또 하나의 대체에너지 Cellulosic Ethanol (바이오에탄올)

 

개인적으로 석사과정에 입학했던 15년 전에 제가 처음으로 수행했던 연구 프로젝트가 있었는데 당시 동력자원부(동자부)의 과제였습니다. 셀룰로스를 이용하기 위한 셀룰로스 분해효소에 관한 연구였죠. 그 때 유전자 클로닝을 두 달 만에 운좋게(?) 성공하는 바람에 결국은 이 길로 들어섰다고 해도 과언이 아닐겁니다.

셀룰로스는 전세계에서 가장 많이 생산되는 바이오매스이자 매년 그냥 썪어 없어지는 물질입니다. 당시부터 이렇게 버려지는 바이오매스를 이용해서 유용물질을 생산하는 연구에 대한 이야기가 있었지만 솔직히 "그거 해서 진짜로 되겠냐?" 이런 소리도 많이 들었습니다. 그런데 지난 주 사이언스의 뉴스 포커스를 봤더니 결국엔 이십년 이상의 연구들이 결실을 봐서 결국 상용화 단계에 이르렀다는군요.

CELLULOSIC ETHANOL: Biofuel Researchers Prepare to Reap a New Harvest Robert F. Service
Science 16 March 2007: 1488-1491
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보통 "바이오에탄올" 하면 브라질을 떠올리고 사탕수수를 떠올립니다. 잘 알려진대로 브라질은 자신들의 풍부한 자원인 사탕수수를 가지고 바이오에탄올을 성공적으로 산업화시킨 나라입니다. 또 다른 바이오에탄올 소스는 옥수수 전분입니다. 전분은 알콜 발효에 좀 더 쉬운 원료죠.

하지만 사탕수수나 옥수수 전분은 그 자체로 식량으로 사용이 가능하고 가격이 상대적으로 높은데 비해 셀룰로스(정확하게는 셀룰로스와 헤미셀룰로스 리그닌 등을 전부 포함하는 cellulosic materials)는 버려지는 낙엽, 나무, 작물 부산물 이런 물질이기 때문에 자원재활용의 차원에서도 훨씬 강점이 있습니다. 다만 알콜발효에 이용하기에는 분해가 어려운 것이 문제였죠. 여기에 관한 수치들을 모아봤는데,

- U.S. could convert 1.3 billion dry tons a year of biomass to 227 billion liters (60 billion gallons) a year of ethanol. (1년에 13억톤의 바이오매스로부터 2270억 리터(6백억갤런)의 바이오에탄올 생산이 가능)
- in the process displace 30% of the nation's transportation fuel. (이는 미국내 전체 운송연료의 30%정도 대체가 가능한 정도의 양임)
-  A host of small and large chemical companies have jumped into the area, propelled by recent high gas prices and nearly $2 billion in private and venture-capital funding for biofuels last year alone. (작년에만 이와 관련한 회사에 20억불의 투자가 이루어졌슴)
-  And last month, the U.S. Department of Energy (DOE) announced awards of $385 million for six commercial-scale cellulosic-ethanol refineries (see table) that are expected to produce more than 130 million gallons of ethanol per year (DOE에서 6개의 회사에 3억8천5백만불을 지원하기로 했슴. 그 회사들의 생산능력은 연간 1억3천만 갤런임)

- That's still just a small fraction of the some 5 billion gallons of corn-based ethanol produced in the U.S. annually. (아직은 연간 50억갤런에 이르는 옥수수전분을 이용한 바이오에탄올 생산에는 상당히 못미치는 양임)
- 브라질은 작년 기준 연간 42억 갤런의 바이오에탄올을 생산함.
- 2005년엔 미국은 약 40억 갤런의 바이오에탄올을 생산했고 이는 미국 전체 휘발류 사용량 1400억 갤런의 약 3%에 해당함.
- 미국은 2012년까지 75억 갤런 생산이 목표로하고 있슴 (2년전 국회요구사항).
- 2017년까지 350억 갤런의 대체연료 생산을 대통령이 목표로하고 있슴.

 
그런데 바이오에탄올의 생산에는 원료의 문제뿐만 아니라 발효균주의 선택 및 셀룰로직 머트리얼의 분해가 더  중요한 부분입니다. 그래서 대사공학적으로 에탄올 발효의 효율을 높여준 균주를 만들게 되었죠. 하지만 발효효율 뿐만아니라 에탄올에 대한 내성도 높아야 하는 등의 여러가지 문제가 있습니다. 이와 관련된 부분만 인용하면,

So far, it's on this fermentation stage that most of the attention in the cellulosic-ethanol field has focused. That's because although yeast naturally converts glucose to ethanol, there are no naturally occurring organisms that convert xylose and other five-carbon sugars to ethanol. Escherichia coli and other organisms do metabolize five-carbon sugars. But instead of making ethanol, they naturally produce a variety of acetic and lactic acids as fermentation products. To take advantage of the sugars that make up some 25% of plants, researchers needed to reengineer the workings of microbes.

The first to do so, in 1985, was microbiologist Lonnie Ingram of the University of Florida, Gainesville, who reported that he and his colleagues had inserted a pair of key sugar-fermenting genes into the bacterium E. coli. The genes redirected E. coli's metabolism to convert 90% to 95% of the sugars in biomass to ethanol. Ingram's early E. coli strains weren't perfect. They could tolerate only about 4% ethanol in the final fermenting solution. Because the fuel must be distilled out of the surrounding water, a highly energy intensive process, ethanol makers strive to minimize the amount of distillation by using organisms that can tolerate the most ethanol possible. Since their early work, Ingram says he and his colleagues have managed to increase E. coli's tolerance to about 6.4% ethanol. Ingram's strains have since been licensed to Celunol, which is building a 1.4-million-gallons-per-year cellulosic-ethanol plant in Jennings, Louisiana.

Other groups, meanwhile, have pushed to impart new talents to other organisms. In 1995, for example, researchers at NREL engineered a bacterium called Zymomonas mobilis to ferment xylose and other five-carbon sugars in addition to the six-carbon sugars it favors naturally. The work has since been taken up by researchers at DuPont in Wilmington, Delaware. And last year, DuPont's biofuels technology manager William Provine reported at the annual American Institute of Chemical Engineers meeting in San Francisco, California, that his group has recently come up with a Zymomonas strain capable of tolerating up to 10% ethanol. That process too is on the road to commercialization. Last month, officials at DuPont, Broin (a major corn-ethanol producer), and Novozymes announced that, as part of the DOE award, they will expand an existing corn-grain ethanol plant in Emmetsburg, Iowa, to produce approximately 30 million gallons of ethanol a year from corncobs and other cellulosic feedstock.

Yeast researchers have also gotten in on the act. Yeast is today's ethanol heavyweight, given its natural proclivity for turning glucose into ethanol. But because the microbe doesn't naturally process five-carbon sugars, researchers have expanded its abilities to it make better suited for more complex biomass feedstock. In 1993, researchers led by Nancy Ho, a microbiologist at Purdue University in West Lafayette, Indiana, spliced a trio of xylose-fermenting genes into yeast, making it the first yeast strain capable of fermenting xylose to ethanol. Since then, Ho's group has honed yeast's ability to convert a mixture of sugars to ethanol through improvements that include enabling it to use five-carbon sugars other than xylose and boosting the speed at which the organism produces ethanol.

아무튼 최근 미국에선 대체에너지에 대한 관심이 그 어느 때보다 높습니다. 유가는 고공행진을 하고 있고, 예상외로 바이오텍이 식품산업에서는 안전성의 문제로 크게 각광받지 못하면서 많은 연구자들도 다른 분야로 눈길을 돌리고 있다고 보여집니다. 이미 이와 관련한 연구를 하시는 분들이 국내에도 많이 계신데 좋은 성과들이 있었으면 좋겠습니다.