기후변화와 환경오염 문제를 동시에 해결할 수 있는 혁신적인 기술이 개발됐다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 청정에너지연구센터 고자경·이동기 박사 연구팀은 공기 중 이산화탄소로부터 친환경 바이오플라스틱을 생산하는 생물-전기 융합기술을 개발했다고 밝혔다.
기존의 CCU(Carbon Capture and Utilization) 기술은 복잡한 화학반응 단계를 거쳐야 하고, 생분해성 화합물을 생산하는 경우가 적었다. 반면, KIST의 새로운 기술은 미생물을 이용해 이산화탄소를 생분해성 플라스틱으로 전환함으로써 플라스틱 폐기물 문제를 해결할 뿐만 아니라 추가적인 에너지 투입이 적어 차세대 이산화탄소 전환 기술로 주목받고 있다.
연구팀은 전기화학 시스템과 미생물 배양 시스템을 결합해, 공기 중 이산화탄소로부터 친환경 바이오플라스틱인 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)를 효율적으로 생성할 수 있는 생물-전기 융합기술을 개발했다. PHA는 미생물이 합성하는 천연 고분자로, 토양 및 해양 환경에서도 생분해되어 식품 포장재 및 의료용품 등에 사용된다.
이 기술은 이산화탄소를 먹고 PHA를 만드는 수소 산화 박테리아를 활용했다. 연구팀은 물을 전기 분해해 실시간으로 생산된 수소를 미생물의 에너지원으로 공급해 이산화탄소로부터 바이오플라스틱을 생산하는 시스템을 개발했다. 그러나 물을 전기 분해하는 과정에서 생성되는 독성물질인 활성산소와 금속이온이 미생물의 성장을 저해하는 문제가 있었다.
이를 해결하기 위해 연구팀은 미생물에 대한 독성이 낮고 금속으로 돌아갈 수 있는 구리가 첨가된 촉매를 개발했다. 이 촉매는 활성산소를 빠르게 분해하는 독성물질 자가 해독 메커니즘을 통해 기존 촉매보다 수소 생산성과 활성산소 제거 속도를 높였다. 그 결과, 미생물 유래 PHA 생산성을 300mg/L에서 세계 최고 수준인 487mg/L로 증가시켰다.
생물-전기합성 반응에서 구리의 자가해독 반응 모습 (출처 : KIST)
KIST는 앞으로 이산화탄소로부터 생성되는 PHA의 대량생산을 위해 생물-전기 반응조 대용량화 및 반응 조건 최적화 연구를 수행할 예정이다. 이를 통해 미생물 유래 PHA의 생산 단가를 낮추고, 비닐 및 플라스틱 용기 등 다양한 시장에서 탄소중립을 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”고 밝혔다.
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 주요사업과 바이오의료기술개발사업, 원자력연구개발사업으로 수행됐다. 연구 결과는 국제 학술지 「Advanced Science」 최신호에 게재되었으며, ‘Hot Topic: Carbon Dioxide’에 소개됐다.
친환경투데이 정하준 기자 press@greenverse.net |
