[학술] 바이오매스
[학술] 바이오매스
  • 김강민 / 생명 연구교수
  • 승인 2011.09.28 22:55
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한국형 차세대 바이오매스 작물 개발의 현황

 재생가능, 친환경적인 에너지원의 90%이상 차지
 목질계 바이오매스의 지속적 공급을 위한 원천기술 개발 필요

 현재 지구촌이 누리고 있는 고도의 문명은 석유로 대변되는 화석연료 중심의 패러다임 속에서 발전되어 왔다. 하지만, 수세기에 걸친 화석연료의 과다한 사용은 결국 원료의 고갈과 더불어 지구온난화 및 대기오염 등의 환경적인 문제와 유가상승으로 인한 경제적인 문제등을 초래하게 되었다. 다행히도 금세기에 들어서 이러한 문제들을 해결코자 여러 국가에서 과학적 지식을 토대로 다양한 대체에너지들의 개발에 박차를 가하고 있다. 풍력, 태양열, 지열 그리고 바이오매스와 같이 재생이 가능하고, 친환경적인 에너지원들이 주요 연구 대상이 되고 있다. 이 중 바이오매스를 이용한 에너지가 신재생에너지 분야의 90% 이상을 차지하고 있다.   

 바이오매스는 광의적으로 지구상에 존재하는 모든 유기물로 정의될 수 있겠지만, 신재생에너지 분야에서는 일반적으로 광합성을 통해 빛에너지를 탄소화합물 형태의 화학에너지로 전환시켜 보유하고 있는 육상과 수생 생물 및 그 잔유물들을 지칭하는 경우가 대부분이다. 바이오매스는 필요에 따라 다양한 에너지 형태로 전환될 수 있는데, 가장 높은 비중을 차지하는 것은 수송용 바이오연료로서 기존 내연기관에 대한 화석 연료와의 호환성, 원료 재생의 무제한성, 온실가스 배출 감소 효과를 통한 환경 친화성 등의 장점을 지니고 있기 때문에 대체 연료로서 활발하게 상용화되어 유통되고 있다. 바이오연료는 바이오매스가 함유하는 탄소화합물들을 원료로 하여 다양한 바이오 리파이너리 공정을 통하여 얻어지게 되는데, 최종 산물을 기준으로 크게 바이오디젤과 바이오에탄올로 나뉘어 사용되고 있다. 이미 세계적으로 1,100억불 이상의 바이오연료 시장이 형성되어 있으며, 연간 성장률 또한 20~50%에 다다르고 있다. 정책적인 측면에서도 미국과 EU와 같은 선진국에서는 바이오연료의 의무 사용이 실시되고 있으며, 우리나라의 경우도 바이오연료 개발 사업은 현 정부에서 내세우는 ‘저탄소 녹색성장’의 중점 분야로 육성되고 있다. 바이오디젤은 유채, 대두, 팜, 자트로파, 카멜리나와 같은 유지식물 등의 종자에서 기름을 짜내어서 분별 및 정제 작업을 거쳐서 연료로 사용된다. 한편, 바이오에탄올은 옥수수, 사탕수수, 대두 등의 전분질계 원료를 이용하여 당화 및 발효작용을 거쳐서 생산되고 있다. 하지만, 이 방법은 원료 작물들이 기존의 식량자원과 중복되어 국제 곡물가격 상승(애그플래이션) 등의 부작용을 야기시킴으로 인해 유용성에 한계를 드러내게 되었고, 제1세대 바이오에탄올 작물로서의 효용 가치는 감소하는 추세이다. 대안으로 산림바이오매스 및 농작물의 잉여 조직에 풍부히 존재하는 목질계 셀룰로오스를 원료로 하는 제2세대 바이오에탄올로의 기술 전환이 이루어지고 있다. 최근에는 미세 및 거대조류를 원료로 한 기술들도 개발되고 있고 나아가 바이오연료 생산용 미생물종을 새롭게 합성하는 노력들도 시도하기에 이르렀다. 위에 언급한 모든 방법들에 대한 기술력은 이미 확보되어 있으나 바이오디젤과 전분질계를 기반으로 하는 1세대 바이오에탄올을 제외하면 높은 생산 비용으로 인해 경제성이 확보되지 못한 실정이며, 아직 실제 산업으로의 확대는 이루어지고 있지 않다. 하지만, 미국 및 유럽 등지에서 정부 및 정유회사의 지원을 받은 육상식물을 기반으로 한 목질계 바이오에탄올 공장들이 파일럿 규모로 세워져 가동되고 있고, 실제 상용화를 위한 대단위 공장들도 올해 준공이 됨으로써 제2세대 바이오에탄올의 상용화는 목전에 와있다고 볼 수 있다. 

 한편, 우리나라의 경우 육상식물을 이용한 바이오연료 생산 기술들은 실증화 단계에 머무르고 있으며 원료 수입에 의존한 시범사업들이 제한적으로 이루어지고 있는 수준이다. 하지만, 실용정부가 출범하면서 ‘녹색성장’을 기조로 바이오에너지 상용화를 위한 다양한 연구들이 진행되고 있다. 한국형 고효율 바이오매스 작물 개발을 위해서는 우선으로 우리나라 기후에 적합한 작물의 선정, 바이오매스 관련 형질들의 개선, 대단위 경작을 통한 지속적인 공급, 그리고 실제 연료를 생산하고 유통시킬 수 있는 전방산업의 활성화 등의 요소들이 충족되어야 한다. 이와 관련하여, 현재 농촌진흥청 및 산림과학원과 같은 국책 연구소들은 다양한 에너지작물센터를 운용 중에 있으며, 정부 각 부처들 또한 산곀?연에 걸친 기초 및 응용 연구 사업단을 두고 한국형 바이오매스 작물의 개발에 필요한 R&D에 주력하고 있다. 몇몇 주목할 만한 성과 중 대표적인 것은 아마도 토종 거대억새의 발견일 것이다. 억새는 우리나라에서 널리 자생하고 있는 식물이며, 타식물에 비해서 생장속도 및 에너지 전환 효율이 높아서, 현재 미국 및 EU 등지에서 제2세대 바이오매스로서 가장 각광을 받고 있는 작물이다. 바이오디젤을 생산할 수 있는 유채의 경우도, 제반기술 개발을 통하여 현재 몇몇 지자체에서 관광용으로 재배하는 수준을 넘어서 실제 에너지 작물로서 대단위 재배가 가능한 수준에 도달하였다. 이외에도 작물의 생산성 증대 및 포괄적인 환경 스트레스에 내성을 부여할 수 있는 주요 유전자원들도 확보 중이다. 또한, 실제 연료 생산 공정에 필요한 인프라는 주정 및 유지 산업을 통해 이미 구축되어 있다. 따라서 현재 상황을 종합하여 볼 때, 우리나라의 바이오연료 산업분야 상용화에 있어서 기술적인 부분은 선진국 대비 부족함이 없다고 생각한다. 다만, 여전히 해결해야 할 문제는 바이오 연료의 유통이 아직 몇몇 지자체 및 소규모의 민영회사들을 중심으로 시범적인 수준에서 이루어지고 있고, 전방산업의 시장이 활발히 구축되어 있지 않다는 점이다. 이는 시장을 주도할 수 있는 대기업 등의 참여가 타 국가에 비해서 부족한 점에 상당 부분 기인한다. 이를 개선하기 위해서는 정부가 보다 구체적이며 적극적인 정책 로드맵을 가지고 내수 시장의 형성을 하루빨리 주도할 필요가 있다.

▲ 탄소 배출권 확보를 위한 CDM사업
 한국형 바이오매스 작물의 개발은 에너지 문제의 자구책으로서 뿐만 아니라 새로운 고부가가치 수익을 창출할 수 있는 잠재력이 높은 분야이다. 조림 및 경작 등의 생산 시스템의 구축으로 고용을 확대시킬 수 있고, 탄소배출권 확보를 통한 CDM사업에서 고수익을 기대할 수 있다. 또한, 국제 식물 신품종 보호 동맹(UPOV)에 가입한 우리로서는 신품종 등록을 통하여 종자 주권 수호 및 수출로 인한 로열티 수익을 기대할 수 있다. 이러한 기대효과들이 현실화되기 위해서는, 다양한 바이오매스 증산에 관련된 종자 개량 및 분자마커들의 확보와 이를 응용한 형질 전환된 작물의 개발 및 안정성이 확보된 GMO 품종들에 대한 규제 완화를 위한 노력이 필요하다.     

 현재 우리대학의 생명과학과 및 화학공학과에서는 우수한 연구진들이 융합적으로 바이오매스를 이용한 차세대 연료 개발에 필요한 기술 개발에 참여 중이며, 국내 관련 분야 연구를 선도하고 있다. 특히, ‘발달신호네트워크 연구실’에서는 글로벌 프론티어 사업의 지원을 받아, 식물의 측생분열에 필요한 생장 에너지를 재분배하거나 병 저항성 및 환경 스트레스에 대한 내성을 높임으로써 바이오매스 증산을 유도할 수 있는 다양한 핵심 원천 기술들을 정립해 나가고 있다. 나아가서 이러한 원천기술을 이용한 형질전환 작물을 ‘세포시스템 연구실’과 공동으로 제작하여 민간 기업과 연계하여 몽골 사막 등지에서 대단위 시범경작을 계획함으로써 향후 제한된 국토면적을 해결할 수 있는 지속적인 바이오매스 공급의 교두보를 세우고자 노력하고 있다. 우리대학에서 이루어지는 기초 및 응용연구들을 통하여 얻어진 성과들은 차후 한국형 바이오에너지 산업 구축에 기여할 것이라고 믿어 의심치 않는다. 다만, 세계시장을 선도하고 지속 발전 가능한 산업 분야로 자리매김하기 위해서는 국가 및 기업 등의 전폭적인 지원이 필요하며, 무엇보다 우리 포스텍 학생들과 같이 새로운 분야를 개척하고 선도하고자 하는 젊은 과학자들의 적극적인 관심과 참여가 절실하다.  


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