💡 본 글은 동아사이언스 ‘과학동아 23년 12월호’에 게재된 내용입니다.
자동차 연료부터 책상 위의 플라스틱 볼펜, 피부에 바르는 보습제까지. 생활 곳곳에서 인류의 삶을 윤택하게 만들어주는 석유화학 산업이 기후위기 상황에서 지속가능한 발전을 위한 대변환을 요구받고 있다. 국제사회가 2015년 파리협정을 채택하고 2050년까지 탄소 순배출량 0을 달성해 탄소중립 사회를 이룩하기로 협의한 것이 대표적이다. 현재 세계 각국의 에너지·화학 기업은 석유화학 제품을 대체할 저탄소 제품을 개발하고, 기존 산업구조를 변화시키는 등 근원적인 혁신을 꾀하고 있다.
이 가운데 ‘화이트바이오 기술’이 떠오르고 있다. 화이트바이오 기술은 식물, 미생물 등에서 얻은 유기물을 생물학적 공정을 통해 다양한 에너지·화학 제품의 소재로 전환한다. 사탕수수, 옥수수 등을 가공한 바이오연료나 미생물에서 얻는 생분해성 플라스틱 원료 등 다양한 화학물질을 만들 수 있다. 이렇게 만든 제품은 석유화학물질을 기반으로 한 화학제품을 대체할 저탄소 제품으로 꼽힌다.
시장조사기업 아드로이트 마켓 리서치가 2021년 1월 내놓은 보고서에 따르면 세계 화이트바이오 산업 시장규모는 2021년부터 매년 11.5% 성장해 2027년 4799억 달러(약 629조 원)에 이를 것으로 예상된다. 이런 트렌드에 발맞춰, 한국에서는 지난 2021년 4월 산업통상자원부 주도로 GS칼텍스, CJ제일제당, 롯데케미칼 등 바이오·화학 기업 10개사와 한국바이오협회, 한국석유화학협회, 산업기술평가관리원이 함께 ‘화이트바이오 연대협력 협의체’를 발족했다.
석유 대신 포도당으로 만드는 플라스틱
화이트바이오 산업 생태계 구축을 위한 국내 기업들의 연대는 2024년 빛을 발할 전망이다. 10월 13일 GS칼텍스는 “LG화학과의 협력을 통해 개발 중인 생분해성 플라스틱의 원료, 3-하이드록시프로피온산(3HP) 시제품을 2024년 1분기부터 본격적으로 생산해 상업화를 준비할 것”이라고 발표했다. 3HP는 생분해성 플라스틱의 핵심 원료 중 하나다. 미생물이 바이오디젤 부산물인 비정제 글리세롤을 먹고 만드는 화학물질이라, 발효 공정을 통해 생산할 수 있다. 이렇게 생산한 3HP는 생분해성 플라스틱 외에도 고흡수성 수지, 도료 등 다양한 고분자 소재의 원료로 사용된다. 3HP는 미국 에너지부가 발표한 ‘미래 바이오물질 Top12’ 중 세 번째로 꼽힌 물질이다. 그간 3HP를 상용화하기 위한 시도는 많이 이뤄졌으나, 성공한 사례는 없었다. 양사의 시제품 생산은 세계 최초의 3HP 상용화 사례가 될 전망이다.
화이트바이오 기술은 타깃 화학물질을 생산하는 미생물 또는 식물 등을 찾는 것부터, 이 생산 과정을 최적화하고, 생산된 화학물질을 활용하는 과정까지 여러 단계로 구성된다. 기업의 축적된 노하우 없이는 쉽지 않은 일이다. GS칼텍스 화이트바이오개발센터의 3HP 프로젝트 리더인 유미정 책임연구원은 “화이트바이오 기술 개발은 미생물 발효 공정, 분리정제 공정 등 원천기술 경쟁력을 확보하고, 이런 원천기술을 결합해 상업 생산 규모로 확산하는 스케일업 연구가 중요하다”면서 “3HP 상용화 연구 역시 양사가 보유하고 있던 기술과 인프라를 활용해 기술 개발 기간과 비용을 줄일 수 있었다”고 설명했다.
탄소 먹는 미생물로 지구를 지킨다
화이트바이오 기술을 통해 생산할 수 있는 에너지·화학 제품은 생분해성 플라스틱 외에도 다양하다. 한국과학기술기획평가원에서 2022년 10월 발표한 ‘화이트바이오 산업 활성화를 위한 유망 분야 도출 및 정부지원 방안’ 보고서에 따르면 화이트바이오 기술은 크게 바이오화학 소재, 바이오에너지, 바이오탄소 세 분야로 분류할 수 있다.
바이오화학 소재 분야에선 기존 석유화학 산업에서 생산하던 소재를 생명공학적 방법으로 만든다. 3HP와 같은 바이오플라스틱을 비롯해, 화장품의 원료나 의약품의 원료처럼 다양한 기능성 화학 소재를 만드는 기술이 여기 속한다. 예를 들어 GS칼텍스가 생산 기술을 개발해 상용화한 2,3-부탄다이올은 유전자조작을 하지 않은 바이오매스 및 미생물을 활용해 얻는 물질로, 보습 및 항염 효과가 뛰어나 화장품의 원료로 사용된다.
바이오매스 등에서 추출한 유기물을 연료로 가공하는 바이오에너지 분야, 바이오매스나 폐자원 속 탄소를 자원으로 활용하는 바이오탄소 분야는 석유를 대체하고 탄소 배출량을 감축할 새로운 해결책으로 떠오르고 있다. 차형민 GS칼텍스 바이오퓨얼팀장은 “폐원료를 기반으로 바이오연료를 생산하는 화이트바이오 기술을 통해 화석연료로 생산되는 제품을 대체함으로써 도로・해운・항공 분야의 온실가스 배출량 감축에 기여할 것”이라고 말했다.
※ 본 글은 동아사이언스 ‘과학동아 23년 12월호’에 게재된 내용입니다.
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