GS칼텍스 바이오 부탄올 생산기술 CellLiq

비식용 바이오매스를 이용한 바이오 부탄올 생산기술로 새로운 역사를 쓰다

바이오 부탄올, 바이오 케미칼 및 차세대 바이오 연료로 각광 받다

원유는 휘발유나 경유 등 연료뿐만 아니라 각종 화학제품의 원료로 사용되고 있습니다. 우리가 매일 사용하는 페트병을 비롯해 나일론 등 합성섬유, 자동차 타이어, 휴대전화나 냉장고 등 전자제품의 플라스틱에 이르기까지 거의 모든 화학제품이 원유로부터 생산되고 있습니다. 하지만 화석연료 고갈과 지구온난화 우려가 고조되면서 원유 대신 식물 등의 바이오매스를 이용해 연료와 함께 각종 화학제품을 생산하려는 연구가 세계적으로 활발히 진행되고 있습니다.

 

 

바이오매스 기술은 사실 인류의 탄생과 함께 시작됐으며 꾸준히 지속적으로 발전되어 왔습니다. 그야말로 인간 삶과 밀접한 관계를 갖고 있는 가장 오래된 기술 중 하나이죠. 일례로, 우리 선조는 볏짚이나 나무를 땔감으로 사용해 아궁이에 불을 지펴 밥을 짓거나 겨울철 난방 문제를 해결했습니다. 이렇게 볏짚이나 나무를 연소시키는 과정에서 발생하는 열에너지를 활용하는 것은 바이오매스의 직접 이용이고 열에너지를 밥 짓는 데 사용한 것은 한차원 높은 바이오매스 전환이라고 볼 수 있습니다.

이러한 바이오매스와 전환 기술이 최근 들어 더욱 조명을 받는 이유는 지속 가능성과 친환경이라는 특성을 지녔기 때문입니다. 바이오 에너지는 기본적으로 완전한 의미의 탄소 순환형 시스템 구축을 가능케 합니다. 사용 과정에서 배출되는 이산화탄소가 광합성을 통해 새로운 바이오매스로 환원되는 과정이 계속 순환되기 때문이죠. 땅속에 묻혀있던 탄소 물질이 이산화탄소로 바뀌어 계속 배출되기만 하는 화석연료와 근본적인 차이가 여기에 있습니다.

 

 

이런 이유로 세계 각국에서는 바이오매스 자원 관련 연구에 많은 노력을 기울이고 있으며, 이 중에서도 바이오 부탄올은 차세대 연료 및 바이오 케미칼로 각광받으면서 전 세계적인 연구개발이 진행되어 왔습니다. 무색의 액체인 바이오 부탄올은 잘게 쪼갠 폐목재 등을 황산과 반응시켜 당을 분리하고, 미생물(박테리아)이 이 당을 먹고 배출(발효)한 물질(24~30시간)을 분리∙정제해 생산해냅니다.

이렇게 생산된 바이오 부탄올은 차량 개조 없이 휘발유에 고농도로 혼합하여 사용 가능하며, 정유공장에서 휘발유와 혼합하여 파이프라인을 통해 이송이 가능한 바이오연료로 쓰입니다. 뿐만 아니라 코팅제, 페인트, 점착제, 잉크, 용제 등의 원료로서 다양한 분야의 케미컬 어플리케이션으로 활용됩니다.

 

단일 미생물에 의한 비식용 바이오매스 유래 혼합당 동시발효

기존의 바이오 부탄올 기술은 식량과 원료 경합성이 있는 사탕수수나 옥수수 등을 원료로 한 생산기술 개발에 집중되었지만 곡물가격 상승, ‘식량자원 파괴’라는 비판 등으로 더 이상 개발되지 못 했습니다. 상업적으로 경제성을 확보하고, 온실가스 저감 효과를 높이기 위해서는 비식용 바이오매스(초본류, 폐농 작물, 오일 팜 부산물, 목재 등)의 원료를 경제적으로 활용할 수 있는 기술이 매우 중요합니다.

 

 

하지만 비식용 바이오매스는 식용 바이오매스에 있는 포도당뿐만 아니라 목당 등이 약 30% 이상 존재합니다. 이러한 혼합당을 한 종류의 미생물로 동시에 발효하여 부탄올을 생산하는 데 성공한 사례가 없어 상업화에 걸림돌이 되어 왔습니다. 부탄올 발효 시 사용되는 미생물은 보통 한 번에 한 종류만의 당을 발효하는 특성이 있기 때문에 포도당과 목당을 분리해서 별도의 추가적인 반응기에서 각각 다른 종류의 미생물로 발효를 진행시켜야 합니다.

이로 인한 투자비 증가로 경제성을 확보하기 어려웠던 겁니다. 하지만, 최근 GS칼텍스는 기술 개발을 통해 학계와 산업계의 난제였던 단일 미생물에 의한 혼합당 동시 발효를 통한 바이오 부탄올 생산 실현 및 경제성을 확보하게 되었습니다. 폐목재, 볏짚, 잉여 사탕수수, 등을 이용해 만드는 바이오부탄올은 대량생산이 어렵다는 단점을 지니고 있었는데요. 미생물의 성질을 조작하는 ‘시스템 대사공학’ 기술을 통해 이 대량생산 문제를 해결한 것이죠.

바로 식물이 가진 당을 발효·분해하기 위해 ‘클로 리스트 리듐 균주’라는 미생물의 유전자를 조작한 결과, 기존 바이오 부탄올 생산방법보다 생산량을 3배 이상 향상시키는데 성공한 것입니다. 게다가 혁신적인 분리∙정제 공정 기술의 개발로 분리∙정제공정에서의 에너지 소비량 역시 70% 이상 절감됐습니다. 이처럼 생명공학 기술을 활용해서 개발한 고성능 균주와 독창적 발효공정 기술을 결합하여 부탄올 선택도, 발효 수율, 생산성 등에서 세계 최고 수준의 기술 성능을 달성한 것입니다.

따라서 저가의 비식용 바이오매스 원료로도 고가의 식용 바이오매스 원료와 같은 수율을 확보할 수 있게 됨에 따라 그동안 기술적 난이도와 복잡성이 높아 활용에 어려움을 겪고 있던 비식용 바이오매스 활용의 길을 열었다는 것에 가장 큰 의의가 있습니다.

 

경제성ㆍ친환경성ㆍ연속통합공정이라는 세마리 토끼

가장 먼저 저가의 비식용 목질계 바이오매스를 활용함에 따라 획기적인 원가 절감이 가능해졌습니다. 석유계부탄올과 사탕수수, 옥수수 등을 원료로 하는 당질 및 전분질계 바이오 부탄올에 비해 생산원가를 각각 45%, 25% 절감하는 효과를 볼 수 있는 겁니다. 뿐만 아니라 미국 EPA에서 진행한 LCA(Life CycleAssessment, 전주기분석) 결과에 따르면 휘발유 대비 당질계 바이 오부탄올은 30~60%, 목질계 바이오 부탄올의 경우에는 100% 이상의 온실가스 저감 효과가 있는 것으로 나타났습니다.

목재가 버려지면 매립 소각되어 이산화탄소를 발생시키지만 GS칼텍스의 바이오 부탄올은 초본류, 폐농 작물, 오일 팜 부산물, 폐목재 등 버려지는 폐자원을 에너지화하니 일석이조의 효과를 노릴 수 있습니다. 특히 GS칼텍스는 전처리와 당화 공정부터 시작해서, 균주 발효 공정을 거쳐 부탄올을 분리 정제하는 마지막 공정까지 모든 단계에서 상업화의 수준까지 끌어 올린 연속 통합공정을 가진 전 세계 몇 안 되는 기업 중 하나입니다.

 

 

연구개발 7년, 의미 있는 결실을 거두다

석유 대신 톱밥이나 나뭇조각 등을 재료로 자동차 연료·의약품·화장품·합성고무·페인트 등을 만드는 연구에 GS칼텍스가 나서고 있는 이유는 무엇일까요?

 

 

원유를 전량 수입해서 정제하는 정유사로서는 미래사업 아이템 발굴은 생사가 걸린 문제입니다. GS칼텍스도 신사업 발굴의 일환으로 바이오 연료를 목적으로 연구개발을 시작했습니다. 당시에는 바이오 에탄올 중심의 연구가 대부분이었지만, 자원과 기술 모두를 해외에 의존해야 하는 바이오 에탄올의 한계 등 몇 가지 이유 때문에 회사는 바이오 부탄올 쪽으로 눈을 돌립니다.

처음엔 바이오 연료를 목적으로 연구가 시작되었지만 바이오 케미컬 연구팀은 연료 이외에 새로운 시장을 발굴하게 되는데요. 바로 연간 약 4백만 톤, 6조 원에 달하는 케미컬 용도의 시장이었습니다. 그 후 바이오 케미컬 연구팀은 바이오 부탄올의 새로운 시장성에 더욱 큰 희망과 비전을 가지고 연구에 더욱 박차를 가하게 되었습니다.

바이오 부탄올이 회사의 신 사업으로 선정될 당시 3명의 엔지니어에게 과제가 맡겨졌고, 외부 협력사에 상당한 부분을 의존할 수밖에 없었습니다. 하지만 의미 있는 연구 결과가 하나씩 나오기 시작하고, 바이오 부탄올 시장이 커지면서 인력과 예산이 점차 보강됐습니다. 균주 개발 역량을 갖춘 인력이 영입된 2010년부터는 연구개발이 활기를 띠기 시작했습니다. 기존에 진행됐던 공정 연구에 균주 개발까지 합쳐지면서 시너지가 일어난 것이죠.

2007년 연구를 시작할 시점만 해도 식용 바이오매스에 대한 부정적인 이슈가 미미했고, 원자재 가격 자체가 무척 낮아 충분한 경제성이 있었습니다. 하지만 원자재 가격이 폭등하면서 2012년부터는 비식용 바이오매스 쪽으로 연구의 방향을 틀게 됩니다. 2010년부터 2013년까지는 파일럿 규모의 기술을 검증받는 동시에 목질계 바이오매스 활용 기술 개발에 치중했습니다. 2014년부터는 동남아시아의 대규모 농장에서 원료를 안정적으로 공급받기 위해 전략적 제휴 방안을 논의하고 있고, 상업화에 더욱 박차를 가하고자 그 상업기술 검증을 위한 데모플랜트를 올해 연말 착공할 계획입니다.

 

 

그리고 2016년부터는 상업 공장 설계 및 건설과 기술 라이센싱을 통해 본격적인 상업화를 추진할 계획입니다. 이를 통해 국내 장치산업과 엔지니어링 사업도 같이 육성시키는 견인차 역할을 할 수 있기를 기대해봅니다. 최초 과제 선정부터 데모플랜트 건설까지, 바이오 부탄올 기술의 상업화를 통한 수익 창출이라는 목표를 향해 쉼 없는 레이스를 달려온 바이오 케미컬 연구팀
은 지난 8월 20일 의미 있는 이정표를 세웠습니다. 바로 NET(New Excellent Technology)라 불리는 신기술 인증서를 수여받은 겁니다.

NET는 국내 기업과 연구기관, 대학 등에서 개발한 신기술을 조기에 발굴해서 그 우수성을 인증해줌으로써 개발된 신기술의 상용화와 기술거래를 촉진하고, 그 기술을 이용한 제품의 신뢰성을 제고시켜 초기 시장 진출 기반을 조성하고자 하는 목적을 가지고 있습니다. 향후 2년 이내에 상용화가 가능한 기술 또는 제품의 생산성이나 품질을 현저하게 향상시킬 수 있는 공정기술이 NET의 대상이 됩니다.

GS칼텍스 바이오 부탄올 기술은 이번 NET 인증을 통해 성능, 경제성, 친환경성, 에너지 저감율 등의 분야에서 정부 인증을 통해 공신력을 얻었습니다. 이는 향후 투자 유치와 기술 라이센싱에서 우리 기술의 혁신성과 성능뿐만 아니라 경제성까지도 그 신뢰성을 뒷받침하는 든든한 근거자료가 될 것입니다.

 

누구도 가보지 않은 길, 확신은 스스로 만들어 가는 것

바이오 에너지에 대한 인식조차 없었던 시절, 지식도 경험도 충분치 않은 상황, 그 누구도 가보지 않은 길을 7년이라는 짧지 않은 기간 동안 끌고 오는 과정 자체가 고충이었다고 말합니다. 정말 아무것도 없는 황무지 같은 환경에서 시작해서 한 땀 한 땀 우리만의 영역을 만들어 온 여정이 어려움이자 동시에 큰 보람이었습니다.

그중에서도 가장 어려웠던 점은 문제를 풀어나가는 방법론을 찾는 일이었다고 합니다. 지금이야 미생물 유전자조작 기술과 첨단 대사공학 기술이 확립되었지만 과거에는 어느 누구도 이러한 기술들로 문제를 해결하려고 시도를 하지 않았던 것이죠. 전 세계적 그 어디에서도 문제 해결의 실마리가 되어줄 사례나, 참고할 만한 레퍼런스가 없다는 것이 가장 막막했다고 말합니다. 하지만 하늘은 스스로 돕는 자를 돕는다는 말처럼 절실한 심정으로 문헌을 찾고 연구하고 고민하고 의견을 나누는 과정 속에서 아이디어가 번뜩였습니다.

문헌과 연구 속에서 증거를 찾아내어 최고 경영층을 설득하고 과제로 인정받는 과정이 가장 힘들었다고 합니다. 이렇게 방향을 잡고 방법을 구축한 뒤에는 묵묵하게 연구하고 문제점을 해결해 나가는 과정을 거쳤습니다. 전 세계적으로도 7년 이라는 기간 동안, 제한된 인력으로 세계 최고 수준의 연구 성과를 낸 사례는 전무 후무하다고 합니다. 비결을 묻자 이구동성으로 팀워크를 이야기합니다.

 

 

공정과 공정 사이의 허들을 이겨내고 상호 협력했기 때문에 전체 프로세스가 비로소 완결될 수 있었다는 겁니다. 전처리∙당화 공정, 발효 공정, 분리∙정제 공정들 간의 접점에서 문제점들을 잘 극복할 수 있었던 것은 각 파트의 담당자들끼리 수시로 대화하고 함께 고민하며 해결점을 발굴해 나가는 과정 덕분이었답니다. 일례로 분리정제 파트의 엔지니어가 밤새 고민한 문제가, 균주를 연구하는 동료와의 대화로 의외로 쉽게 해결되는 경험들이 허다했다고 하네요. 이런 것이 진정한 집단지성과 시너지의 힘이 아닐까요?

 

바이오 부탄올, 미래 성장 동력이 되다

GS칼텍스는 올해 ‘에너지·화학 분야에서 최고 가치를 창출하는 동반자’라는 새로운 비전을 선포했습니다. 이는 에너지와 화학 분야에서 세계 최고 수준의 가치를 구현하고 고객과 투자자, 지역사회 및 국가, 조직 구성원 모두와 함께 지속적으로 성장해 나가는 동반자가 되겠다는 의지를 표명하고 있죠.

 

GS칼텍스 바이오 케미컬 연구팀은 유한의 석유자원에서 생산되던 케미컬 및 연료를 폐목재 등의 유기성 폐자원 및 다양한 목질계 바이오매스 원료를 이용해 생산함으로써 인류의 지속 가능한 발전에 기여하겠다는 당찬 비전을 가지고 있습니다. 향후 20년 안에 우리 고유의 바이오 부탄올 기술로 지어진 공장이 전 세계에 최소 10개 이상이 될 거라고 합니다.

이곳에서 전 세계 바이오 케미컬 판매량의 20%를 차지하는 100만 톤 이상의 바이오 부탄올이 생산될 것이며, 총매출액은 1조원을 상회할 것이라고 이야기합니다. 현재는 바이오 부탄올에 집중하고 있지만 향후에는 균주를 변화시켜 다른 바이오 제품 생산에 응용할 계획도 가지고 있습니다.

동시에 바이오 부탄올을 연료로 제조하는 최종 화학제품 시장까지도 노리고 있습니다. 그야말로 수평적, 수직적으로 확장을 하여 부가가치를 최대로 높이겠다는 겁니다. 향후 2년 안에 실질적인 수익을 창출할 수 있는 수준까지 도달한 GS칼텍스 바이오 부탄올 기술. 상업화에 가장 근접한 신기술로서 GS칼텍스의 성장과 발전에 실질적인 모멘텀이 되어, 회사의 사업영역의 한 축으로서 역할을 수행해 나가길 마음 깊이 응원해 봅니다.

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