▲(AI생성 이미지)1,3-프로판다이올(1,3-PDO) 생산을 위한 미생물 기반 공정 ⓒ KAIST 제공
폐자원을 활용해 플라스틱과 섬유용 친환경 원료를 대량 생산할 수 있는 바이오 기술을 국내 연구진이 확보했다. 중동발 나프타 수급 불안이 커지는 상황에서 대체 원료의 필요성이 높아지는 가운데 이번 연구 결과에 관심이 쏠린다.
한국과학기술원(KAIST)은 19일 KAIST-한화솔루션 미래연구소가 한화솔루션과 손잡고 바이오디젤 생산 과정에서 발생하는 부산물 '글리세롤'을 활용해 친환경 화학 원료를 생산하는 바이오 플랫폼 기술을 개발했다고 밝혔다.
이번 연구의 핵심은 플라스틱과 화장품 원료로 쓰이는 '1,3-프로판디올(1,3-PDO)' 생산 기술이다. 연구진은 폐자원인 글리세롤을 고부가가치 소재로 전환할 수 있도록 고효율 미생물을 개발하고, 발효 공정을 최적화하는 데 성공했다.
▲1,3-프로판다이올(1,3-PDO) 생산을 위한 미생물 기반 대사공학 전략 모식도 ⓒ KAIST 제공
연구팀은 연구 배경에 대해 "석유 기반 원료에 대한 의존도와 공급망 불안정성 문제를 해결하고, 지속가능한 화학소재 생산 기술을 확보하고자 하는 문제의식에서 출발했다"며 "폐자원을 플라스틱·화장품 등에 활용되는 고부가가치 화학물질 생산에 적용할 수 있다면 친환경성과 자원 순환성을 동시에 확보할 수 있다는 판단 아래, 친환경 바이오 생산 플랫폼 개발을 추진하게 됐다"고 설명했다.
특히 이번 성과는 단순한 실험실 수준을 넘어 실제 산업 현장 적용 가능성을 입증했다는 점에서 의미가 크다. 연구팀은 대형 생산설비 적용 전 단계인 300리터(L) 규모 파일럿 공정에서도 높은 생산성을 유지하는 데 성공했다. 연구실 성과가 실제 공장 환경에서도 재현될 수 있다는 점을 확인한 셈이다.
연구진은 여기에 컴퓨터 시뮬레이션 기반의 '디지털 설계 기술'을 적용해 미생물의 대사 경로를 사전에 설계했다. 또 항생제를 사용하지 않고도 안정적으로 생산이 가능한 '무항생제 공정'도 구축했다. 이를 통해 생산 비용을 낮추고 것은 물론 환경 규제 부담까지 낮출 수 있는 기술적 기반을 마련했다는 평가다.
▲1,3-프로판다이올(1,3-PDO) 생산 공정의 스케일업 및 파일럿 규모 발효 결과 ⓒ KAIST 제공
KAIST에 따르면 이번 성과는 2015년부터 이어진 한화솔루션과의 장기 산학협력의 결실이기도 하다. 이들은 약 10년에 걸쳐 공동 연구를 이어오며 학문적 연구 역량과 산업화 기술력을 결합해 왔다.
연구 과정에서는 모두 6건의 특허가 출원됐고, 관련 논문 13편도 발표됐다. 특히 이번 연구 성과를 담은 논문은 세계적 학술지 <네이쳐 케미칼 엔지니어링(Nature Chemical Engineering)> 5월 12일 자에 게재됐으며, 5월호 표지논문으로도 선정됐다. 연구에는 조재성 연구원과 신디 프리시리아 수르야 프라보워 박사가 공동 제1저자로 참여했고, 이상엽 KAIST 특훈교수가 교신저자를 맡았다.
김정대 한화솔루션 연구소장은 "이번 연구는 바이오 기반 원료를 활용해 기존 석유화학 공정을 대체할 가능성을 확인했다는 점에서 의미가 크다"며 "지속가능한 화학소재 생산과 산업 적용의 중요한 기반이 될 것으로 기대한다"고 말했다.
이상엽 KAIST 생명화학공학과 특훈교수도 "미생물 기반 화학물질 생산이 실험실을 넘어 실제 산업 규모로 확장될 수 있음을 보여준 사례"라며 "앞으로 다양한 화학소재를 보다 친환경적으로 생산하는 데 기여할 것"이라고 밝혔다.
▲(왼쪽부터)KAIST 문천우, 한화솔루션 방현배, KAIST 신디, KAIST 이상엽, KAIST 기민정, 한화솔루션 조창희, (상단) KAIST 조재성, 한화솔루션 장남진 ⓒ KAIST 제공