기술과 솔루션
생명연, 바이오플라스틱 소재의 친환경 대량생산 해법 찾았다
작성자 : 편집부
2020-01-18 |
조회 : 1935
- 식물유로부터 바이오플라스틱 소재(세바식산) 대량생산 미생물 화학공정 개발
- 기존의 환경오염유발 화학공정을 친환경 저공해 생물공정으로 대체 기대
순수 국내 연구진이 플라스틱 및 다양한 화학제품 원료 소재인 세바식산(sebacic acid)을 식물유 원료로부터 생물학적으로 대량 생산하는 기술을 개발하였다. 이 기술을 활용한 세바식산 생산량은 세계 최고 수준이며, 향후 산업적으로 활용되어 바이오플라스틱 소재 산업 성장에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
그림 1. 미생물 공정을 이용한 식물유의 세바식산 전환공정 개요도
바이오매스인 식물 유래의 기질을 유전공학으로 개량한 미생물을 이용하여 세바식산으로 전환공정
한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연) 바이오상용화지원센터 안정오 박사팀(교신저자: 안정오/이홍원 박사, 제1저자: 전우영 박사)이 수행한 이번 연구는 산업통상자원부에서 추진하는 산업핵심기술개발사업의 지원으로 수행되었고, 영국왕립화학회에서 발간하는 세계적 학술지 ‘그린케미스트리지(Green Chemistry, IF 9.405)’에 12월 7일에 게재되었다.
* 논문명: Microbial production of sebacic acid from a renewable source: production, purification, and polymerization
세바식산(HOOC-(CH2)8-COOH)은 가소제, 윤활제, 화장품 및 플라스틱의 생산을 포함하여 다양한 산업에 응용되는 물질이다.
현재 피마자유(castor oil)를 고온의 열분해(pyrolysis) 공정을 통해, 세바식산이 생산되고 있다. 하지만, 이러한 화학공정은 고온의 합성공정을 수반하며 이러한 과정에서 상당한 양의 황산을 소비한다. 이 과정에서 심각한 환경 오염을 일으킬 수 있는 황산나트륨을 함유한 폐수를 방출하는 등의 문제점이 존재한다. 이에, 세바식산의 주요 생산국가인 중국은 세바식산 생산공장에 관한 환경법령을 적용하여 공장가동 일을 줄이고 있어, 대체 생산기술개발이 요구되고 있는 상황이다.
그림 2. 미생물 기반의 세바식산 생산, 정제 및 중합의 개략도
바이오매스인 식물유래의 기질을 유전공학으로 개량한 미생물을 이용하여 세바식산을 생산하고 고순도로 분리 정제 후 바이오 기반 나일론 610으로 중합하는 공정
연구팀은 기존의 고온·고압의 화학공정을 통한 세바식산 생산을 대체할 수 있는 친환경의 미생물 화학공정*을 개발하고, 생산된 세바식산을 고순도로 분리·정제하는 공정을 개발하였다. 또한, 폴리아마이드 중합공정**을 통해 고성능 바이오 나일론 610(nylon 610)***을 성공적으로 합성하였다.
* 미생물 화학공정: 미생물 공정은 화학공정에 비해 친환경적인 공정, 무한히 재생 가능한 생 촉매 사용과 같은 여러 장점을 가지고 있음
** 폴리아마이드 중합공정: 고온에서 물(H2O)을 제거하면서 카르복실기(-COOH)와 아민기(-NH2) 간의 아마이드 결합(-COHN-)을 생성하는 반응
*** Nylon 610: 세바식산과 헥사메틸렌디아민(Hexamethylenediamine)과의 중합공정을 통해 생산되는 나일론으로 전기 절연체, 정밀부품, 필라멘트 등에 활용된다.
그림 3. (a) 상동성 재조합 방법을 이용한 유전자 카세트의 미생물 유전체로의 삽입 (b) 다양한 유전자의 도입을 통해 만들어진 균주목록 (c) 플라스크 배양을 통한 균주들간 세바식산 생산량 비교
연구팀은 미생물 균주(효모 캔디다 트로피칼리스) 유전자 조작을 통하여, ω-산화 반응*에 관여하는 유전자들을 증폭시킴으로써 식물 유래의 지방산 원료로부터의 세바식산 생산 능력을 향상시켰다. 또한, 배양 공정에 관여하는 온도, pH, 용존산소량, 원료의 투입 속도 등의 조건들을 최적화하여 세바식산을 세계 최고 수준으로 생산(98.3 g/L의 농도와 98%의 생산 수율)하였다.
* ω-산화 반응: 알칸이나 지방산의 ω-위치 탄소를 산화시켜서 알콜기 알데히드기를 거쳐 카르복실기로 전환시켜 주는 반응
그림 4. (a) 미생물 배양기 모식도, (b) 세바식산 생산에 있어서의 배양 3단계 (c) 5L 스케일에서의 세바식산 생산 배양 프로파일 (d) 50L
스케일에서의 세바식산 생산 배양 프로파일
연구팀은 실험실 규모에서 구축한 세바식산 생산 공정을 파일롯 규모(50L 배양기)에서도 성공적으로 재현함으로써 본 연구결과의 산업적 적용 가능성을 확인하였다.
또한, 본 연구팀은 국내 기업인 애경유화㈜, ㈜롯데케미칼, 스몰랩과의 산·연 협동 연구를 통하여, 바이오 공정을 통하여 생산된 세바식산을 고순도로 분리 및 정제하였으며, 중합공정을 통해 바이오 나일론 610(nylon 610)을 성공적으로 합성하였다.
그림 5. 미생물 배양을 통해 얻은 세바식산의 분리 및 정제 (a) 공정흐름도 (b) 실제 세바식산 사진
연구 책임자인 안정오 박사는 “동 연구성과는 재생 가능한 바이오 자원 유래의 세바식산 생산 공정을 통해, 기존의 화학적 생산방법을 대체 가능하다는 것을 보여준 것”이라며, “또한 국내 기업들과의 협업을 통해 세바식산을 나일론 610으로 성공적으로 합성한 것은 산‧연 간 공동 연구가 국내 바이오 산업화기술 경쟁력 강화로 이어지는 좋은 사례가 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.
