Environment
목재 폐기물에서 화학 물질을 제조하는 환경 친화적 방안
장종엽엔에스
2010. 3. 19. 00:25
| KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 2010-03-11 | ||||||
이러한 성과는 유해한 부산물을 제거하는 저비용의 환경 친화적인 방안에 대한 수요를 충족시켜 줄 것으로 기대된다. 뿐만 아니라 목재 폐기물이 지속 가능한 자원(sustainable resource)으로 활성화될 가능성이 있다. 이 연구는 2010년 3월 2일 미국 국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences, USA)에 발표됐다. 바이오에탄올과 같은 바이오연료 및 화학 물질의 생산에 있어서 식물 폐기물 또는 목재 폐기물의 이용은 식량 생산과 경쟁할 필요가 없는 원료를 다룬다는 장점이 있다. 그러나 소위 2세대 원료(second generation raw materials)라고 명명하는 이러한 재료의 이용은 아직까지는 현실성을 갖추지 못하고 있다. 리그노셀룰로스(lignocellulose)의 형태로 목재에서 관찰되는 당은 바이오매스를 이용할 수 있는 원료로 전환하는 데 있어서 미생물은 이러한 물질을 자연적으로 원활하게 소화시키지 못한다. 먼저 이러한 복잡한 당은 해리되어 소화가 가능한 단위로 분해될 필요가 있다. 이 과정은 푸란(furan)과 같은 유해한 부산물을 발생시키고, 발효 공정을 강력하게 방해할 수 있다. 에테르 추출(ether extraction), 알칼리 침전(alkaline precipitation) 등과 같은 푸란 유도체를 제거하는 몇 가지 방안이 보고된 바 있다. 그러나 푸란 유도체를 분해하는 공정은 미생물을 이용하는 것이 가장 중요한 대안적 접근이라 할 수 있다. 발효가 가능한 당은 리그노셀룰로오스성 바이오매스로부터 다양한 전처리와 가수분해(hydrolysis)를 거쳐 해리된다. 주요 독성 푸란 유도체는 HMF(Furfural, 2-furaldehyde, CAS number 98-01-1), 5-(hydroxymethyl)furfural(HMF, CAS number 67-47-0) 등 이다. 이러한 물질은 분자 수준에서 치명적인 손상을 주어 이스트와 박테리아 모두에서 성장 속도 감소, 에탄올 산출량 감소, 생산력 감소 등을 유발한다. 따라서 효율적인 해독(detoxification) 방안은 발효 원료로 리그노셀룰로오스성 가수 분해 산물(lignocellulosic hydrolysate)의 이용성을 개선하는 것이다. 연구진은 토양에서 Cupriavidus basilensis를 분리하여 생화학적 및 유전적 수준에서 푸란 유도체의 분해 경로를 특성화했다. 구조 유전자는 유일한 탄소 공급원으로 푸란 유도체를 이용할 수 있는 가계를 생성시키는 숙주인 Pseudomonas putida S12에서 발현됐다. 새롭게 특성화된 유전자 서열을 이용하여 다른 박테리아의 푸란 유도체는 분해 특성 역시 예측될 수 있었다. 과거에는 푸란 유도체를 분해하기 위하여 발효에 변형을 적용하였으나, 새로운 접근 방법은 해독 전처리에 필요한 조건을 우회하고 리그노셀룰로오스성 가수 분해 산물에서 전체 이용 가능한 탄소의 양을 개선하는 방식을 사용한다. TU Delft 생명공학부 산업 미생물학 교수인 Han de Winde는 새로운 박테리아를 활용한 공정이 푸란을 분해하는 공정으로 목재 폐기물에서 2세대 화학 물질 및 연료를 생산하는 동안 유해한 물질을 제거하는 해독 방법에 대한 초석을 다지게 됐다고 밝혔다. 새로운 방법은 현재 푸란을 제거하는 고비용의 비환경친화적인 방법을 피할 수 있는 대안이 될 수 있다고 de Winde은 지적했다. 또 지속 가능한 원료로 목재 폐기물을 사용하는 것은 훨씬 더 매력적인 제안이라고 de Winde는 덧붙였다. 이 연구는 B-BASIC(Bio-based Sustainable Industrial Chemistry) 컨소시엄의 일환으로 수행됐다. 이 프로그램은 에너지 및 화학 물질의 지속 가능한 생산에 대한 새로운 개념을 발전시켰으며, ① 보다 더 청정한 생산, ② 폐기물 재활용, ③ 경쟁력 있는 시장 점유 등과 같은 이득을 취할 수 있을 것으로 기대된다.
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