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고효율 바이오부탄올 생산기술 개발
- 균주 생산수율 87%, 바이오에탄올 수준으로 끌어올려 -- 발효 공정 생산성 3배 이상 향상, 반면 분리・정제 비용은 70% 절감 -
친환경 차세대 에너지 ‘바이오부탄올’의 생산성을 기존 바이오에탄올 수준으로 크게 향상시킨 반면 비용은 대폭 줄어 든 기술이 KAIST와 국내기업 연구팀에 의해 개발됐다.
우리 학교 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 GS칼텍스, 바이오퓨얼켐(주)와 공동으로 시스템대사공학 기법을 이용해 바이오부탄올의 생산성을 크게 향상시키면서도 경제성을 획기적으로 높인 공정을 개발하는데 성공했다.
바이오부탄올은 자동차 연료 첨가제로 이미 상용화된 바이오에탄올을 능가하는 친환경 차세대 에너지로 각광받고 있다.
바이오부탄올의 에너지밀도는 리터당 29.2MJ(메가줄)로 바이오에탄올(19.6MJ)보다 48%이상 높고 휘발유(32MJ)와 견줄만하다. 또 폐목재, 볏짚, 잉여 사탕수수, 해조류 등 비식용 바이오매스에서 추출이 가능하기 때문에 식량파동에서도 자유롭다.
특히, 휘발유와는 공기연료비를 비롯해 기화열, 옥탄가 등 여러 가지 연료 성능이 유사해서 현재 사용되고 있는 가솔린 엔진을 그대로 사용해도 되는 게 바이오부탄올의 큰 장점이다.
반면 바이오부탄올 생산을 위한 클로스트리듐 균주는 대장균이나 효모와는 달리 유전자 조작이 쉽지 않고, 또 복잡한 대사회로와 이에 대한 정보가 부족하기에 그동안 대사회로 재설계 자체가 어렵다는 점이 단점으로 꼽혀왔다.
이상엽 특훈교수는 자신이 창시한 시스템대사공학 기법을 도입해 산생성기와 용매생성기로 대변되던 대사회로모델 대신, 바이오부탄올 생산경로에 초점을 둔 대사회로 모델을 새롭게 고안해냈다.
연구팀은 새로운 대사회로 모델에서 바이오부탄올 생산경로를 직접경로(hot channel)와 간접경로(cold channel)로 정의했다.
이 대사회로 모델을 이용해 직접경로를 강화시키기 위한 대사공학을 수행해 이론수율 대비 49%의 생산수율을 나타내던 기존 균주를 87%까지 향상시킨 바이오부탄올 생산균주로 개량하는 데 성공했다.
연구팀은 이와 함께 GS칼텍스와 발효・분리공정 개발을 위한 연구를 수행해 흡착물질을 사용한 실시간 바이오부탄올 회수 및 제거 시스템을 개발하는 데 성공했다.
GS칼텍스와 공동연구 끝에 개발한 발효·분리공정 기술은 포도당 1.8kg을 이용해 585g의 부탄올을 생산했고, 한 시간에 리터당 1.3g 이상 생산했다. 이는 현존하는 세계 최고 수준의 농도, 수율, 생산성으로 발효 공정의 생산성을 3배 이상 향상시키면서 분리·정제 비용은 기존 대비 70%까지 절감했다.
이상엽 특훈교수는 “미국, 유럽 등 선진국에서 바이오연료로 상용화된 바이오에탄올 생산기술은 이론수율 대비 90%인데, 이번에 개발된 기술은 바이오에탄올의 수율에 육박한다”며 “수율측면에서는 차세대 연료인 바이오부탄올 생산 기술이 바이오에탄올 생산기술에 근접했음을 의미한다”고 이번 연구의 의미를 밝혔다.
이 교수는 또 “클로스트리듐 아세토부틸리쿰을 세계 최초로 시스템대사공학 기법으로 개량하고 새로운 발효·분리공정을 접목시켜 생산성을 획기적으로 향상시킨 사례”라며 “재생 가능한 자원으로부터 바이오부탄올 생산 공정의 산업화를 앞당기는 계기가 될 것”이라고 강조했다.
한편, 이번 연구 결과는 미생물분야 세계적 학술지인 ‘엠바이오(mBio)‘지 9·10월호 대표논문으로 선정돼 10월 23일자에 게재됐다.
그림설명. 바이오부탄올 생산 미생물인 클로스트리듐 균주의 전자현미경 사진에 핫채널과 콜드채널을 각각 빨간색과 녹색으로 표현. 화합물 구조는 부탄올.
2012.11.06 조회수 14980 -
EEWS 국제 학술대회 개최
- 21세기 글로벌 이슈(EEWS)에 대비한 신기술 교류의 장 -
- 녹색성장을 위한 세계각국의 정책 및 연구 진행 상황 점검과 미래조망 -
- 7일과 8일, KAIST KI빌딩 퓨전 홀에서 열려 -
우리학교는 7일과 8일 양일간에 걸쳐 KI빌딩 퓨전 홀(Fusion Hall)에서 ‘EEWS 신산업 창출’이라는 주제로 ‘2010 EEWS(Energy, Environment, Water, Sustainability) 국제 학술대회’를 개최한다.
올해로 세 번째를 맞는 이번 학술대회에서는 마크 섀넌(Mark Shannon) 미국과학재단(NSF)연구소장 겸 일리노이대 교수, 도멘 도쿄대 교수, 김동섭 SK에너지기술원장, 승도영 GS칼텍스 연구소장 등을 비롯한 40여명의 국내·외 산업계 및 학계 전문가들이 참석한다.
이번 학술대회에서는 12개 세션에서 인공광합성, 차세대 LED, 무선 전력송신, 안전한 원자력기술, 유연한 배터리와 유기태양광, 녹색항공, 담수기술, 연료전지에 대한 발표와 토론을 진행한다.
이재규 EEWS 기획단장은 “이번 학술대회는 녹색성장을 위한 세계 각국의 EEWS에 관한 정책 및 연구 진행 상황 등 관련 기술의 미래를 내다볼 것”이라며, “선도적인 연구자들과 협력관계를 형성하는 기회가 됐으면 좋겠다”고 말했다.
EEWS란 에너지 고갈, 환경오염, 물부족 및 지속성장 가능성 등 21세기 인류가 직면하고 있는 글로벌 이슈의 해결을 위해 KAIST가 추진하고 있는 연구프로젝트다.
2010.10.07 조회수 19204 -
배상민 교수팀, 일본 디자인상 수상
산업디자인학과 배상민(38)교수팀이 <나눔 프로젝트>의 사회 자선상품 ‘러브팟‘을 2009 GOOD DESIGN AWARD에 출품하여 최고의 디자인제품에 수여하는 G-MARK를 받는다.
이번에 수상한 러브팟은 기존 전기 가습기의 박테리아 발생 문제점에 착안하여 자연증발의 원리를 이용한 천연 가습기로 아로마 향기를 낼 수 있다. 나눔의 사랑을 상징화한 하트모양의 천연 울(Wool)소재를 벌집모양으로 구성하여 자연증발을 최대화하였으며 노인, 학생, 병원에서 전기 없이 안전하게 사용할 수 있는 장점을 인정받아 수상의 영예를 안았다.
일본 디자인센터에서 주관하는 ‘굿 디자인 어워드(GOOD DESIGN AWARD)’는 세계적 기업 및 디자이너들이 참여하는 국제 4대 공모전의 하나로 지난해 시장에 출시된 제품 중 최고의 작품들에게 Good Design 인증 마크를 부여한다.
이 공모전은 국제 산업디자인 단체협의회(ICSID)와 일본 산업디자인협회(JIDPO)의 인증을 받고 매년 3000여점의 출품작과 1000여개의 세계적 기업과 디자이너가 참가하며 미국, 유럽, 아시아 등 50여 개국이 참여한다.
한편, 나눔 프로젝트는 자선상품 프로젝트로 카이스트 배교수팀이 디자인 및 제조 과정을 총괄하고 GS칼텍스가 후원하며 월드비젼이 자선 수혜자 선정 및 배분을 맡아 제품 판매 전액인 약 2억원을 어려운 청소년의 장학금으로 기부했다.
나눔 프로젝트는 작년 2009년에는 접이식 ‘MP3 Player’로 미국 IDEA은상을 받았고 올해는 ‘러브팟’으로 일본 Good Design 인증을 받아 자선 상품 디자인을 통해 디자이너의 사회 환원 및 참여를 증대시키는 좋은 예로 인정받고 있다.
배교수팀(ID+IM)은 지난 몇 년간 독일의 Red Dot에서 대상 및 특선, 미국 IDEA에서 은상 2점 대만국제디자인공모전에서 대상 및 장려상 등 다수를 받아 명실상부한 세계적 디자인 어워드팀으로 인정받고 있으며, 올해 2009 독일 Red Dot에서도 POOSH라는 이동식 화장실 프로젝트로 수상하여 11월 시상식에 참여할 예정이다.
2009.09.29 조회수 15629 -
KAIST-GS칼텍스 공동, 바이오부탄올 생산균주개발
- 대사공학적으로 개량된 균주 개발로 효율적 생산가능
- 바이오부탄올은 에너지량이 높고 수송편의 등 장점 많아 차세새 연로로 각광
우리학교와 GS칼텍스(대표 허동수회장)가 공동연구를 통해 차세대 바이오연료로 각광받고 있는 ‘바이오부탄올’을 생산하는 새로운 균주를 개발하는데 성공했다.
이상엽(李相燁, 44세) KAIST 생명화학공학과 및 바이오융합연구소 특훈교수(생명과학기술대학장)와 GS칼텍스 공동연구팀은 폐목재, 볏짚, 잉여 사탕수수 등 비식용 바이오매스를 이용, 많은 양의 ‘바이오부탄올’을 선택적으로 생산 가능케 하는 대사공학적으로 개량된 균주개발에 성공했으며, 특허를 출원했다고 밝혔다.
이번 KAIST와 GS칼텍스가 공동으로 개발, 특허 출원한 기술은 바이오매스 발효과정에 사용되는 균주를 대사공학적으로 개량, 아세톤의 생산을 억제하고 부탄올과 에탄올만 6:1의 비율로 생산되도록 한 것으로, 아세톤을 부탄올로부터 분리할 필요가 없어 공정비용을 절감할 수 있는 장점을 가지고 있다. 클로스트리디움 박테리아를 사용하여 부탄올을 생산하는 전통적인 발효방식에서는 발효시 대사특성으로 인해 부탄올과 아세톤, 그리고 에탄올을 6:3:1의 비율로 생산되는데, 이 때 생산되는 아세톤은 연료로는 사용이 곤란하다는 단점이 있다.
‘바이오부탄올’은 탄소가 4개로 구성된 알코올로서 1리터당 에너지량이 7,323kcal로 현재 널리 사용되고 있는 바이오에탄올의 에너지량 5,592kcal보다 단위 부피당 에너지량이 30% 이상 높으며, 가솔린의 7,656kcal와도 큰 차이가 없다.
또한, 바이오에탄올은 철도나 바지선, 트럭 등으로 운송하여야 하나, ‘바이오부탄올’은 흡수성이 적어 상(相)이 분리되는 문제나 부식성의 문제가 없어 기존의 연료수송 파이프라인을 통해 수송할 수 있다는 장점 때문에 차세대 바이오연료로 각광받고 있으며, 전 세계적으로 많은 연구기관과 기업들의 개발 노력이 치열하게 전개되고 있다.
‘바이오부탄올’은 1900년대 초부터 미생물 발효를 이용하여 생산되기 시작했으나, 1950년대 석유화학산업이 급속히 발달함에 따라 사양길로 접어들었으며, 당밀 등 원료가격이 싼 남아프리카공화국 등지에서만 1980년대까지 발효 생산되다가 중단된 바 있다.
하지만, 최근 고유가시대가 고착화되면서 석유를 일정부분 대체할 수 있는 연료로 다시 부각되고 있다.
이상엽 교수팀과 GS칼텍스는 현재 바이오부탄올 연속 생산공정 등의 조업 최적화 연구를 수행 중이며, 부탄올에 대한 내성 향상 및 생산성을 한층 높이는 균주 개발 연구를 계속하고 있다.
GS칼텍스 중앙기술연구소 정광섭 소장은 “전 세계적으로 바이오부탄올 생산을 위한 개발 경쟁이 치열한 가운데 산학 공동연구를 통해 개량된 고성능 균주를 확보함으로써 차세대 바이오연료 개발에 유리한 고지를 차지할 수 있게 되었다.”고 이번 연구개발의 의미를 밝혔다.
<용어 설명>
- 바이오매스(Biomass)
바이오매스(biomass)는 에너지 전용의 작물과 나무, 농산품과 사료작물, 농작 폐기물과 찌꺼기, 임산 폐기물과 부스러기, 수초, 동물의 배설물, 도시 쓰레기, 그리고 여타의 폐기물에서 추출된 재생가능한 유기 물질 로 현재 에너지원으로 쓰이고 있는 목재, 식물, 농·임산 부산물, 도시 쓰레기와 산업 폐기물 내의 유기 성분 등을 일컫는다.
- 선택성(Selectivity)
촉매나 미생물의 성능을 나타낼 수 있는 인자로써 전체 생성물(Total Product) 중에 우리가 원하는 생성물(Target Product)의 비율로 계산함.
- 대사공학(Metabolic Engineering)
유전자 재조합기술과 관련 분자생물학 및 화학공학적 기술을 이용하여 미생물에 새로운 대사회로를 도입하거나 기존의 대사회로를 제거 증폭 변경시켜 세포나 균주의 대사특성을 우리가 원하는 방향으로 바꾸는 일 련의 기술을 뜻함.
- 균주
우리가 원하는 물질을 생산해 내는 미생물을 포괄적으로 뜻함.
- 에너지량
단위 질량의 연료를 연소하였을 때 발생하는 에너지
- 상(相): Phase
물리학·화학 용어로, 어떤 물질이 물리적·화학적으로 같은 성질을 나타 낼 때를 표현하는 것. 상은 기체상, 액체상, 고체상이 존재하고, 하나의 상으로 이루어지는 균일계와 2개 이상의 상으로 이루어지는 불균일계로 나뉜다.
2008.06.03 조회수 18242 -
산디과 배상민 교수, 월드비젼 나눔 프로젝트에 디자인 기부
우리 학교 산업디자인학과 배상민 교수(裵相旻, 35)가 월드비젼, GS칼텍스가 후원하는 나눔 프로젝트에 디자인을 기부했다. 裵 교수는 이웃 사랑을 상징하는 십자가 형태를 접으면 주사위만한 정육면체로 변하는 mp3 player를 디자인했다. 기부상품의 상징성과 실용성을 고려하고 기능을 단순화하여 사용의 편리성에 디자인의 중점을 두었다.
나눔 프로젝트는 자선 상품의 구매를 통해 국내 저소득 가정 아동들의 교육사업을 후원하는 사회공헌 프로그램으로 수익금 전액을 기부한다.
裵 교수는 "디자인은 나눔이라는 메시지를 사회에 알리고 싶어 이 프로젝트에 참여하게 됐다. 디자이너가 사회에 직접적으로 공헌할 수 있는 기부 디자인의 좋은 예를 만들 수 있어 기쁘다“며, “나눔 MP3 Player는 구입시 월드비젼 어린이 합창단의 캐롤송이 들어있다. 연말연시 지인들에게 캐롤을 선물하듯 나눔 MP3 player를 선물하길 바란다”고 밝혔다.
나눔 프로젝트의 모든 수익금(약 5억원 예상)은 100% 불우 아동을 위한 장학금으로 사용되며, 나눔 MP3 player는 전국 GS칼텍스 충전소나 http://nanum.kixx.co.kr에서 구입할 수 있다.
2007.12.11 조회수 17116