공기중 이산화탄소로 친환경 바이오플라스틱을 생산할 수 있는 융합기술이 개발됐다.
한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 고자경·이동기 박사 연구팀은 전기화학 시스템과 미생물 배양시스템을 결합해 공기중 이산화탄소에서 친환경 바이오플라스틱인 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)를 효율적으로 생성할 수 있는 생물-전기 융합기술을 개발했다고 27일 밝혔다.
PHA는 미생물에 의해 합성되는 천연 고분자로, 토양뿐 아니라 해양 환경에서도 생분해되며 식품 포장재, 의료용품 등에 사용된다.
연구팀은 이산화탄소를 먹고 PHA를 만드는 능력을 지닌 수소산화 박테리아에 주목했다. 이 미생물을 배양하기 위해 물을 전기분해해서 생성된 수소를 에너지원으로 공급하고 이를 통해 이산화탄소로부터 바이오플라스틱을 생산할 수 있는 생물-전기 융합시스템을 개발했다. 그러나 물을 전기 분해하는 과정에서 독성물질인 활성산소와 금속이온이 부산물로 생성돼 미생물의 성장을 저해하는 문제가 있었다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 미생물에 대한 독성이 매우 낮고 금속으로 쉽게 돌아갈 수 있는 특성을 지닌 구리가 첨가된 촉매를 개발했다. 또 연구팀은 개발된 촉매 표면에 코팅된 구리가 미생물 배양액에 녹았다가 다시 전극으로 돌아가는 순환과정에서 활성산소를 빠르게 분해하는 독성물질 자가 해독 메커니즘을 규명하는 데 성공했다.
그 결과, 기존 촉매를 활용할 때보다 수소 생산성 및 활성산소 제거속도가 높아졌을 뿐만 아니라 활성산소 생산량이 감소해 300mg/L이었던 미생물 유래 PHA 생산성을 세계 최고 수준인 487mg/L으로 높였다.
연구팀은 이산화탄소로부터 생성되는 PHA의 대량생산을 위해 생물-전기 반응조 대용량화 및 반응조건 최적화 연구를 수행할 예정이다. 이를 통해 석유기반 플라스틱이나 다른 바이오플라스틱보다 2~5배 높은 생산단가를 낮춤으로써 미생물 유래 PHA가 비닐, 플라스틱 용기 등 다양한 시장에서 탄소중립을 동시에 실현할 수 있는 차세대 친환경 플라스틱으로 자리매김할 것으로 기대된다.
KIST 고자경 박사는 "이번 연구성과는 생물공학과 전기화학 분야의 융합 원천기술로 전기에너지로 이산화탄소를 복잡한 고분자 물질로 바로 변환할 수 있음을 보여주는 좋은 사례"라며 "대기 중 이산화탄소를 직접적으로 감축할 수 있는 탄소중립을 위한 핵심 기술로 많은 발전과 활용이 기대된다"고 말했다.
이번 연구결과는 국제학술지 '어드밴스드 사이언스'(Advanced Science) 최신호에 게재됐다.
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