V. 바이오매스 효소 당화 기술

효소 당화(enzymatic saccharification)는 리그노셀룰로직 바이오매스의 전처리 공정 이후 활용 가능한 당을 추출해내는 공정

- 효소란, 비 생물학적 촉매와 같이 작용하는 고분자 형태의 단백질로 구성됨

- 일반적으로 바이오매스의 당화 공정은 산 가수분해(acid hydrolysis), 동시 당화 및 발효(simultaneous saccharification and fermentation; SSF), 동시 당화 및 공동 발효(simyltaneous saccharification and co-fermentation; SSCF)로 분류됨

- 동시 당화 및 발효 공정은 셀룰로오스를 효소(enzyme)로 당화하여 글루코오스로 분해하는 당화와 글루코오스를 발효하는 과정이 동시에 진행되는 공정

1) 미생물로는 주로 글루코오스만 발효할 수 있는 효소인 사카로미세스 세레비시아(Saccharomyces cerevisiae)가 사용

2) 한 배치(batch) 내에서 당화와 발효 공정이 동시에 이루어져 당 축적이 줄어들기 때문에 당화 효소의 억제 작용을 감소시킬 수 있다는 장점

3) 글루코오스 이외의 당인 자일로오스를 발효하지 못하기 때문에 바이오매스의 헤미셀룰로오스 부분이 활용되지 않는다는 단점

- 동시 당화 및 공동 발효 공정은 글루코오스와 자일로오스 같은 다양한 당을 동시에 발효(co-fermentation)

1) 사용 미생물로는 글루코오스와 자일로오스 모두를 발효할 수 있는 효소로 유전자 변형 미생물이 사용

2) 리그노셀룰로직 바이오매스를 구성하는 당인 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스 성분 모두를 활용할 수 있어 당 수율이 높다는 장점

3) 하지만, 글루코오스와 자일로오스를 모두 효율적으로 발효할 수 있는 미생물이 필요하고 효소의 안정성과 미생물 조합이 중요

효소 당화에 영향을 미치는 인자

- 효소 활성도(enzyme activity)

1) 효소 접종량에 따라 바이오매스를 구성하는 당을 얼마나 추출 해낼 수 있는지에 대한 효소 활성도를 분석하는 것이 가장 첫 번째 단계

2) 당화력을 분석하는 방법으로, CMCase activity(β-1, 4-endoglucanase) 분석, Filter paper activity(FPA) 분석, β-glucosidase activity(BGL) 분석, avicelase activity 분석, xylanase activity(XYL) 분석, pectinase activity 분석 등이 있음(농림축산식품기술기획평가원, 2015)

- 반응 온도

1) 효소는 단백질로 구성되어 있기 때문에 일정 반응 온도 이상에서 단백질 구조의 변성이 일어나 활성도가 떨어짐

2) 반응 온도를 조절해가며 효소 활성에 대한 적절한 반응 온도를 찾아내는 것이 중요

 

- pH

1) 단백질의 구성요소인 아미노기는 배양액의 pH에 따라 그 구조에 변성이 생김

2) pH를 조절해감에 따라 추출된 당 농도를 분석하여 최적의 배양액 pH 조건을 찾아내는 것이 중요

 

- 배양액 내 기질의 농도

1) 배양액의 부피와 효소 접종량이 고정되어 있다면 최종 물질의 생산을 위해 사용한 바이오매스 기질의 농도 또한 전체 생산량에 영향을 미침

2) 이는 기질 저해(substrate inhibition) 효과로 인해 생기는 현상으로 일정량 이상의 기질이 배양액 내부에 첨가되면 효소의 활성이 더이상 증가하지 않음

 

- 반응 시간

1) 접종된 효소가 모두 기질과 반응하여 더이상 최종 물질의 양이 증가하지 않는 시점이 최적의 반응 시간

2) [그림 III–3]에서 나타내었듯 글루코오스 생성량이 초기 반응 시간에서는 가파르게 증가하다가 반응 시간이 길어질수록 글루코오스 생성량이 점점 감소하는 모습을 보임

3) 따라서, 설정한 반응 조건에서 적절한 반응 시간을 찾아내는 과정이 필요함

 

효율적 당화의 중요성

- 생분해성 바이오 플라스틱의 생산을 위해서, 당화 공정을 통해 효율적으로 당을 추출하는 것이 중요한 단계임

- 한국화학연구원은 젖산(lactic acid) 생산을 위한 ‘바이오매스의 당화 방법’에 관한 연구를 진행하였으며, 그에 대한 특허를 보유함(등록특허: 10-2108097, 2020)

- SK이노베이션㈜은 바이오매스의 전처리 공정부터 시작하여 ‘효과적인 불순물 제거와 당 분리를 통한 바이오매스로부터 셀룰로오스 당을 제조하는 방법’에 관한 특허를 보유함(등록특허: 10-1663110, 2016)

- SK케미칼㈜은 당화를 위한 균주인 검은비늘버섯(Pholiota asiposa) SKU714를 이용하여 셀룰로오스를 생산하고, 생산된 셀룰라아제를 이용하여 셀룰로오스를 당화하는 방법에 관한 특허를 보유함(공개특허: 10-2013-0097582, 2013)

- 삼성전자㈜는 ‘해조류 바이오매스의 전처리 및 당화 방법’에 관한 특허를 보유함(공개특허: 10-2010-0093253, 2010)

- 이처럼 국내에서 더 효과적인 바이오매스 유래의 당 추출을 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이를 뒷받침하기 위한 연구도 진행되고 있음

- 효율적인 당 추출을 위해서는 바이오매스 원료의 특성에 따른 효소의 선택이 먼저 도입되어야 하며, 시행착오를 통해 최적화된 당 생산을 진행해야 함

 

 

VI. 결론 및 시사점

 

 

 

- 플라스틱 사용의 규제가 강화되면서 석유계 원료로부터 생산되는 플라스틱을 대체하기 위해 바이오 플라스틱생산을 위한 다양한 노력들이 있다. 특히 바이오 플라스틱 생산을 위해 사용되는 바이오매스 자원으로부터 셀룰로오스계 당을 효율적으로 추출하여 생분해성 바이오 플라스틱의 기초 원료로 전환함으로써, 석유계 원료 기반 플라스틱의 대안으로 활용될 수 있다. 주요 전환 과정으로 바이오매스의 전처리, 효소 당화 단계를 포함하며, 이 과정에서 얻어진 셀룰로오스계 당은 PLA, PHAs, PBAT와 같은 친환경 고분자 소재의 원료로 사용될 수 있다.

 

- 셀룰로오스계 바이오매스의 리그닌 제거와 효소 접근성 향상을 위한 전처리 기술의 최적화가 필요하다. 또한, 다양한 바이오매스의 특성에 맞는 전처리 방법을 개발하여 셀룰로오스의 당 전환 효율을 높이는 효율적인 전처리 및 당화 기술 개발이 필요한 상황이다.

 

- 또한, SSF SSCF와 같은 통합 공정을 활용하여 PLA, PHAs와 같은 유용한 고분자 물질 생산을 위한 전환 과정을 간소화하고, 고수율의 당을 전환하는 시스템 구축이 필요하다. 통합 공정을 통해 현재 사용되지 않는 리그노셀룰로직 바이오매스의 활용도를 높이고 전체 비용 절감에 기여할 수 있을 것으로 전망된다.

 

- 마지막으로, 생분해성 바이오 플라스틱 산업의 발전을 위해서는 정부의 정책적 지원과 연구 및 생산 인프라 구축이 필수적으로 요구된다. 정부와 산학연이 협력하여 생분해성 바이오 플라스틱의 시장 경쟁력을 확보함으로써 기술의 확보가 필요한 시점이다. 셀룰로오스계 당 전환기술은 지속 가능한 자원 순환 경제를 실현할 수 있는 주요 기술로, 향후 더 높은 효율성과 경제성을 갖춘 기술 개발이 이뤄진다면 생분해성 바이오 플라스틱 산업에 큰 기여를 할 것으로 사료된다.