수송부문에 탄소를 저감하는 방법으로 가장 주목받는 기술은 배터리를 이용한 전기화다. 하지만 수송부분 전체 에너지 사용량의 45%를 차지하는 장거리 운송 수단인 대형 트럭, 선박, 항공 부문은 에너지 밀도가 높은 연료가 필요해 전기를 사용하는 것에 어려움이 있어 이를 대체하기 위해 바이오 연료가 주목받고 있다.

특히, 바이오 항공유의 경우, 2020년에는 전체 항공유 중 약 0.01%를 차지하는데 불과했지만, 2070년에는 35% 까지 그 수요가 크게 성장할 것으로 예상되고 현재 바이오 항공유를 이용한 시험 비행 사례도 꾸준히 늘어나고 있다.

이러한 가운데 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 광주친환경에너지연구센터 민경선 박사 연구진이 쓸모없이 버려지는 옥수수속대와 같은 폐기물을 고부가 산물인 바이오 항공유의 중간물질인 레불린산으로 전환시킬 수 있는 기술을 개발했다.

기존 레불린산 생산 연구는 주로 꼬시래기, 모자반 등 식용 해조류를 원료로 사용했던 반면 이번 연구에서는 목질계 바이오매스의 일종인 옥수수속대로 레불린산 생산 수율 20%를 달성해 레불린산 생산 원료를 다변화할 수 있다는 가능성을 제시했다.

오일리파이너리를 대체하는 바이오리파이너리는 기존 산업시스템에서 석유로부터 생산하던 에너지, 연료, 화학제품 등을 재생 가능한 바이오매스로부터 생산하는 시스템으로 미래 산업기술로 각광받고 있다. 세계 바이오 시장은 바이오매스 등 원료가 풍부한 국가들 중심으로 성장 중이며, 주요국 정부는 바이오연료 사용 의무화 제도 정책을 도입하고 있다.

우리 정부도 기후변화 대응에 효과적인 수단으로, 그리고 날로 강화되는 국제환경규제에 있어 필수적인 수단으로 친환경 바이오연료를 확대하기 위한 방안 마련에 나서고 있다.

이에 연구진은 옥수수속대와 같은 비식용성 농업폐기물을 활용해 바이오항공유, 바이오플라스틱의 중간 원료인 레불린산을 생산할 수 있는 산화공정을 개발했다. 연구진은 산촉매 농도, 반응 온도, 시간 등을 통계학적 방법으로 최적화 해 옥수수속대 유래 레불린산 생산 수율 최적화에 성공했다.

원래 4-하이드록시 발레르산은 중요도가 매우 높은 물질이지만 바이오매스에서 직접 얻을 수는 없다. 그래서 ① 바이오매스를 산화시켜 레불린산을 얻고, ② 레불린산을 수소화해 4-하이드록시 발레르산을 얻는다.

하지만 이 과정에는 큰 난관이 있었다. ②번 과정에 수소화 과정이 필요한데 실제로 자연계에는 레불린산을 수소화시키는 효소가 없다는 점이다. 하지만 민경선 박사 연구진은 구조 기반 계산과학을 통해 자연계에 존재하지 않는 레불린산 수소화 효소를 이미 개발한 바 있다.

그리고 뒤를 이은 이번 연구로 ①번 과정이 비로소 완성되어 농업폐기물을 포함한 다양한 목질계 바이오매스로부터 레불린산으로, 그리고 4-하이드록시 발레르산으로 이어지는 고부가 가치 프로세스가 드디어 완성된 것이다. 특히, 레불린산을 수소화하는 효소 반응 과정에서 외부 수소 공급 없이, ①번 과정에서 동시 생산되는 개미산을 액상 수소 공여체로 활용 가능해, 전체 공정의 경제성 향상과 바이오매스로부터 생산된 모든 성분을 사용하는 전수 활용에 가까운 공정을 개발했다는 점에서 의미가 크다.

또한 이번 연구는 기존 당 기반 바이오리파이너리에서 부산물로 취급되었던 레불린산을 바이오연료, 바이오 플라스틱의 직접 원료로 활용하는 non-sugar 기반 바이오리파이너리라는 새로운 패러다임을 제시했다. 뿐만 아니라, non-sugar 원료인 레불린산은 수소, 전기가 대체하기 어려운 항공유, 대형차용 바이오 연료로의 중간 원료라는 점에서 의미가 크다.

연구책임자인 민경선 박사는 “성장 과정에서 광합성을 통해 이산화탄소를 흡수하기 때문에 탄소 중립형 원료로 각광받고 있는 바이오매스 중 농업폐기물을 바이오리파이너리의 원료로 활용하여, 레불린산과 같이 다양한 최종 산물로 확장 적용이 가능한 중간 원료로 전환하는 산화 공정 개발 연구는 탄소중립 실현에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다.”고 말했다.

한편 이번 연구는 한국에너지기술연구원의 기본사업인 ‘바이오항공유 생산 수율 10배 향상을 위한 non-natural 생촉매 개발연구’ 과제의 일환으로 수행됐으며, 연구결과는 농업공학 분야 저명 학술지인 ‘바이오리소스 테크놀로지(Bioresource Technology)’에 게재됐다.