미세조류 바이오매스의 연료화 연구개발 현황 및 전망

오희목  한국생명공학연구원 바이오시스템연구본부

서론

근래에 지구상에서 일어난 사건들의 근본적 영향을 분석하면 바로 지구온난화와 세계인구의 급증이다. 이로부터 식량문제, 환경문제, 에너지문제가 전 지구적 규모로 발생하고 있으며, 이와 같이 급변하는 시대를 에너지기후시대(Energy-Climate Era)라고 칭할 수 있다[토머스 프리드먼, 2008]. 최근 원유가격의 급격한 상승으로 생물자원을 활용한 대체에너지 개발, 특히 바이오연료(바이오에탄올, 바이오디젤, 바이오 가스 등) 생산이 주목을 받고 있다. 특히 해수나 담수에 널리 분포하는 광합성 생물인 조류(Algae)로부터 생산되는 바이오연료는 소위 곡물 자원을 사용한 1세대 바이오연료, 작물의 줄기나 폐목재 등을 사용하는 2세대 바이오연료에 이어 미래의 3세대 바이오연료(3rd generation biofuel)로 인식되고 있다.

조류는 대기나 수중의 이산화탄소와 물을 원료로 광에너지를 이용하여 유기물질을 합성하고 산소를 생산하는 광합성 생물로써 지구상에서 육상식물과 대등한 수준의 이산화탄소를 흡수하여 전환하는 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 조류는 식물과 달리 형태적으로 뿌리, 줄기, 잎의 구분이 명확하지 않으며, 지구상에 약 300,000종(species) 이상이 분포하는 것으로 알려져 있고[Scott et al., 2010], 크기에 따라 육안관찰이 가능한 미역, 김 등의 대형조류(Macroalgae)와 현미경으로 관찰되는 Chlorella, Spirulina 등의 미세조류(Microalgae)로 구분된다.광합성 미생물인 미세조류의 단위면적당 바이오디젤 생산(oil 함량이 30%인 경우)은 약 58,700 L/ha로 대두의 446 L/ha에 비해 130배에 달한다[Chisti, 2007]. 또한 미세조류는 고밀도 대량배양이 가능하고, 생명공학기술의 핵심인 형질전환 기술을 이용한 미세 조류의 분자적 개량이 고등식물보다 용이할 것으로 보인다. 뿐만 아니라 미세조류는 작물과 경쟁하지 않고, 유휴 경작지를 이용하여 바이오연료를 생산할 수 있다는 장점이 있다.

그림 1. 미세조류로부터 유용물질 및 바이오연료 생산 공정도.

본론

1) 핵심연구개발 분야

미세조류로부터 바이오디젤 생산의 주요 공정은 ①미세조류 탐색 및 기능강화(균주 개량), ② 미세조류의 고밀도 대량배양, ③ 미세조류의 효율적 수확, ④미세조류 바이오매스로부터 유용물질 및 바이오연료생산으로 구분해볼수있다[그림1].

① 토착 미세조류 확보 및 기능강화(균주 개량) 광합성능이 우수하고, 지속적인 배양이 가능하며, 바이오디젤 전환용 지질함량이 높은 조류종의 탐색이 무엇보다 우선되어야 한다. 현재 전 세계적으로 1,600여 종 만이 Culture Collection에 의해 유지, 보존되고 있는 실정이다. 따라서 더 많은 조류자원의 확보 및 이들을 대상으로 우량 미세조류 주(strain)의 선별을 위한 광범위한 탐색 작업이 필요하다.
특히, 2010년10월일본나고야에서 개최된 “제10차 생물다양성협약 당사국총회” 에서는 자원 제공국(개발 도상국)과 자원 이용국(선진국) 간에 유전자원에 대한“접근 및 이익 공유(Access and Benefit Sharing on Genetic Resources, ABS)” 에 관련하여 1) 타국의 유전자원 활용 시 승인 획득 및 이익 공유, 2) 유전자 원에 대한 전통지식의 포함 등에 대한“나고야 의정서” 가 채택되었고, 회원국의 비준을 거쳐2012년경 발효될 것으로 예상되므로, 향후 미세조류를 포함한 토착 유전자원의 중요성이 더욱 증가할 것이다. 일반적으로 조류나 식물의 형질전환을 성공시키기 위해서는 다음의 4가지 조건이 충족되어야 한다. 즉, 유용유전자의 선정 및 분류법, 분리된clone의 유전자조작법, 유전자의 세포내로의 도입방법, 그리고 형질전환체의 선별 및 재분화법의 확립이다. 일례로, 바이오연료를 효율적으로 생산하기 위하여 조류는 광합성, 지질생산, 생장 등과 관련하여 바람직한 유전적 형질을 갖추어야 한다[Wijffels & Barbosa, 2010]. 즉, 이상적 형질전환체의 특성으로 높은 광도에서 고생산성, 얇은 막을 갖는 대형 세포, 높은 산소분압에서의 내성, 각종 오염에 견디는 강인함, 빠른 생장과 높은 지질생산량, 세포내 오일의 분비, 적절한 세포 flocs의 형성등이있다[그림2].

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2011년 Bioin 베스트 동향 선정 및 바이오인 만족도 조사로 인하여 해당 원문을  활용 중입니다. 관련출처 관계자께서는 양해부탁드리며, 설문조사기간 이후에는 해당출처에서 자료를 직접 확인 할 수 있도록 조치하겠습니다.