[SEA&뉴스] 블루바이오 이야기 7 / 해조류가 미래를 움직인다
우리나라의 신재생에너지는 ‘신에너지 및 재생에너지 개발, 이용, 보급촉진법 제31조’에 의해 석유, 석탄, 원자력, 천연가스가 아닌 에너지로 태양열, 태양광, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지, 연료전지, 석탄액화가스, 수소에너지 등 11개 분야가 지정되어 있다.
이 중 바이오에너지와 관련이 깊은 ‘바이오매스’는 생명체를 의미하는 ‘bio’와 양을 의미하는 ‘mass’가 결합된 용어로 ‘생물량 또는 생물체량’을 말한다. 이 바이오매스를 통해 생산되는 에너지가 ‘바이오에너지’다.
바이오에너지 생산에 사용되고 있는 바이오매스는 유채, 콩, 팜(야자) 등의 유지작물과 옥수수, 감자 등의 전분질계, 사탕수수와 사탕무 등의 당질계, 폐목재와 볏짚 등의 목질계, 가축분뇨 및 사체 등의 유기성폐기물과 슬러지 등을 들 수 있다. 이러한 바이오매스로부터 바이오알코올, 바이오디젤 및 수소, 메탄 등의 바이오가스를 얻는다.
해조류로부터 바이오에탄올 생산
현재 상용화되어 있는 바이오에탄올의 원료는 사탕수수, 사탕무, 옥수수, 감자 등이라 식량을 에너지로 사용한다는 데 따른 도덕적 문제, 원료수급 문제를 야기하며, 이로 인해 식량자원의 가격 상승까지 동반되는 문제가 있다. 또한 농약 및 비료 사용에 따른 토양 부식과 물 부족 문제도 제기되고 있는 실정이다.
따라서 지상에서의 한계를 바다에서 극복하고자 하는 노력이 바이오에너지 개발에서 이루어지고 있다. 해양은 지구상의 70% 이상을 차지하고 있으며, 우리나라의 경우 3면이 바다로 이루어져 있어 풍부한 해양환경을 이용한 바이오에너지 생산이 중점적으로 연구되고 있다.
이 중 해조류는 다른 바이오매스에 비해 생장성이 우수하고 풍부하며 가용재배면적이 넓고 비료 및 농약 사용을 하지 않는다. 게다가 전처리 및 당화공정이 간단하고 총에너지 전환수율이 높으며 대기 중의 이산화탄소를 저감할 수 있는 부가적인 효과도 기대할 수 있다.
바이오에너지는 수송, 저장 및 생산방법도 용이해 석유의존도를 낮출 수 있는 가장 유력한 방안 중의 하나로도 평가받고 있다. 바이오에탄올은 주로 홍조류, 갈조류, 녹조류 등 대형조류를 이용해 생산한다. 산이나 효소로 조류를 단당으로 전환시키는 당화공정, 효모나 박테리아에 의한 발효공정, 생산된 에탄올과 부탄올 등 알코올의 분리 및 정제공정을 거치면 생산된다.
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| 원료별 바이오에탄올 생산 공정비 비교 |
미세조류로부터 바이오디젤 생산
미세조류는 미역, 다시마 등의 대형조류에 비해 크기가 30㎛ 이하로 매우 작아 현미경으로 관찰되는 단세포형의 조류인데 육상식물과 같이 광합성을 한다. 이산화탄소와 물, 태양에너지를 이용해 유기물을 합성하는 것. 육상식물에 비해 증식속도가 빠르고 유전자조작이 비교적 쉬우며 다양한 종류의 유용물질을 생산하는데다 식용작물의 범위에서 어느 정도 벗어나 있다는 점에서 바이오매스로 사용할 수 있는 장점을 지니고 있다.
실제로 미세조류의 단위면적당 바이오디젤 생산효율은 대두의 약 130배에 달해 “Green Gold”로 불리기도 한다. 즉 미세조류를 대량배양해 이산화탄소를 소비, 지구온난화 방지에 이바지하고(Green) 다량의 바이오매스를 생산, 바이오디젤(Gold)로 전환한다는 것이다. 여기엔 보트리오코쿠스 브라우니, 클로렐라, 안키스트로데스무스 등 오일함량이 건조중량의 30~50% 정도로 높은 미세조류들이 주로 이용된다. 이들 미세조류는 글리세롤에 3개의 지방산이 결합된 골격을 가지는 트리아실글리세롤로 구성된 많은 양의 오일을 축적한다.
지방산은 길이가 서로 다른 포화 또는 불포화 탄소사슬로, 탄소 개수 16개 또는 18개의 단일 불포화 지방산일 때 바이오디젤 생산에 가장 적합하다. 미세조류 1리터에서 약 100g의 기름을 추출할 수 있는데 이는 유채나 해바라기 같은 식물성 유지의 경우보다 30배나 높은 효율이다. 바이오디젤 생산의 주요 공정은 연소 배출가스의 이용, 균주개량에 의한 미세조류 기능강화, 대량배양에 의한 이산화탄소 저감 실현, 미세조류의 고밀도 배양, 바이오디젤 생산 단계를 포함한다.
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| 해조류로부터 알코올을 생산하는 대표적인 공정 |
해조류로부터 바이오가스 연료 생산
조류는 광합성을 통해 산소와 환원물질을 만드는데, 이 때 산소는 물에서 발생하며 이산화탄소를 고정하고 수소전자를 수소로 환원시켜 생산된다. 물과 이산화탄소, 그리고 태양광만 있으면 바이오수소가 미세조류에 의해 생산되는 것. 효율적인 배양장치와 수소를 모을 수 있는 장치 기술 개발 등 실용단계에 이르려면 아직 갈 길이 멀지만, 거대 광배양기를 이용하여 직접적으로 수소를 생산할 경우 계절과 날씨의 변동에 영향을 받지 않고 지속적으로 미래 에너지로 각광받고 있는 청정 수소를 생산할 수 있다.
바이오메탄 가스는 혐기적 조건하에서 생산된다. 복합 유기물이 가수분해 되어 유기산 및 알코올, 수소, 이산화탄소 등이 생산된 후 산생성세균에 의해 아세트산이 생산되고 이어 메탄생산세균에 의해 아세트산이 분해되어 메탄이 생산된다. 현재 사용되고 있는 나무와 풀, 유기성 고형 폐수 등의 바이오매스보다 메탄가스 생산비용이 높음에도 불구하고 해양 바이오매스인 미세조류와 거대조류는 그 성장속도가 육상식물보다 훨씬 빠르다. 꼬시래기속, 다시마속 등 생산효율이 높은 다양한 조류가 발견된다는 점에서 높은 잠재력을 가진다.
지난 2010년 12월 지식경제부에서는 2012년부터 경유에 바이오디젤의 2% 혼합을 의무화하기로 발표했다. 이러한 바이오연료의 사용 증가는 우리나라뿐 아니라 이미 전 세계적인 추세이며 앞으로 더욱 확대될 것으로 예상된다. 현재 생산되고 있는 바이오연료의 원료는 육상에서 공급되지만 식량자원고갈과 환경보전, 그리고 에너지 독립 국가를 지향하는 우리 다음 세대를 위해서 차세대 연료는 다양한 해양 바이오매스로부터 생산되어야 할 것이다.
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| 바이오디젤 생산 공정 및 생물학적 이산화탄소 고정 |
글=동의대 생명응용학과 김병우 교수
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