국내 연구진이 미생물을 이용한 바이오플라스틱 생산량을 높일 방법을 찾았다. 새로운 촉매를 만들어 미생물의 성장을 막는 독성 물질을 제거해 세계 최고 수준의 플라스틱 생산량을 달성했다.
이동기 한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 책임연구원과 고자경 선임연구원 연구진은 미생물을 이용해 친환경 바이오플라스틱인 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)를 생산하는 ‘생물-전기 융합 기술’을 개발했다고 27일 밝혔다.
PHA는 미생물이 만드는 천연 고분자다. 토양과 바다에서 쉽게 분해돼 식품 포장재, 의료용품에 주로 사용된다. 폐플라스틱으로 인한 환경 오염이 심각해지면서 최근 화학산업계의 큰 주목을 받고 있다.
연구진은 이산화탄소를 흡수해 PHA를 만드는 ‘수소 산화 박테리아’를 이용해 생산 시스템을 만들었다. 물을 전기분해해 수소를 만들고 이를 에너지 삼아 이산화탄소를 PHA로 만드는 방식이다. 이 같은 방식은 이전에도 시도됐으나 물을 전기분해할 때 나오는 활성산소와 금속이온이 미생물의 성장을 막아 효율이 떨어진다는 한계가 있었다.
연구진은 이 같은 문제를 해결하기 위해 독성이 낮고 쉽게 금속으로 돌아가는 특성을 가진 구리를 이용했다. 촉매 표면에 코팅된 구리가 미생물 배양액에 녹았다가 다시 전극으로 돌아가는 과정에서 활성산소를 분해해 미생물의 성장을 돕는다.
그 결과, 기존 촉매를 활용했을 때보다 수소 생산량과 활성산소 제거 속도가 높아졌다. PHA 생산성은 기존 L당 300㎎에서 487㎎으로 50% 이상 증가했다. 세계 최고 수준의 PHA 생산량이다.
연구진은 후속 연구를 통해 대량생산을 위한 반응조 대용량화, 반응조건 최적화 연구에 나설 계획이다. 미생물로 PHA 대량생산이 가능해진다면 생산 비용을 절감해 상용화 속도를 높일 수 있다는 전망이다. PHA는 우수한 생분해성에도 다른 플라스틱보다 5배 가량 생산 단가가 비싸다는 한계가 있다.
고 선임연구원은 “전기에너지로 이산화탄소를 복잡한 고분자 물질로 바로 변환할 수 있다는 것을 보여주는 좋은 사례”라며 “대기 중 이산화탄소를 직접적으로 감축할 수 있는 탄소중립을 위한 핵심 기술로 많은 발전과 활용이 기대된다”고 말했다.
연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스’에 지난 3월 29일 소개됐다.
참고 자료
Advanced Science(2024), DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202309775