바이오인

[그림 1. 바이오매스의 경쟁물질인 세일가스 및 전기]

바이오연료 산업화에 가장 큰 걸림돌은 모두가 인지하고 있는 것처럼 지속적이면서도  경제적인 비식량바이오매스의 확보, 효율적인 전처리 및 당화공정 개발과 이에 상응하는 고효율 생산균주의 개발이다. 이러한 문제들이 해결되지 않는다면 기존 석유자원의 대체 및 향후 세일가스나 전기차와의 가격경쟁력에서 뒤쳐질 수 밖에 없는 현실이다. 이를 위해 식량자원의 부산물을 바이오매스로 활용하고, 효소 비용을 절감할 수 있는 고효율 전처리/당화공정을 개발하고 있으며, 이와 더불어 이렇게 제조된 당화액을 생장저해 없이 고효율로 대사하면서 기존 석유기반 가솔린 및 디젤 성분과 옥탄가 및 에너지 밀도가 거의 유사한 advanced biofuel를 생산할 수 있는 고효율 생산균주를 개발하는 연구가 기업 위주로 진행되고 있다.  고효율 생산균주의 개발은 목질계 바이오매스 기반 당화액에 포함된 다양한 발효당의 대사능력과 발효 저해물질에 대한 저항성 향상에 중심을 둘 수 있고, 이와 더불어 advanced biofuel를 고효율로 생산하기 위한 대사경로 설계, 유전자군 확보 및 맞춤균주 제조기술이 필요하다. 최근 들어 이러한 차세대 바이오연료 생산균주를 생산하기 위해 합성생물학(Synthetic biology) 기술들이 활용되어지고 있다.

[그림 2. 목질계 바이오매스 기반 에탄올 생산가 분석 및 핵심 이슈]

나. 활용분야

합성생물학과 대사공학의 정의와 차이점에 약간의 이견이 있을 수 있지만 본 보고서에서는 합성생물학을 기존의 대사공학기술에 기반을 둔 advanced technology로 규정지어 설명하고자 한다. 합성생물학을 이용한 바이오연료 생산기술은 다음과 같이 분류될 수 있다. 바이오매스의 전처리 후 당화공정에 사용되는 당화효소의 개량, 전처리 당화액에 대한 고내성 균주 개발, 그리고 advanced biofuel 생산을 위한 신규 대사경로 설계 및 도입과 이를 통한 맞춤 균주 제조기술이라 볼 수 있다. 이러한 개발 기술을 기반으로 현재 연구 및 산업화가 진행되고 있는 바이오연료로는 바이오에탄올, 바이오디젤, 바이오부탄올 및 advanced fuel등이 있다.

2. 국내외 연구 및 산업화 동향

본 보고서에서는 합성생물학을 기반으로 바이오연료 및 advanced biofuel을 생산하고 있는 대표적 기업들의 연구기술 및 산업화 현황을 소개하고자 한다.

우선 isoprenoid와 fatty acid biosynthesis pathway를 이용하여 각각 바이오디젤을 생산하는 대표적인 회사로 미국의 Amysris와 LS9이 있다. 미국 Amyris사는 사탕수수를 이용하여 advanced biofuel (jet fuel)를 생산하였다. 또한 Total과 합작사인 “Total Amyris BioSolutions BV"라는 Joint venture를 설립하여 advanced fuel인 farnesene(Biofene®)를 제조 판매하고 있다. 이와 더불어 farnesene 생산기술을 이용하여 Microbiogen과 협업으로 사탕수수로부터 Diesel de CanaTM를 생산하여 브라질의 도시 버스에 10% 혼합유로 활용하려고 한다. Amyris사의 Biofene® 생산균주는 non-GMO Saccharomyces cerevisiae를 이용하였다. 우선, 지속적으로 Amyris사에서 개량해온 mevalonate pathway와 farnesene synthase 유전자를 non-GMO S. cerevisiae에 도입하여 farnesene 생산균주를 개발한 후 C5 xylose를 대사할 수 있는 xylose isomerase를 farnesene 생산균주에 도입하였다. 이와 더불어 합성생물학 기술을 이용한 생합성 유전자군의 도입 및 최적화와 hydrolysate inhibitor에 대한 내성을 계속해서 향상시켜 균주를 개량하였다. 이렇게 개발된 farnesene 생산균주의 경우 hydrolyaste 포함된 acetate에 대해 13 g/L 농도에서도 생장에 전혀 영향을 받지 않을 정도로 강한 내성을 보였다. 또한 aerobic fermentation을 수행하여 생산균주 자체가 hydrolysate에 포함된 acetate를 대사할 수 있게하는 전략을 선택하였다. 이렇게 생산된 farnesene을 한단계화학반응을 통해 기존의 디젤연료와 같은 바이오디젤로 전환시키게 된다. Amyris사의 기존 항말라리아 치료제인 Artemisinin과 같이 precursor를 바이오공정으로 생산하고 마지막 단계를 화학공정으로 수행하는 융합공정을 바이오디젤 생산에도 사용한 것이다.

...................(계속)