2차원 형태의 비등방성 구조를 가진 초박형 자철광(Fe₃O₄) 자성 나노입자를 이용한 미세조류 수확, 유용 물질 추출, 그리고 나노입자 재활용 과정의 연속적인 바이오리파이너리 통합 공정 모식도. (사진=부산대 제공)

부산대학교 연구팀이 친환경 미세조류로부터 유용 물질을 추출하는 통합 공정 개발에 성공해 미래 에너지 및 환경 기술 분야에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

광합성을 하는 미세조류는 이산화탄소(CO₂)를 바이오연료로 전환하는 기술로 주목받고 있지만, 지금까지 미세조류를 이용한 재배-수확-추출의 3가지 공정이 따로 이뤄져 왔으며 비용과 에너지, 시간이 많이 투입되는 단점이 있어 활용에 어려움을 겪어 왔다.

부산대학교는 응용화학공학부 정성욱·오유관 교수 연구팀이 기존 CO₂ 전환 미세조류를 이용한 바이오연료 및 고급 화학 소재 생산에 나노기술을 접목한 환경친화적이고 지속가능한 저에너지, 고효율 고부가가치 통합 공정 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

미세조류는 빛, 이산화탄소, 물을 이용해 성장하며 유용하고 다양한 이차 대사물질을 생산하는 광합성 미생물이다. 미세조류는 바이오디젤, 플라스틱, 섬유, 화장품 등의 관련 산업에 유용하고 가치 있는 물질을 생산하기 때문에 바이오리파이너리 자원으로 주목받고 있다.

미세조류 바이오리파이너리는 재배, 수확, 세포 파쇄 및 유용 미세조류 산물 추출 등 총 3가지 공정으로 진행된다.

지금까지 알려진 미세조류 바이오리파이너리 공정은 3가지 공정이 각각 따로 진행돼 왔다. 이 중 수확 공정은 전체 공정비용 중 약 20~30%를 차지하며 원심분리, 여과, 침전, 응집 등의 다양한 기계적, 화학적 방법을 통해 진행되는데, 높은 장치 비용 및 에너지 수요가 요구되고 공정 시간이 오래 걸리는 문제점이 있었다.

또한, 후속 공정인 세포 파쇄 및 유용 미세조류 산물 추출 공정은 전체 공정비용 중 약 20~80%를 차지하며 물리적, 화학적, 생물학적으로 다양한 공정들이 개발되고 있다. 하지만, 가장 높은 추출 효율을 보이는 물리적 공정은 높은 에너지 및 비용이 들며 열분해 및 산화 반응을 동반해 유용 산물이 변성될 수 있다.

이에, 부산대 연구팀은 2차원 형태의 비등방성 구조를 가진 초박형 자성 자철광(Fe₃O₄) 나노입자를 이용해 미세조류의 수확, 미세조류가 생산한 유용 물질 및 지질 추출, 그리고 사용된 나노입자의 재활용 및 재사용 과정을 연속적으로 진행하는 통합 공정을 처음으로 구현했고, 이를 통해 환경친화적이고 지속가능한 저에너지, 고효율, 고부가가치 바이오리파이너리 공정 기술을 개발했다.

연구팀은 미세조류 중 강력한 항산화 물질인 아스타잔틴을 생산하지만 두꺼운 세포벽으로 인해 추출 공정이 까다로운 해마토코쿠스 종을 모델 미세조류로 연구에 사용했다.

2차원 형태의 비등방성 구조를 가진 초박형 자철광(Fe₃O₄) 자성 나노입자를 α-Fe₂O₃ 유사체의 열변환 반응을 통해 합성했고, 표면이 음전하를 띄는 미세조류가 포함된 용액에 표면이 양전하로 유도된 생체친화성을 가진 초박형 자철광(Fe₃O₄) 자성 나노입자를 첨가해 자성 나노입자-미세조류 응집체 형성 후 에너지 소모 없이 자기력을 이용해 1분 내에 95% 이상의 높은 효율로 미세조류를 수확했다.

또한, 초박형 자성 나노입자의 날카로운 비등방성 구조로 인한 나노면도날 효과를 이용해 자성 나노입자와 미세조류 충돌 시 세포벽을 파쇄해 미세조류가 생산한 유용 물질 및 지질을 30분 내에 80% 이상의 높은 효율로 추출했다.

공정에 사용된 나노입자 회수, 재활용 및 재사용 과정 구현에도 성공했다. 최종적으로 수확, 유용 물질 및 지질 추출, 그리고 나노입자 재사용을 연속적으로 진행하는 통합 공정 개발에 성공한 것이다.

이번 연구는 모델 미세조류로 사용된 해마토코쿠스뿐만 아니라 다양한 미세조류 및 산업용 미생물에 적용 가능하며, 궁극적으로는 이산화탄소 전환 미세조류 기반 바이오리파이너리 공정 시간 단축 및 에너지 사용 절감, 그리고 비용 절감으로 인한 경제성 확보에 큰 도움이 될 것으로 전망된다. 또한, 기후위기에 대응한 이산화탄소 감축 및 탄소 중립을 위한 신산업 창출과 국가 경쟁력 강화에 이바지할 것으로 기대된다.

부산대 정성욱·오유관 교수 공동연구팀의 이번 연구 성과는 세계적인 국제학술지인 'ACS Sustaniable Chemistry & Engineering'에 지난 5일 게재됐으며, 연구의 우수성을 인정받아 표지논문으로 선정됐다.

이번 연구는 부산대 응용화학공학부 정유정 석박통합과정생과 김보람 박사후연구원이 공동 제1저자, 정성욱 교수와 오유관 교수가 교신저자로 참여했다.

과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 중견연구사업 및 산업통상자원부, 과학기술정보통신부, 소방청, 행정안전부 등 4개 부처가 추진하는 난접근성 특수화재 진화를 위한 고기능성 소화탄 및 무인 능동진압기술개발 사업 지원으로 수행됐다.