전기화학-바이오 하이브리드 시스템 모식도 및 사진. /뉴스1

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(대전ㆍ충남=뉴스1) 김종서 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 이현주 교수와 이상엽 특훈교수 공동연구팀이 전기화학적 이산화탄소 전환과 미생물 기반의 바이오 전환을 연계한 하이브리드 시스템을 개발해 이산화탄소로부터 높은 효율로 바이오 플라스틱을 생산하는 기술 개발에 성공했다고 30일 밝혔다.

KAIST에 따르면 이산화탄소의 효율적인 전환을 위해 고효율 전극 촉매 및 시스템 개발이 활발히 진행되고 있는데, 전환생성물로는 주로 탄소 1~3개의 화합물만 제한적으로 생산되고 있다.

특히 일산화탄소, 포름산, 에틸렌과 같은 탄소 1개의 화합물이 비교적 높은 효율로 생산되며 이밖에 에탄올, 아세트산, 프로판올과 같은 여러 개 탄소의 액상화합물도 만들어질 수 있으나 이는 더 많은 전자를 필요로 하는 화학반응 특성상 전환 효율 및 생성물 선택성이 크게 낮다는 한계점이 있다.

이에 공동연구팀은 전기화학적 이산화탄소 전환기술과 미생물을 이용한 바이오 전환기술을 연계해 이산화탄소로부터 바이오 플라스틱을 생산하는 기술을 개발했다.

이 전기화학-바이오 하이브리드 시스템은 전기화학 전환반응이 일어나는 전해조와 미생물 배양이 이루어지는 발효조가 연결된 형태로, 전해조에서 이산화탄소가 포름산으로 전환되면 이 포름산을 발효조에 공급해 커프리아비더스 네케이터라는 미생물이 탄소원으로 섭취해 미생물 유래 바이오 플라스틱인 폴리하이드록시알카노에이트를 생산한다.

기존 하이브리드 콘셉트 연구 결과, 전기화학 반응의 낮은 효율 및 미생물 배양 조건과의 차이 등의 문제로 생산성이 매우 낮거나 비연속적 공정에 그친다는 단점이 있었다.

이를 극복하기 위해 공동연구팀은 기체 상태의 이산화탄소를 이용한 기체 확산 전극(gas diffusion electrode)으로 포름산을 만들었다.

미생물의 생장을 저해하지 않으면서도 전기화학 반응이 충분히 잘 일어나도록 하는 전해액이자 동시에 미생물 배양 배지로 이용할 수 있는 생리적 호환 가능한 양극 전해액을 개발해 별도의 분리 및 정제과정 없이 바로 미생물에게 공급하도록 했다.

이를 통해 이산화탄소로부터 만들어진 포름산을 포함하고 있는 전해액이 발효조로 들어가 미생물 배양에 쓰이고, 전해조로 들어가 순환되도록 해 전해액과 남은 포름산의 활용을 극대화했다.

이현주 교수는 “이번 연구 결과는 바이오 플라스틱뿐만 아니라 다양한 화학물질 생산에 응용될 수 있는 기술로써 앞으로 탄소 중립을 위한 핵심 기술로 많이 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지인 ‘미국국립과학원회보(PNAS)'에 27일자 온라인판에 게재됐다.

sws3942@news1.kr

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