이산화탄소에서 바이오플라스틱 추출···기존보다 20배 더 많이

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 이산화탄소에서 바이오플라스틱을 만들어 온실가스 감축, 탄소 중립에 기여할 수 있는 친환경 기술을 개발했다. 유사한 시스템 대비 바이오 플라스틱을 뽑아낼 수 있는 연구 결과다.

한국과학기술원(KAIST)은 이현주 생명화학공학과 교수와 이상엽 특훈교수 공동연구팀이 전기화학적 이산화탄소 전환과 미생물 기반의 바이오 전환을 연계한 시스템을 개발해 이산화탄소로부터 높은 효율로 바이오 플라스틱을 생산하는 기술을 개발했다고 30일 밝혔다.

이상엽 교수(왼쪽)과 이현주 교수(오른쪽)..(사진=KAIST)

이산화탄소를 효율적으로 전환하기 위해 고효율 전극 촉매와 시스템 개발이 이뤄지고 있다. 주로 탄소 1~3개의 화합물만이 제한적으로 생산된다. 일산화탄소, 포름산, 에틸렌과 같은 탄소 1개의 화합물이 비교적 높은 효율로 생산된다. 이 밖에 에탄올, 아세트산, 프로판올과 같은 여러 개 탄소의 액상 화합물도 만들 수 있지만 화학반응 특성상 전환 효율, 생성물 선택성이 낮았다.

이에 연구팀은 전기화학적 이산화탄소 전환 기술과 미생물을 이용한 바이오 전환 기술을 연계해 이산화탄소로부터 바이오 플라스틱을 생산했다. 개발한 전기화학·바이오 하이브리드 시스템은 전기화학 전환반응이 일어나는 전해조와 미생물 배양이 이루어지는 발효조가 연결된 형태를 이용한다.

전해조에서 이산화탄소가 포름산으로 바뀌면 이 포름산을 발효조에 공급해 ‘커프리아비더스 네케이터’라는 미생물이 탄소원으로 섭취해 미생물 유래 바이오 플라스틱인 ‘폴리하이드록시알카노에이트’를 만든다.

특히 연구팀은 기체 상태의 이산화탄소를 이용한 기체 확산 전극으로 포름산을 만들었다. 전기화학 반응이 충분히 잘 일어나도록 하는 전해액이면서 미생물 배양 배지로 이용할 수 있는 ‘생리적 호환 가능한 양극 전해액’을 개발해 별도 분리·정제과정 없이 바로 미생물에게 공급했다. 또 전해액이 발효조로 들어가 미생물 배양에 쓰이고, 전해조로 들어가 순환시켜 전해액과 남은 포름산의 활용 정도를 높였다.

그 결과, 이산화탄소로부터 세포 건조 중량의 83%에 달하는 높은 함량의 바이오 플라스틱을 생산하고, 기존 연구 대비 20배 이상의 생산성을 높였다. 시스템의 연속 배양 가능성도 보여줘 다양한 산업공정으로 응용 가능성도 제시했다.

이현주 교수와 이상엽 특훈교수는 “바이오 플라스틱뿐만 아니라 다양한 화학물질 생산에 응용할 수 있는 기술”이라며 “앞으로 탄소 중립을 위한 핵심 기술로 많은 활용을 기대한다”고 했다.

연구 결과는 국제 학술지인 ‘미국국립과학원회보(PNAS)’에 지난 27일자 온라인으로 게재됐다.