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공기 중 이산화탄소로 지구 살리는 친환경 플라스틱 생산

- KIST 고자경 이동기 박사 연구팀, 생물-전기 융합시스템 개발

- 세계 최고 수준의 미생물 유래 친환경 바이오플라스틱(PHA) 생산성 달성

 

<왼쪽부터> 제1저자_KIST 문병철 선임연구원, 교신저자_KIST 고자경 선임연구원, 교신저자_KIST 이동기 책임연구원

이산화탄소 포집 및 전환 기술 (CCU)는 탄소중립 목표달성을 위해 중요한 기술로 여겨지고 있지만, 현재까지 전기화학적으로 이산화탄소로부터 복잡한 화합물(>C3)은 생산하기 어렵고 효율이 낮다는 단점이 있다.

미생물은 다양한 화합물을 친환경적으로 생산할 수 있는 유망한 플랫폼으로서 전기화학공정으로 생산되기 어려운 물질을 생산하도록 설계 가능하다. 하지만 이산화탄소 전환 미생물 발효공정은 수소와 같은 에너지원이 공급되어야 한다는 필요조건이 있다.

이산화탄소로부터 원하는 유용물질을 친환경적이고 지속가능하게 생산하기 위해 전기화학과 생물공학을 접목한 생물-전기 융합기술 개발에 관한 연구를 시작하였다. 물분해 반응으로부터 생성되는 수소를 실시간으로 미생물에게 공급 가능한 일체형 생물-전기반응조를 제작하였고, 이산화탄소 전환 미생물의 성장을 촉진하기 위한 우수한 물분해 촉매소재 개발에 매진했다.

기후변화와 환경오염 문제를 동시에 해결할 수 있는 이산화탄소에서 바로 바이오플라스틱을 만들어 내는 기술이 주목받고 있다. CCU(Carbon Capture and Utilization) 기술로 생산되는 화합물은 생분해성인 경우가 적고 복잡한 화학반응 단계를 거쳐야 한다. 반면, 미생물을 이용해 이산화탄소로부터 친환경 생분해성 플라스틱을 생성하는 기술은 플라스틱 폐기물 문제를 해결할 수 있으며 이산화탄소를 플라스틱으로 전환하기 위한 추가적인 에너지 투입이 적어 차세대 이산화탄소 전환 기술로 평가받고 있다.

한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 고자경·이동기 박사 연구팀은 전기화학 시스템과 미생물 배양 시스템을 결합해 공기 중 이산화탄소에서 친환경 바이오플라스틱인 폴리하이드록시알카노에이트(PHA, Polyhydroxyalkanoate)를 효율적으로 생성할 수 있는 생물-전기 융합기술을 개발했다고 밝혔다. PHA는 미생물에 의해 합성되는 천연 고분자로 토양뿐 아니라 해양 환경에서도 생분해되며 식품 포장재, 의료용품 등에 사용된다.

 

이산화탄소, 물, 미생물, 전기를 이용한 생분해성 바이오플라스틱 생산

연구팀은 이산화탄소를 먹고 PHA를 만드는 능력을 지닌 수소 산화 박테리아에 주목했다. 이 미생물의 배양을 위해 물을 전기 분해해 실시간으로 생산된 수소를 에너지원으로 공급하고 이를 통해 이산화탄소로부터 바이오플라스틱을 생산할 수 있는 생물-전기 융합시스템을 개발했다. 그러나 물을 전기 분해하는 과정에서 독성물질인 활성산소와 금속이온이 부산물로 생성돼 미생물의 성장을 저해하는 문제가 있었다.

이를 해결하기 위해 미생물에 대한 독성이 매우 낮고 쉽게 금속으로 돌아갈 수 있는 특성을 가진 구리가 첨가된 촉매를 개발했다. 또한, 연구팀은 개발된 촉매의 표면에 코팅된 구리가 미생물 배양액에 녹았다가 다시 전극으로 돌아가는 순환과정에서 활성산소를 빠르게 분해하는 독성물질 자가 해독 메커니즘을 규명하는 데 성공했다. 그 결과, 기존 촉매를 활용할 때보다 수소 생산성 및 활성산소 제거 속도가 높아졌을 뿐만 아니라 활성산소 생산량이 감소해 300mg/L이었던 미생물 유래 PHA 생산성을 세계 최고 수준인 487mg/L으로 높였다.

연구팀은 이산화탄소로부터 생성되는 PHA의 대량생산을 위해 생물-전기 반응조 대용량화 및 반응 조건 최적화 연구를 수행할 예정이다. 이를 통해 석유 기반 플라스틱이나 다른 바이오플라스틱보다 2~5배 높은 생산 단가를 낮춤으로써 미생물 유래 PHA가 비닐, 플라스틱 용기 등 다양한 시장에서 탄소중립을 동시에 실현할 수 있는 차세대 친환경 플라스틱으로 자리매김할 것으로 기대된다.

KIST 고자경 박사는 “이번 연구 성과는 생물공학과 전기화학 분야의 융합 원천 기술로 전기에너지로 이산화탄소를 복잡한 고분자 물질로 바로 변환할 수 있음을 보여주는 좋은 사례”라며 “대기 중 이산화탄소를 직접적으로 감축할 수 있는 탄소중립을 위한 핵심 기술로 많은 발전과 활용이 기대된다”라고 밝혔다.

 

생물-전기합성 반응에서 구리의 자가해독 반응

본 연구는 과학기술정보통신부 (장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 주요사업과 바이오의료기술개발사업(2022M3A9F3082336), 원자력연구개발사업(RS-2022-00156236)으로 수행됐다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 「Advanced Science」(IF 14.3, JCR 분야 상위 6.5%) 최신호에 게재됐으며, ‘Hot Topic: Carbon Dioxide’에 소개됐다.

□ 논문

○ 제목: Biocompatible Cu/NiMo Composite Electrocatalyst for Hydrogen Evolution Reaction In Microbial Electrosynthesis; Unveiling the Self-Detoxification Effect of Cu

○ 학술지: Advanced Science

○ 게재일: 2024.03.29.(온라인), 2024.06.12.(오프라인)

○ DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202309775

□ 저자

○ 문병철 선임연구원 (제1저자/KIST 물자원순환연구

○ 고자경 선임연구원 (교신저자/KIST 청정에너지연구센터)

○ 이동기 책임연구원 (교신저자/KIST 청정에너지연구센터)

 

□ 내용 요약

○ 연구배경

기후변화의 주범으로 지목받는 온실가스의 배출량을 줄이기 위한 탄소중립 기술이 주목받고 있다. CCU (탄소 포집 및 전환, Carbon Capture and Utilization) 기술은 공기 중 이산화탄소를 포집하여 유용한 화합물로 전환하는 친환경 기술이다. 전기에너지를 이용하여 이산화탄소를 변환하는 전기화학 (e-chemical) 기술은 많은 주목을 받고 있지만, 플라스틱과 같은 복잡한 고분자 화합물은 생산하기 어렵다는 한계가 있다. 반면 미생물 발효 기술은 이산화탄소로부터 복잡한 화합물을 생산할 수 있다는 장점이 있지만, 미생물 성장의 에너지원으로 수소 등의 에너지원(환원력)이 공급되어야 한다. 생물-전기 융합시스템은 전기화학적 물분해 반응과 미생물 배양을 일체화하여 공기 중 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환 가능한 플랫폼 기술로 많은 주목을 받고 있다. 하지만 물분해 반응으로부터 미생물 독성물질인 활성산소(과산화수소)와 금속이온이 부산물로 생성되는 문제점이 있기 때문에, 고효율 물분해 성능을 유지하면서 생물친화형 촉매소재 개발이 필요하다.

○ 연구내용

본 연구에서는 기존의 값비싼 백금을 대체할 수 있는 신소재 촉매를 개발하였으며, 촉매에 구리를 첨가함으로써 수소 생산성이 크게 향상될 뿐 아니라 미생물에 해로운 독성물질의 생성도 억제할 수 있음을 제시하였다. 연구진은 반응 용액에 포함된 산소가 전기반응을 통해 활성산소로 변환된다는 점에 착안하여 이러한 반응을 효과적으로 제어하기 위한 촉매 소재를 설계하였다. 개발된 촉매의 표면에 존재하는 구리 금속은 구리 이온으로 용출되고 다시 구리 금속으로 돌아오는 과정을 통해 독성물질인 활성산소를 매우 빠르게 분해하는 독성물질 자가 해독 메커니즘을 가지고 있음을 규명하였다. 고효율 수소생산과 효과적인 독성물질 제어를 통해 생물-전기 반응조에서 이산화탄소 기반 미생물의 성장을 촉진하고, 미생물 유래 바이오플라스틱인 폴리하이드록시부티레이트 (Polyhydroxybutyrate, PHB)의 생산성을 세계 최고 수준으로 끌어올릴 수 있었다.

○ 기대효과

기후 위기 대응을 위해 2021년 제정된 탄소중립기본법에 따라 대한민국은 2030년까지 온실가스 배출량을 2018년 대비 40% 이상 감축해야 한다. 따라서 공기 중에 존재하는 이산화탄소를 포집하고 이를 유용한 화합물로 전환하는 CCU 기술의 개발이 매우 시급한 실정이다. 본 연구는 전기화학 기술과 생물공학 기술을 결합한 ‘생물-전기 융합 기술’로써 석유가 아니라 이산화탄소로부터 복잡한 고분자 화합물인 플라스틱을 직접 생산할 수 있음을 보여준 사례이다. 또한, 바이오플라스틱 뿐 아니라 바이오연료, 고부가 식의약소재 등 다양한 유용물질을 생산 가능한 이산화탄소 전환 플랫폼 기술로서 많은 활용이 기대된다.

□용어해설

1. 바이오플라스틱 (bio-plastic)

바이오플라스틱은 옥수수 전분, 나무 톱밥 등 바이오매스 원료로부터 생산되거나, 생물학적 대사과정을 통해 미생물로부터 합성되는 플라스틱을 일컫는다. 석유로부터 만들어지는 기존의 플라스틱은 자연 분해가 어려워 플라스틱 폐기물에 의한 오염을 야기하는데 반해 바이오플라스틱은 자연에서 생분해되는 특성을 가져 친환경 소재로 활용도가 높다. 또한, 본 연구에서는 이산화탄소를 주원료로 사용하여 미생물 유래 고분자인 폴리하이드록시알카노에이트(Polyhydroxyalkanoate, PHA)의 일종인 폴리하이드록시부티레이트 (Polyhydroxybutyrate, PHB)를 생산하였으며, 자연에서 100% 생분해되는 친환경 플라스틱이다.

2. 생물-전기 융합 기술 (bio-electrochemical technology)

생물-전기 융합 기술은 효소 또는 미생물의 대사활동을 다루는 생물공정 기술과 전기에너지에 의한 전자의 이동과 물질의 화학반응을 다루는 전기화학 기술을 융합한 기술이다. 일반적으로 효소 또는 미생물의 대사활동을 촉진시키기 위해 전기에너지에 의한 물질 간 산화/환원 전기화학 반응을 이용한다. 본 연구에서는 미생물을 배양하기 위한 배양액에서 물분해(수전해 반응)를 통해 수소를 생산하고, 생산된 수소는 미생물의 대사활동을 위한 에너지원으로 사용되었다.

3. 촉매 (catalyst)

촉매는 반응 중 소모되지 않으며 화학 반응의 속도를 향상시키거나 늦춰주는 물질을 말하며, 일반적으로 반응 속도를 향상시키는 정촉매를 촉매로 일컫는다. 열역학적으로 촉매는 반응에 필요한 활성화 에너지를 낮춰주는 역할을 하며, 전기에너지를 이용하는 전기화학 반응에서는 전기촉매가 사용된다. 본 연구에서는 수전해를 통해 수소를 생산하기 위해 수소발생 전기촉매가 사용되었다.

4. 활성산소 (reactive oxygen species)

활성산소는 산소보다 활성이 크고 불안정하여 매우 높은 에너지를 가지는 산소를 의미하며, 대표적으로 과산화수소 (H2O2), 산소 라디칼 등이 있다. 이러한 활성산소는 생물의 분자와 쉽게 산화반응을 일으키며, 미생물 세포의 손상을 일으키는 독성물질로 미생물의 성장을 저해하는 효과를 지닌다.

KIST 홍보실 제공 

노벨사이언스  science@nobelscience.co.kr

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