한국생명공학연구원(원장 김장성) 바이오상용화지원센터 안정오 박사팀이 식물유로부터 바이오플라스틱 소재를 대량생산하는 미생물 화학공정을 개발했다. 또한 국내 기업들과 협업을 통하여 세바식산을 고성능 바이오나일론610으로 합성하는데 성공했다. 기존의 환경오염유발 화학공정을 환경 친화적인 생물학적 생산 공정으로 대체한 이번 개발은 향후 산업적으로 활용되어 바이오플라스틱 소재 산업 성장에 큰 기여를 할 것으로 기대를 모으고 있다.

국내 연구진이 플라스틱 및 다양한 화학제품 원료 소재인 세바식산(sebacic acid)¹을 식물유 원료로부터 생물학적으로 대량 생산하는 기술을 개발해 주목을 끌고 있다. 한국생명공학연구원 바이오상용화지원센터 안정오 박사팀은 올해 초, 기존 심각한 환경오염을 일으킬 수 있는 세바식산 제조 공정을 대체하는 친환경 미생물화학공정²을 개발했다. 이를 통해 생산된 세바식산을 고순도로 분리·정제하는 공정을 개발하였으며, 폴리아마이드 중합공정³을 통해 고성능 바이오나일론610(Nylon610)⁴을 합성하는데 성공했다. 친환경적인 생물학적 생산 공정 개발 세바식산(HOOC-(CH2)₈-COOH)은 가소제, 윤활제, 플라스틱 및 화장품 등의 생산을 포함하여 다양한 산업에 응용되는 물질로, 특히 정밀부품, 필라멘트 등에 활용되며 내화학성, 유연성, 내구성 등의 강점을 지닌 나일론의 전구체로 활용할 수 있다.

세바식산은 현재 피마자유(castor oil)를 고온의 열분해 공정을 통해 생산되고 있다. 하지만 그 과정에서 고온의 합성공정을 수반하여 상당한 양의 황산을 소비하는데 이 때 환경오염 유발 물질인 황산나트륨을 함유한 폐수를 방출하는 등이 문제가 되고 있다. 이러한 화학공정 상에서 생기는 문제로 인해 주요 생산국인 중국은 문제 해결을 위하여 세바식산 생산 공장에 대한 환경법령을 적용해 공장가동일을 줄이고 있다. 더불어 최근 석유화학 기반의 원료나 공정을 대체할 수 있는 바이오 유래의 원료를 활용하여 생물학적 공정 기반의 환경 친환적인 생산 공정에 대한 연구의 필요성이 꾸준히 제기되고 있다.

“최근 지속가능한 탄소경제를 지향하는 글로벌 트렌드에 과연 어떤 바이오화학소재 및 생산 공정을 개발하는 것이 기존 화학공정에 경쟁력을 지닐지에 대한 고민을 했다”는 연구팀은 “당질계의 경우 대사과정 중 생성물의 중량이 감소하는 반면, 지질계의 경우 생성물의 중량이 증가하여 기질대비 생산 수율이 우수할 수 있다는 점과 비식량용인 경우 자원 활용에도 장점을 갖기 때문에 지질계 기질을 활용하는 연구를 하게 됐다”고 연구하게 된 계기를 밝혔다.

이번 바이오매스 원료 기반의 생물학적 생산 공정 개발을 통하여 보다 안전하고 에너지 절감이 가능한 친환경적이며 지속가능한 탄소경제로의 전환은 물론, 다양한 고부가 정밀화학 소재 생산이 가능한 플랫폼 기술 제공이 가능하게 되었다. 국내 바이오 기술 경쟁력 강화 기대 연구팀은 미생물 균주(효모 캔디다 트로피칼리스) 유전자 조작을 통하여 ω-산화 반응에 관여하는 유전자들을 증폭시킴으로써 식물 유래의 지방산 원료로부터 세바식산 생산 능력을 향상시켰다. ω-산화 반응6은 알칸이나 지방산의 ω-위치 탄소를 산화시켜서 알콜기 알데히드기를 거쳐 카르복실기로 전환시켜 주는 반응이다.

연구팀은 또한 배양 공정에 관여하는 온도, pH, 용존산소량, 원료의 투입 속도 등의 조건들을 최적화하여 세바식산을 98.3g/L의 농도와 98%의 생산 수율을 보이는 공정을 개발하였다. 그리고 실험실 규모뿐만 아니라 파일롯 규모인 50L 배양기에서도 개발한 공정을 성공적으로 재현함으로써 산업적 적용 가능성을 확인하였다.

이어 연구팀은 애경유화(주), ㈜롯데케미칼, 스몰랩 등 국내 기업과의 협동 연구를 진행하며 바이오공정을 통하여 생산된 세바식산을 고순도로 분리 및 정제하였으며 중합공정을 통해 바이오나일론610을 성공적으로 합성하였다. 연구 책임자인 안정오 박사는 “이번 연구 성과는 재생 가능한 바이오자원 유래의 세바식산 생산 공정을 통해 기존의 화학적 생산방법을 대체 가능하다는 것을 보여줬다”며 “국내 기업들과의 협업을 통해 세바식산을 나일론610으로 성공적으로 합성한 것은 산·연 간 공동 연구가 국내 바이오 산업화 기술 경쟁력 강화로 이어지는 좋은 사례가 될 것으로 기대한다.”고 밝혔다.
 

연구내용 세계적인 학술지에 게재

한편, 이번 연구는 산업통상자원부에서 추진하는 산업핵심기술개발 사업의 지원으로 수행되었으며, 연구에 관한 전반적인 내용은 영국왕립화학회에서 발간하는 세계적인 학술지 ‘그린케미스트리지(Green Chemistry)에 게재되었다.