Microalgae
미래의 새로운 자원, 미세조류(藻類)
 |
미세조류가 미래의 청정에너지 및 산업소재 자원으로 주목받고 있다. 미세조류는 광합성을 하는 수중 단세포 생물로 일반적으로 식물성 플랑크톤이라고 불린다. 현재 미세조류를 산업적으로 활용하기 위한 노력이 미국을 중심으로 활발히 진행되고 있다. 미세조류의 잠재성이 막대한 만큼 향후 에너지, 화학, 환경 분야를 중심으로 활용이 확대될 전망이다.
가장 주목되는 차세대 원료가 바로 ‘조류(藻類)’
최근 오바마 美대통령이 미세조류로부터 생산한 대체에너지를 언급하는 등 미세조류가 미래의 청정에너지 및 산업소재 자원으로 주목받고 있다. 미세조류는 에너지 및 산업소재생산, 온실 가스 절감이 가능한 자원으로 잠재력이 크다. 현재 미세조류를 산업적으로 활용하기 위한 노력이 미국을 중심으로 활발히 진행되고 있다. 미국 전역에서 100개 이상의 관련 기업과 연구기관이 활동하고 있으며, 에너지부 등 정부 차원의 지원 역시 활발하다.
미국항공우주국(NASA)에서는 오메가(OMEGA: Offshore Membrane Enclosures for Growing Algae, 해양 미세조류 엘지를 이용한 대체에너지 개발 프로젝트) 프로젝트를 추진하며 2008년부터 미세조류를 활용한 대체에너지 개발에 들어갔다. 미국항공우주국(NASA) 오메가 프로젝트 조나단 트렌트(Jonathan D. Trent) 소장은 “오메가 프로젝트에서는 기술을 생태계 유지도구로 생각한다. 생태계 한쪽에서는 폐기물이 생산되지만 다른 한쪽에서는 신재생자원으로 활용돼야 한다”고 말했다. 그는 미세조류는 하수구에서 나오는 폐수를 자양분으로 삼고 대기상의 이산화탄소를 광합성에 사용해서 산소를 배출한다며 미세조류를 활용하면 엘지기름과 바이오 디젤을 생산할 수 있다고도 전했다. 포스텍 생명과학과 이영숙 교수는 “바이오연료 분야는 첫 발걸음을 뗀지 그리 오래 되지 않았지만 벌써부터 차세대 원료와 기술에 대한 논의가 활발하게 이뤄지고 있는 분야다. 가장 주목되는 차세대 원료가 바로 조류(藻類)이다”라며, 이는 곡물이나 팜유 대신 해조류나 미세조류로부터 기름을 만들어 낸다는 말이라고 설명했다.
조류가 주목받는 가장 큰 이유는 생산성이 높다는 점이다. 미세조류는 몸 전체의 50%가 기름으로 돼 있어 연간 1만㎡ 당 최대 9만8,500ℓ 의 바이오연료를 생산할 수 있다. 전 세대 원료 중 가장 효율이 높은 팜유보다 약 16배 이상이나 높은 수준이다. 또 생산 공정에 따라 휘발유와 성능이 거의 비슷한 바이오 부탄올이나 높은 고도, 낮은 온도에서도 제 역할을 해내는 항공유를 만들 수도 있다. 생산성도 높고 다양한 활용도를 가진다는 점에서 주목의 대상이 아닐 수 없다.
삼성경제연구소 조성제 수석연구원은 “미세조류는 다양한 유용물질을 생산할 수 있는 장점이 있으며 현재 식품 분야를 중심으로 산업화되어 있지만, 향후 바이오케미컬 및 바 이오플라스틱 분야로 산업화가 확대될 전망이다”라고 전했다. 최근 미세조류 관련 기업들은 화학 분야에 대한 연구를 확대하고 있는데, 화장품이나 플라스틱 제품 등을 개 발하며 화학 산업으로의 진출 노력을 경주하고 있다”라고 조 연구원은 덧붙였다.
석유를 대체할 새로운 에너지, ‘미세조류 바이오디젤’
현재 차세대 에너지로 가장 주목받는 것이 ‘미세조류 바이오디젤’이다. 콩을 비롯한 여러 육상 식물자원으로 바이오디젤 생산이 이뤄지고 있으며 바다에 있는 클로렐라가 대표적이다. 미세조류는 광합성을 통해 이산화탄소를 포도당(글루코스)과 산소로 전환하고 생성된 글루코스로 살아간다. 남는 에너지는 중성지방 형태로 체내에 저장된다. 미세조류 바이오디젤은 바로 미세조류의 중성지방을 짜 내는 원리로 얻어진다.
바이오연료는 태양광, 풍력 등과 함께 ‘포스트 석유시대’의 주목받는 신재생 에너지 중 하나다. 특히 미세조류는 옥수수, 사탕수수, 대두(콩) 등 기존 바이오 연료 생산 작물보다 오일 함량이 풍부하고 이산화탄소를 다량 줄이는 장점을 갖고 있다. 현재 전 세계적으로 상용화된 것은 클로렐라, 스피룰리나 등 5종정도에 불과하다. 대형 수조 등에서 대량 생산한 미세 조류에서 물을 제거하고 농축시킨 덩어리에서 ‘중성지방’ 성분만 뽑아낸 것이 바이오 디젤이다. 전남대학교는 생물공학과 박돈희 교수는 “미세조류 바이오디젤의 장점은 생산성이다. 광합성을 통해 에너지를 만드는 만큼 이산화탄소를 흡수해서 환경에도 도움이 된다며 식량난에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 연료라는 점도 장점으로 손꼽힌다”고 말했다.
미세 조류는 3∼8시간이면 개체수가 배로 불어날 만큼 성장 속도가 빨라 보통 1년에 2회 정도 생산 가능한 옥수수, 콩 등 육상식물과 달리 연 20회 이상 생산이 가능하다. 배양된 미세 조류 1톤에서 5㎏ 정도의 덩어리를 만들어낼 수 있으며, 여기서 약 500㎖의 바이오 디젤을 얻을 수 있다.
한국해양연구원은 지난 2011년 3월, 40톤급 미세 조류 바이오 연료 시험생산 설비를 구축, 10여 종류의 미세 조류를 키우고 있으며 이 시설을 이용해 올해부터 연간 약 600ℓ의 바이오 디젤을 생산할 계획이다. 한국해양연구원 강도형 박사는 “올해 2013년부터는 10㏊급 시설에서 1년에 1만4000㎘의 바이오 디젤 생산이 가능하며 이는 45ℓ들이 경유차에 현재 기준으로 2%씩 섞어 쓴다고 할 때 약 1500만대에 공급할 수 있는 양입니다”라고 말했다. 보통 바이오 디젤 생산 비용은 ℓ당 약 2500∼7500원이지만 현재 한국해양연구원에서 개발한 기술은 약 3500원이다. 올해에는 2000원 이하로 생산할 수 있는 기술을 개발한다는 계획이다.
미국에서 시작된 바이오연료 개발 ‘광풍(狂風)’, 이제는 대한민국
미국의 경우 2012년 바이오디젤 투자규모가 1조 원대를 넘어섰다. 미국은 1차 석유파동 이후에 대체연료를 찾기 위해서 1979년 처음 미세조류 바이오디젤 연구를 시작했다. 이후 잠시 개발 열기가 식었다가 석유고갈 가능성이 대두되면서 관심이 다시 높아졌다. 미국의 다국적 석유화학기업 ‘엑슨모빌(Exxon Mobil Corporation)’ 등 해외 대형 정유업체도 미세조류 연료화 연구개발에 뛰어들고 있다. 엑슨모빌은 2009년 미세조류 바이오연료 개발에 향후 5년간 6억달러를 투자하겠다는 계획을 발표한 바 있다. 이를 두고 세계 에너지 업계는 그린에너지에 회의적인 에너지 기업의 입장을 고려하면 이례적이라는 평가다.
우리 정부도 마찬가지다. 정부가 2009년 5월 발표한 신성장동력 종합추진계획에 따르면 정부는 세계 최초 해조류 바이오에탄올 파일럿 플랜테이션 건설을 2012년까지 완료한다는 계획을 세웠다. 또 해양생물을 이용한 바이오에너지 기술개발사업 연구개발을 2018년까지, 해조류 바이오매스 양산 및 통합적 활용기술 개발도 조속한 시일 내에 완료한다는 계획을 수립한 상태다. 한국해양연구원은 지난 2011년 롯데건설, 애경유화, 호남석유화학과 공동연구협력 양해각서를 체결했다. 본격적 공동연구를 거쳐 미세조류 배양 생산공정 실증실험을 마치고 대규모 생산단지 착공을 추진한다는 계획이다. 이미 지난 3월 연구원 내부에 40톤급 미세조류 바이오연료 실증실험장을 준공하고 지방과 탄수화물 함량이 높은 10여종의 미세조류를 배양 중이다. 연구원은 2013년까지 바이오연료와 고부가 물질을 포함해 3000억 원 이상의 수익을 낼 수 있는 10헥타르(ha)급 생산단지를 완성한다는 목표다. 정부 관계자는 “아직 갈 길은 멀지만 조류 바이오연료는 엄청난 잠재력을 갖고 있어 제대로 개발이 이뤄질 경우 기존 화석연료를 상당 부분 대체할 수 있을 것”이라고 말했다.
KAIST 생명화학공학과 교수는 지난해 6월 열린 과학기술포럼에 참석해 저탄소 녹색성장 등 환경 문제와 에너지 고갈 문제를 동시에 해결할 수 있는 유일무이한 방법은 바이오디젤 개발 기술 밖에 없다고 단언했다. 양 교수는 “에너지 위기가 눈앞에 다가와 있는 현재, 차세대 바이오디젤 기술 개발은 선택의 개념에서 이미 멀어졌다. 해야만 하는 것이다”라고 강조했다.
현재 미래원천기술 장기 R&D 사업인 글로벌 프론티어 연구단 중 ‘탄소순환형 차세대 바이오매스 생산·전환기술’ 연구단의 단장을 맡고 있는 양 교수는 “현재 많은 사람들이 화석 연료를 무분별하게 사용하고 있기 때문에 지구 온난화와 기후 변화 등 환경 문제가 심각해 질 수밖에 없다”며 우리나라도 하루 빨리 뛰어난 바이오디젤 기술 개발을 통해 대체 각별한 대비를 해야 한다"고 설명했다.
미세조류 에너지 개발에 대한 장기적인 투자 이뤄져야 할 것
미세조류로부터 바이오연료 생산하기 위해 가장 중요한 것은 미세조류를 대량 배양하는 시설이다. 아무리 효율이 좋은 종이라 할지라도 대량으로 생산할 수 없다면 산업적으로 이용하는데 문제가 있다. 지금까지 여러 기업들의 투자 유치와 한국해양연구원의 노력에 의해 많이 개선되긴 했으나 헥타르 단위의 대량 배양시설을 갖추는 것이 급선무라고 전문가들은 입을 모으고 있다. 그래야만 지속적인 미세조류의 채집과 분석이 가능하다는 것이다.
한국생명공학연구원 오희목 박사는 “꾸준한 채집과 분석을 통해 높은 오일함량을 가진 미세조류를 지속적으로 발굴하는 것이 중요하다. 이는 새로운 유전을 찾는 작업과 비슷하다. 미세조류는 생물이기 때문에 흉작과 풍작이 있을 수 있다. 1~2종의 미세조류만으로 바이오디젤을 생산하는데 한계가 발생할 수밖에 없다”고 말했다. 오 박사는 오일함량이 높은 미세조류들은 성장이 느리다는 단점이 있다며 오일함량은 낮지만 성장속도가 빠른 미세조류를 대상으로 오일함량을 증가시키는 기술개발도 숙제로 남아 있다고 덧붙였다.
비록 아직은 미세조류가 석유에 비해 경제성을 확보하지 못한 단계지만, 혁신 적인 원가 절감 기술 및 추가 수익 확보 여부에 따라 상업화 시점이 앞당겨질 수 있다. 앞서 언급한 미국항공우주국(NASA) 오메가 프로젝트의 조나단 트렌트 소장은 “미세조류는 운송용 석유를 대체할 수 있는 유일한 에너지 자원이자 한국에서도 대량 생산할 수 있는 미래 생물자원이므로 향후 지속적으로 기술 및 산업 동향을 주시할 필요가 있다”고 강조했다.
현재 각계의 노력과 투자로 인해 우리나라에서도 서서히 그 윤곽을 드러내고 있는 ‘미세조류 바이오디젤’ 에너지 개발과 더불어 대체에너지 자원 개발 및 바이오 기반 기술 확보 관점에서 미세조류에 대한 정부 차원의 장기적인 투자가 이뤄져야 할 것이다.
