바이오 연료, ‘조류·균류·인간’으로부터 채취한다

2019-01-21 15:38:52 조선우 기자

▲현재 바이오연료 생산이 후퇴하고 있는 요인은 고가의 생산비용과 낮은 생산성 때문이다(사진=ⓒ123RF)

조류와 균류, 심지어 인간을 통해 생산하는 차세대 바이오 연료가 부상하고 있어 산업계에 파장을 가져올 것으로 전망된다.

바이오 연료는 생물학적 과정으로 얻은 에너지 자원이다. 앞서 바이오 연료 생산이 중단한 원인에는 높은 비용과 저생산성이라는 이유가 있다. 현재는 이러한 문제점을 해결한 바이오 연료 채취법이 등장하고 있다.

조류 바이오 연료 상업화

바이오 연료 생산의 경제학이란 대부분의 조류 플랫폼이 다중 생산할 수 있어야 한다는 것을 의미한다. 

기술 발전으로 조류를 통해 바이오 연료 생산이 가능해졌지만 수많은 기업의 수요를 맞추기 위해서는 조류 배양으로 오메가3 지방산 같은 여러 가지 고부가가치 제품을 생산할 수 있어야 한다.

이에 미국국립재생에너지연구소(NREL)은 조류 바이오 연료를 상업화할 수 있는 전략을 개발했다. 바이오 연료 생산 비용을 다른 고부가가치 제품으로 상쇄할 수 있는 다중 생산이 가능한 조류 바이오리파이너리(biorefinery)를 선보였다.

이러한 제품에는 에탄올, 바이오디젤 요소, 플라스틱 및 조류 생산을 위한 성장 매개체 등이 포함된다. 사람이 섭취할 수 있는 보충제 또한 미세 조류로 생산할 수 있다. 미세 조류에서 추출한 탄수화물, 단백질 및 오일은 연료와 화학물질, 플라스틱, 식이 보충제를 생산하는 데 사용할 수 있다.

그러나 또 다른 문제가 있다. 조류에만 의존하는 시스템은 고부가가치를 낳는 산유국에서 효율적이지 않다는 것이다. 조류는 압력을 받게 되면 다량의 기름을 생산할 수 있다. 조류를 고밀도로 재배한 후 원심분리법과 세척을 통해 영양소를 제거하는 것이다. 그러나 이는 실험실에서는 효과적이지만 산업적인 규모에서는 적합하지 않다.

산업 규모에 적합한 전략은 질소 공급을 제한해야 한다. 조류가 필요로 하는 유일한 단 하나의 질소 성분은 암모니아다. 조류에게 충분한 양의 암모니아를 공급하면 기하급수적인 성장 단계에 이르게 되고 의도한 대로 조류에 압력을 가해 고부가가치인 오일을 생산하는 것이다.

또 다른 문제는 조류가 매우 작아 포집하기 어렵다는 것이다. 이 때문에 생산가의 최대 50% 밖에 수확이 불가능하다.

▲바이오연료 생산에는 여러 가지 상품 개발이 수반된다(사진=ⓒ123RF)

유기체 결합 통한 바이오응집 기법

이 문제를 새롭고 획기적인 방식으로 해결할 수 있는 연구가 발표됐다. 산업 규모로 조류와 균류를 같이 재배하는 것이다.

미시간주립대학 에너지식물 연구학의 크리스토프 베닝 교수는 해양 조류와 토양균을 특별한 방식으로 결합해 바이오 연료 생산 플랫폼을 만들었다. 이 방법으로 재배 및 수확 비용을 낮춰 생산성을 높일 수 있었다.

조류 노클로롭시스 오셔니카(Nannochloropsis oceanica)와 균류 모르티에렐라 엘롱가타(Mortierella elongate) 모두 바이오 연료와 오메가3 오일 같은 유용한 제품을 생산할 수 있는 종이다.

연구팀은 조류를 균류의 네트워크에 접착시키는 방식으로 두 가지 유기체를 결합하는 바이오 응집 기법을 개발했다. 이 방법으로 산업 규모의 수확이 보다 간단해지고 효율적이게 됐다.

이 두 종을 개별 재배하는 것보다 결합하는 방식으로 보다 많은 제품을 생산하는 것이 가능해졌다. 그리고 이 시스템은 지속 가능하며 화석 연료를 필요로 하지 않는다. 균류는 하수 또는 음식물 쓰레기에서 자랄 수 있으며 조류는 해수에서 자란다. 이 두 유기체는 응집 기술로 수확 비용이 저렴할 뿐만 아니라 그물 같은 간단한 도구만이 필요하다.

▲일반적인 바이오생산 과정에는 보통 하나의 유기체만을 사용하고 있다(사진=ⓒ123RF)

기기로 인체의 ‘바이오 연료’를 활용

한 연구팀이 인체에서 채취한 포도당으로 이식용 센서의 전원으로써의 사용 가능성을 입증했다.

지금까지 개발되어 온 수많은 질병 감지용의 웨어러블 센서 및 모니터 기기는 이식이 불가능한 충전이 필요한 시계 또는 패치 방식으로 되어 있다. 이로 인한 불편함을 해소하기 위해 워싱턴주립대학 전자공학과 수반슈 굽타 박사의 연구팀은 체내에서 바이오 연료를 유도하는 이식 가능 센서를 개발했다.

당뇨병 같은 질병 관리에 유용하게 사용할 수 있는 이 기기가 상용화되면 손가락 채혈기가 더 이상 필요하지 않을 것으로 전망되고 있다.

바이오 연료 세포를 사용해 인체를 잠재적인 연료원으로 사용할 수 있는 가능성을 연 셈이다. 센서는 최신식 디자인으로 되어 있으며 작동 시 단 몇 kw의 전력만을 소모하는 동시에 상당한 민감도를 가지고 있다.

전문가들은 “전자기기와 바이오 연료 세포를 결합하면 기존의 배터리 전원 방식의 기기보다 효율성이 좋아진다”며 “이론상 기기는 피부 아래에서 무한대로 작동할 수 있을 것”이라고 전했다.

[리서치페이퍼=조선우 기자]

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