기후변화 시대 해법은 바이오연료

지난해 12월 세계 195개국 지도자들이 프랑스 파리에서 열린 ‘유엔기후변화협약 당사국 총회’(COP21)에 참석해 머리를 맞댔다. 논의 주제는 ‘지구 온난화를 어떻게 멈출 것인가’였다. 이를 통해 금세기 말까지 지구 평균온도의 상승폭을 산업화 이전 대비 1.5도로 제한하는 목표가 설정됐고, 이는 최종 합의문에 담겼다.

●석유·석탄 등 화석연료 줄여야 산다

전문가들은 급격한 기후변화를 막기 위해서는 산업현장이나 일상생활에서 발생한 온난화 가스인 이산화탄소를 생성된 만큼 줄이는 ‘탄소 중립성’에 도달하는 게 급선무라고 입을 모은다. 탄소 중립성을 위해 필요한 것은 석유나 석탄 등 화석연료에 대한 의존 정도를 줄이는 것이다. 이 때문에 해조류를 이용한 바이오 연료 연구개발이 최근 들어 다시 활발하게 이뤄지고 있다.

캐나다 컨커디어대 무스쿠마란 파키리사미 교수팀은 “청색조류(남조류)의 광합성과 호흡 과정에서 만들어지는 전자를 포집해 전기 에너지를 얻는 기술을 개발했다”고 지난해 말 발표했다. 연구 초기 단계이기는 하지만, 좀더 기술을 발전시키면 휴대용 스마트기기와 컴퓨터 등에 전력을 공급할 수 있는 수준에 이를 것으로 기대되고 있다.

미국 워싱턴주립대 생물시스템공학과 빈 양 교수팀은 옥수수 줄기의 ‘리그닌’ 성분을 비행기 제트연료로 쓸 수 있는 탄화수소로 전환하는 촉매공정을 개발해 주목받고 있다. 리그닌은 침엽수나 활엽수의 목질부를 구성하는 지용성 페놀 고분자로, 지구상에서 가장 풍부한 재생 가능 탄소자원으로 주목받고 있다.

최근 일본의 한 바이오 벤처 기업은 ‘연두벌레’라고 불리는 0.05㎜ 크기의 원생동물 유글레나를 이용해 항공기 연료를 만들겠다는 계획을 밝히기도 했다. 미세조류의 일종인 유글레나는 체내 엽록소로 광합성을 하기도 하지만, 입이나 수축포를 자유롭게 움직이는 동물적 특성도 가진 중간적 성격을 가진 생물체다. 산소가 부족한 환경에서 유글레나는 불용성 탄수화물인 ‘파라밀럼’을 분해해 ‘왁스 에스테르’라는 제트 연료성분과 비슷한 기름을 만들어 낸다. 업체는 이를 정제해 항공기에 쓰겠다는 것이다.

바이오 연료는 이미 일상생활에서 조금씩 사용되고 있다. 우리나라에서도 일부 지방자치단체가 바이오 디젤을 이용한 버스를 시범 운영하고 있기도 하다. 시범 운영하는 수준을 넘어 화석연료를 대체할 수 있을 정도가 되기 위해서는 두 가지 조건이 필요하다.

우선 현재 쓰는 화석 연료와 구성비율이나 성분이 동일해야 한다. 인류가 가장 많이 쓰고 있는 화석연료는 ‘가솔린’, ‘디젤’, ‘제트연료’ 등 3가지다. 각각의 연료는 원유를 분리·정제해 나온 물질들을 섞어 만든 탄화수소혼합물로 내연기관의 성질에 따라 혼합 비율을 조절해 쓰고 있다.

예를 들어 가솔린은 노킹 현상을 억제하는 ‘이소옥탄’의 함유량을 높이고, 디젤은 착화성이 좋은 ‘세탄’의 함유량을 높이는 방식이다. 생물자원을 가공해 만든 바이오 에탄올은 부식이 잘 되고 물을 흡수하는 성질이 커서 바로 내연기관에 사용하기 어렵다. 기존 프레임이나 엔진을 교체하지 않고도 바이오 연료를 사용하기 위해서는 이런 단점을 보완하는 한편 현재 같은 가솔린이나 디젤과 동일한 성분의 탄화수소를 갖고 있어야 한다.

●非식용자원으로 바이오 연료 개발 시급

또 비(非)식용자원으로 만들 수 있는 바이오 연료 개발도 중요하다. 바이오 연료라고 하면 옥수수나 사탕수수로 만든 ‘바이오 에탄올’과 대두나 유채로 만든 ‘바이오 디젤’이 대표적이다. 문제는 이들을 이용한 바이오 연료 생산이 식량자원 낭비와 국제 곡물가격 폭등 원인으로 지목받고 있다는 점이다. 이 때문에 최근에는 폐목재나 해조류 등을 이용해 화석연료와 동일한 성분의 탄화수소를 생산할 수 있는 방법이 주목받고 있다.

바이오 연료가 갖는 이런 문제들을 해결하기 위한 대안으로 주목받는 것이 ‘합성생물학’(Synthetic Biology)이다. 새로운 기능을 가진 생명체를 만들기 위해 기존 생명체의 서로 다른 기능을 인공적으로 합성하는 학문으로 생물학·분자생물학 등 생명과학과 전기·전자·컴퓨터공학 등 기술과학을 결합한 분야다. 미국 MIT, 버클리캘리포니아대(UC버클리), 프린스턴대 등 미국의 대학을 중심으로 연구가 시작돼 우리나라와 유럽, 일본 등에서도 관심을 갖고 있다.

●생화학 반응 최적화하는 합성생물학

합성생물학에서 주목하고 있는 분야 중 하나가 바로 생물자원에서 바이오 연료나 의약품을 생산하는 ‘바이오 리파이너’이다. 실제로 미국의 LS9, 아미리스 등 바이오 연료 생산업체들은 합성 미생물을 이용해 에탄올, 디젤, 항공유 등을 시험 생산해 성과를 거두고 있다. 특히 목질계 셀룰로오스나 해조류를 이용하는 차세대 바이오 연료시장에서 생화학 반응을 최적화하기 위한 수단으로 합성생물학은 중요한 위치를 점하고 있다.

한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 관계자는 “바이오 연료의 생산효율을 높이기 위해서는 원료가 되는 생물자원의 성장속도와 기름 함량, 추출의 용이성 등 여러 부분에서 최적화가 필요하다”며 “합성생물학은 바이오 연료의 생산 효율을 높이는데 획기적인 방법이 될 수 있을 것”이라고 설명했다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr