업 LS9를 설립했다). 

보고서 전문 링크: http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=19001

자세한 내용은 원문을 참고하시기 바랍니다.
요약:한국바이오안전성정보센터(www.biosafety.or.kr)
*본 자료 이용 시에 출처: 한국바이오안전성정보센터(KBCH)『바이오화학산업동향(TWB)』를 밝혀 주시기 바랍니다.

...................(계속)

 

☞ 자세한 내용은 내용바로가기 또는 첨부파일을 이용하시기 바랍니다.

 

 

 

 

 

목록 스크랩
관련정보

동향

자료 추천하기

받는 사람 이메일
@
메일 내용