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2010 미세조류 정책 포럼
  • 미래환경
  • 승인 2010.08.06 16:18
  • 호수 12

 

 

본지 환경과미래 ‘퓨쳐에코’은 기후변화에 대응하기위한 친환경에너지 개발이 시급한 가운데 바이오연료 시장의 새로운 대안으로 떠오르는 ‘2010 미세조류 포럼’을 개최했다.  관련 기관 및 업계 관계자 100여명이 참석한 가운데 9일 서울시 은평구 한국여성정책연구원에서 열린 이번 포럼은 미세조류에 대한 정부정책과 연구개발 현황에 대한 다양한 발표로 이루어졌다.
퓨쳐에코 최종실 발행인은 “이번 포럼은 참석자 간에 정부 정책 및 다양한 정보를 교류해 바이오 연료 시장에서 우리나라가 나아가야 할 방향을 모색할 수 있는 좋은 계기가 되길 바란다”며 “앞으로도 퓨쳐에코는 그동안 해온 것처럼 환경분야에서 한 발 앞서가는 시각으로 새로운 정보와 비전을 제시할 것”이라고 인사말을 전했다. 이에 이날 포럼에서 발표한 내용을 종합정리 한다.

바이오에너지
세계적인 환경자원위기에 따라 환경시장을 선점하기 위해 유망기술을 전략적으로 육성한다. 정부의 발전전략은 2020년까지 환경기술 산업의 글로벌 Top5진입을 목표로 10대 환경기술을 육성하고 있다. 선정한 10대 환경기술에 생물자원활용 복원기술을 집중 투자하여 생물자원산업으로 육성한다는 방침이다. 생물자원 활용·복원 기술은 선진국의 80%수준으로 2010년 세계생물자원시장은 3,658조원으로 2012년까지 생물자원 연구 및 산업화 지원체계를 구축할 계획이다. 이를 위해 2012년까지 305억원을 투자한다. 이중 생물자원관·생물자원센터·BT기업과 연계, 유용 생물자원 증식·재배단지를 구축하여 운영한다.
현재 1.4%의 신재생에너지 비중을 2011년까지 5%로 확대한다. 신재생에너지 보급의 일환으로 국내에서는 2006년 7월부터 바이오 연료인 바이오디젤을 경유에 0.5% 첨가한 BD5를 시판하며, 이후 매년 0.5%씩 바이오디젤 보급을 높이고 있다. 2010년 현재 BD20 주유소가 서울시 주관으로 수도권매립지 내에 설치될 예정이다. 따라서 생물자원 중의 하나인 미세조류를 이용한 바이오에너지 생산이 주목을 받고 있다. 최근 미세조류 이용 바이오디젤분야가 3년 이내 최다 피인용(54회)된 Chisti(2007)에 따르면 현재까지 연구된 것을 바탕으로 기존 바이오디젤 생산 식물들과 미세조류의 생산성을 비교하면 미세조류가 월등히 생산성이 높다.  Chisti(2007)은 미세조류 배양의 한 형태인 광생물 반응기를 수로형 못을 이용한 대량배양 형태와 비교하여 그 경제적 가치를 따졌다. 미국의 경우 유용 대지면적이 넓어 그 가치를 비교할 만 한 필요성이 없으나, 우리나라의 경우 광생물반응기의 경제적 가치가 있다. 여름철에는 냉매를 이용해 냉방에 사용하는데 다른 신재생에너지에 비해 가격이 저렴해 경제적이다.
미세조류 및 바이오디젤 관련 논문동향에서도 2008년 이후 급격히 늘고 있다. 지속적인 원유가격의 상승과 기존 바이오디젤 생산원자재인 곡물 이용에 대한 경제적, 인간적 부담과 미세조류의 집약적 대량배양기술에 대한 연구가 증가하고 있다. 특허발표 동향에서 1990년대 후반을 시작으로 출원 횟수의 급격한 증가는 석유가격 상승에 따른 신재생에너지 필요성에 따른 것이다. 미세조류 및 바이오디젤 관련 특허는 미국이 47%로 가장 많으며 한국은 3%로 미미하다. 국내 미세조류 및 바이오디젤 관련 특허내용은 바이오디젤 생산 55%, 배양기 회수·분리기술 22%, 배양기술 21%, 기타 2%로 기술개발이 진행되고 있다.

미세조류란
미세조류(Micro Algae)는 습지대나 연못 담수호, 바다와 같은 수상환경에서 서식하는 식물성 플랑크톤으로 최하위 먹이사슬인 단세포 미생물이다. 다른 식물들과 마찬가지로 조류(Algae)는 성장하기 위해 물, 햇빛, 이산화탄소 3가지 조건이 필요하다. 광합성은 미세조류(Micro Algae)에 있어서 중요한 생화학 과정이며 이를 통해 햇빛에너지를 화학에너지로 변환시킨다. 미세조류(Micro Algae)는 크게 단백질(Protein), 탄수화물(Carbohydrates), 지질(Fatty acids 또는 Lipids)등 세가지의 기본 구성물질을 이룬다. 미세조류의 일반적인 조성은 표1과 같다. 표1에서 탄수화물은 발효 과정을 통해 에탄올로 변환이 가능하고 지질은 에스테르(transesterification reaction)를 통해 디젤로 전환이 가능하다. 또한 단백질은 식품(food)이나 동물 사료, 미용재료, 의약품 산업에 중요하게 쓰일 수 있다.
첫 번째 바이오 연료로서 미세조류는 성장환경이나 조건에 따라 대두보다 재배단위당 200배 이상 오일생산성을 갖는다는 것은 대부분의 미세조류 연구가들의 의견이다.
미세조류(micro algae)에서 추출한 오일로 제조된 바이오 디젤의 경우 항공기에 사용되는 항공유로도 적합할 만큼 그 품질이 우수한 것(유동점이 영하14℃)으로 알려져 있다. 해외에서 얼마 전 항공기(바이오킹-루프단자)를 이용하여 성공적인 시험비행을 한 사례도 있다.
바이오 디젤의 원료로서 미세조류는 고급원료이며 기존 유지작물 대안이다. 현재 우리나라는 고도로 산업화 되는 과정에 수자원의 오염이 심각해지고 있고 이를 정화하기 위해 막대한 예산이 들고 있다. 이런 수질오염문제를 해결하기 위한 방법으로 미세조류 배양을 통해 하수오염원인 축산분뇨나 생활오폐수, 음식물찌꺼기 등을 미세조류의 먹이자원으로 사용하여 저비용으로 미세조류를 배양하고, 더불어 인, 질소 등 수질오염원을 원천적으로 하천유입을 막아 수질오염문제도 해결할 수 있다.
참고로 농지로부터 유입된 비료성분이나 하폐수처리장 방류수의 질소, 인으로 하천에 부영양화를 야기해 이를 자연이 치유하는 과정에서 발생한 수체 녹조(조류)들은 수확하여 성분분리과정을 거치면 유용한 바이오에너지의 원료가 되고 유박은 고부가 가치 사업화가 가능하다. 수확기술은 연구개발 중에 있고 성분분리기술은 이미 개발되었다.
미세조류(Micro Algae)는 지구온난화의 원인 물질로 알려진 탄소저감효과도 표 3과 같다.

구체적으로 1ha에서 미세조류(Micro Algae)는 1ton/dw/day을 생산한다고 했을 때 탄소원은 약 786kg이 요구된다.
미세조류(Micro Algae)는 오일을 추출하고 남는 유박(Oil Cake)은 많은 탄수화물을 함유하고 있어 주정(술)발효 제조공정을 거치면 바이오 에탄올로도 전환이 가능하다. 또한 유용한 단백질원(CGF-성장촉진인자 포함)은 위생 처리하여 싼 가격에 공급하면 일본과 같이 학교급식을 통해 성장기 어린이의 부족한 단백질원을 제공하여, 자라나는 어린이들 건강에 도움을 줄뿐만 아니라 CGF를 섭취함으로 성장을 촉진시킬 수 있다.
또한, 축산농가에는 기능성사료로 급여하면 돼지나 송아지 성장을 20%까지 촉진 한다. 출하 시기나 사료급여도 줄여주어 축산비용을 획기적으로 줄일 수 있다. 또한 CGF물질을 축적한 고기는 더 비싼 값에 팔려 추가적인 수익을 낸다. 그리고 연안 양식장의 치어들의 영양 강화제(사료)로 사용할 수 있다. 그밖에 의약품, 화장품원료, 천연도료, 천연케미칼, 바이오비료 등 타산업의 고급원료원로 사용한다.


해외 미세조류 산업기술현황
미세조류(Micro Algae)는 3세대 바이오에너지로써 가치와 가능성을 인정받아 선진각국에서 Screening, Harvesting, Oil extraction등 관련기술을 선점하기 위해 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히 2007년 고유가를 경험하면서 세계 각국은 조류 수확(Algae Harvesting)을 통해 화석연료 대체 연구에 박차를 가하고 있는데 미국의 국립신재생 에너지연구소(NREL-Department of Energy, National Renewable Energy Laboratory)는 미세 조류의 지질(lipid) 생산량을 늘리는 방법 및 생산된 지방질을 이용한 바이오 디젤 생산 연구를 진행하고 있다. 국방연구개발국 또한 항공유의 대체원료로 미세조류의 사용을 모색하고 있다. 현재까지는 바이오 디젤 생산에만 주목하고 탄수화물을 이용한 바이오 에탄올 생산에 관한 연구 과제나 상용화 차원의 지원은 없다. 2009년 9월 토요타 프리우스 플러그인 하이브리드자동차는 algae oil 50갤런을 주입하여 미국횡단에 성공하였다. 농업기업 듀퐁 다운존스 등이 이미 Algae농장 건설을 추진하고 있다. 이처럼 이미 몇몇 회사들은 상업규모로써 조류 기반의 바이오연료가 경쟁력을 갖도록 하기 위한 기술적 문제를 거의 극복했다고 밝히고 있다.
다우, 액손모빌, BP, 세브론과 같은 거대기업들은 최근  조류로부터 재생연료를 개발하는 신생기업에 대규모 투자를 하고 있다. 대표적인 회사를 소개하면 캘리포니아 시의 Sapphire Energy사에 2008년 5월 MS의 빌게이츠가 1억 달러를 투자하였고, 이 회사는 이 자금을 open pond(개방연못)방식 조류 배양장 개발에 투자하고 있다. 이 회사는 원료에서 생산되는 항공유, 휘발유, 디젤유 등과 화학적으로 구별이 불가능한 연료로 정제가 가능한 녹색 원료를 생산한다는 계획을 가지고 있다. 최근의 언론 보도에서 이 회사는 2011년까지 연간 백만 갤런, 2025년까지 재생연료표준 법령의 3%에 해당하는 10억 갤런의 디젤유와 항공유를 연간 생산할 것이라고 발표했다. 한편 또 다른 조류 바이오 연료회사인 Solazyme社는 설탕을 조류의 양분으로 쓰이는 독특한 폐쇄형 연못 기술을 보유하고 있다. 2009년 Solazyme社가 발표한 보도 자료에 따르면, 아르곤 국립과학연구소의 GREET 모델을 사용한 최근의 연구에서 이 회사의 조류 바이오 연료인 Soladiesel을 생산하기 위한 field-to-wheels에서 방출되는 전주기(full life cycle) 온실가스 배출량이 초저유황경우에서 생산되는 표준 원유보다 85%에서 93% 가량 낮다는 결과를 도출했다고 발표했다.
미세조류에서 오일추출 하는 기술로는 Origin Oil社가 있는데 조류에서 기름을 추출해내는 새로운 프로그램을 개발했다고 밝힌 바 있다.
Origin Oil社의 넷 사이트에 올라와 있는 동영상에서는 조류가 떨어질 때 수면에서 기름이 솟아나오는 것을 볼 수 있다. 또한, 콘티넨탈 항공사를 포함한 다수의 국제 항공사들이 실시한 실험 비행에서 조류 연료가 사용되었다.
보잉社의 Billy Glover는 신재생 항공 연료가 2015년경 상업화 될 것이라고 예견한 바 있다. 그밖에 네델란드 등 북유럽-포토바이오렉터 투명유리관을 길게 늘어트려 관내에 조류를 배양하는 방식, 카나다, 미국-블란인드 바이오렉터(빛 가림막 형태로 비닐로 조성하여 수직으로 세워 비닐내에서 배양하는 방식), 일본, 대만-오픈 폰드(낮은 연못을 조성, 수차로 물을 돌려주는 형태의 배양장) 등의 방식이 있다.

국내 산업기술현황
미세조류에서 바이오연료의 원료를 얻기 위해서는 탄수화물이나 지질함량이 높은 미세조류를 Screening하는 기술과 고밀도 대량 배양(Culture)하는 기술 그리고 이들을 저비용 고효율의 수확(Harvesting)하는 기술, 마지막으로 해당 성분을 추출(Oil extraction) 한 후 바이오에너지로 전환하는 기술 등으로 구분된다.
고농도배양기술
미세조류를 에너지로 사업화하기 위해선 대규모 옥외배양을 해야 한다.  국내여건은 옥외배양이 연구소와 같이 쉽지만은 않다. 옥외배양은 경쟁종 침투, 하절기에 집중된 일조량, 배양액의 증발과 집중강우, 적정온도 유지 등 난제가 많아 이를 극복하기 위해 많은 시설비용이 많이 든다.
이같은 이유로 지금까지 미세 조류 배양은 여러 가지 방법들이 제시가 되었으나 경제성이나 기술적 가능성은 검증이 되지 않았다. 바이오연료 생산 원료로써 최적의 미세 조류의 collection과 screening으로 미세조류 중 지질함량이 높고 성장속도가 빠른 균주를 분리 및 선별 우량종주 확보가 우선이다. 바이오 연료용 미세 조류의 생산 방법은 현재까지 크게 세 가지 방법이 이용되고 있다.
①Open pond(개방형) ②Race way pond(개방수로형) ③Photo-bioreactor(광원생물반응기-PBR) 등이 있다. 이중 가장 고밀도로 조류를 배양할 수 있는 방법은 Photo-bioreactor 방법이지만 초기 시설비가 높은 것이 단점이다.
바이오연료로 전환시키는 공정기술
현재 국내에서도 미세조류의 탄수화물(Carbohydrate)과 지질(Fatty acids)로부터 2가지 바이오연료로 전환시키는 공정기술은 기반이 완성된 상태다.<그림1, 2 참조>
지금까지의 지질(lipid) 분리 기술은, 미세 조류를 수확하여 지질을 분리하며 기계적으로 압축(press)하여 lipids을 짜내는 원시적인 방법이다. 특히 크기가 아주 작은 미세 조류의 수확과 de-watering(수분을 15~30%로 낮추는 공정) 과정이 상용화에 큰 걸림돌이다. 그리고 실제 생산에서는, lipid로부터 바이오 디젤 생산 공정은 비교적 간단하지만, 바이오 에탄올 생산 경우에는 미세 조류에 포함된 탄수화물은 글루코오스(C6: 육탄당-탄소가 6개인 당) 뿐 아니라 다른 여러 가지 당이 다당류이므로 이것을 당화, 발효시키기 위한 새로운 공정 개발이 필요하다. 이처럼 바이오 연료 생산 방법에 대해서도 아직 검증된 생산 공정이 수립 되어져 있지 않은 상태이기 때문에 새로운 바이오매스인 미세 조류에 대한 효과적인 생산 공정 개발 필요성이 크다.
소입자인 미세조류의 효율적 수확방법
미세조류는 Life cycle이 짧아 분화 번식 후 100시간이내 가장 빠른 성장을 하며 100시간이 지나면 성장(분화)속도가 현저히 줄어든다. 이때 성장한 조류만을 선별 수확하여 투명밀폐공간에 질소를 차단한 후 고온을 유지(생존모드 유도)하면 바이오연료가 원료가 되는 탄수화물과 지질의 함량이 획기적으로 높아진다. 바이오가스 포집 후 남는 슬러지들은 헤미셀룰로스(섬유질)가 많이 포함되어 있다. 이를 100㎛ 크기(부력이 있는 크기)로 분쇄해 부스터와 함께 배양액에 시비하면, 작은 입자의 미세조류들을 흡착하여 부피를 키워 수확하기에 용이하다. 배재대학교의 조류환경자원 연구실은 배양수로의 낙차를 유도해 수확하는 기술도 발표했다. 이같이 국내기술은 Screening, Culture, Harvesting, Oil extraction, Ester 등의 기술을 완성하여 올해 7월부터 (주)아이엠비즈에서는 전북 완주군 고산면의 덕암마을에 33,000㎡의 배양장이 조성되어 실증연구를 진행하고 있다. 한국수자원공사는 녹조제거기술이 지난 2009년 7월에 실증이 끝난 상태이며 이 기술을 미세조류 수확기술로 활용이 가능하다.

미세조류 이용의 미래
현재 미세조류의 응용산업분야는 농가 비료, 수질정화, 이산화탄소 제어, 약픔과 화장품 원료와 건강식품Chlorophylls, Carotenoids(β-carotene), EPA, DHA 등에 이용하고 있다. 그 외 응용분야 바이오연료, 사료, 첨가제, 동결방지제, 바이오모니터링 등 미세조류의 산업적 잠재력은 매우 크다.
미국의 Biotech, Cyanotech, Omegatech, Martech회사는 Stanford, Maryland, Berkeley, Old Dominion대학과 해양 미세조류 연구를 위한 산학연구 체제를 구축하여 세계 해양바이오산업을 선도하고 있다. 해양미세조류 유래 기능성 물질개발을 통해 이미 사업화에 성공하여 거액의 매출을 올리고 있다.
Cyanotech은 해양심층수를 이용하여 Spirulina, Haematococcus를 대량 배양하여 산업화에 성공했다.
미세조류는 약 25억~30억년전에 지구에 출현해 탁월한 생존능력(육지식물의 30배가 넘는 번식력)으로 현재까지 그 종을 유지해오고 있다. 무성생식으로 20시간에 10배로 증식하는 조류도 있다.
미세조류는 탁월한 번식능력과 독특한 특성들을 가지고 있어 탄소저감, 환경오염, 대체 연료 및 식량, 축산사료, 의약물질 개발 등 산업적으로 다양하게 할 수 있다. 미세조류는 청정한 물을 공급받지 못하는 지역에서도 성장할 수 있어 축산폐수를 정화하는데 이용할 수 있으며 이산화탄소, 질소산화물, 황산화물과 같은 온실가스들을 처리하는 데도 이용할 수 있다. 성장환경의 조건에 따라 차세대 바이오 연료들로 전환시킬 수 있다.
국내에서도 미세조류를 이용한 바이오에너지사업은 지역특화 산업으로 육성하여 지역의 소득증대뿐만 아니라 고용창출이 가능하다. 우리 다음세대를 위해 환경친화적인 미세조류 에너지 기술개발에 필요하다.  

도기현 기자
 

미래환경  eco@ecofuture.co.kr

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