< 미생물공정을 이용한 식물유의 세바식산 전환공정 개요도 >
바이오매스인 식물유래의 기질을 유전공학으로 개량한 미생물을 이용하여 세바식산으로 전환공정

 

- 식물유로부터 바이오플라스틱 소재(세바식산) 대량생산 미생물 화학공정 개발
- 기존의 환경오염유발 화학공정을 친환경 저공해 생물공정으로 대체 기대


□ 순수 국내연구진이 플라스틱 및 다양한 화학제품 원료 소재인 세바식산(sebacic acid)을 식물유 원료로부터 생물학적으로 대량 생산하는 기술을 개발하였다. 이 기술을 활용한 세바식산 생산량은 세계 최고 수준이며, 향후 산업적으로 활용되어 바이오플라스틱 소재 산업 성장에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

 ㅇ 한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연) 바이오상용화지원센터 안정오 박사팀(교신저자: 안정오/이홍원 박사, 제1저자: 전우영 박사)이 수행한 이번 연구는 산업통상자원부에서 추진하는 산업핵심기술개발사업의 지원으로 수행되었고, 영국왕립화학회에서 발간하는 세계적 학술지  ‘그린케미스트리지(Green Chemistry, IF 9.405)’에 12월 7일에 게재되었다.

     (논문명 : Microbial production of sebacic acid from a renewable source: production, purification, and polymerization, 첨부파일 참조)

□ 세바식산(HOOC-(CH2)8-COOH)은 가소제, 윤활제, 화장품 및 플라스틱의 생산을 포함하여 다양한 산업에 응용되는 물질이다.

 ㅇ 현재 피마자유(castor oil)를 고온의 열분해(pyrolysis) 공정을 통해, 세바식산이 생산되고 있다. 하지만, 이러한 화학공정은, 고온의 합성공정을 수반하며 이러한 과정에서 상당한 양의 황산을 소비한다. 이 과정에서 심각한 환경오염을 일으킬 수 있는 황산나트륨을 함유한 폐수를 방출 하는 등의 문제점이 존재한다. 이에, 세바식산의 주요 생산국가인 중국은 세바식산 생산공장에 대한 환경법령을 적용하여 공장가동일을 줄이고 있어, 대체 생산기술개발이 요구되고 있는 상황이다.

□ 연구팀은 기존의 고온·고압의 화학공정을 통한 세바식산 생산을 대체할 수 있는 친환경의 미생물화학공정*을 개발하고, 생산된 세바식산을 고순도로 분리·정제하는 공정을 개발하였다. 또한, 폴리아마이드 중합 공정**을 통해 고성능 바이오나일론 610(nylon 610)***을 성공적으로 합성하였다.

     * 미생물화학공정: 미생물공정은 화학공정에 비해 친환경적인 공정, 무한히 재생 가능한 생촉매 사용과 같은 여러 장점을 가지고 있음

    ** 폴리아마이드 중합공정 : 고온에서 물(H2O)을 제거하면서 카르복실기(-COOH)와 아민기(-NH2) 간의 아마이드 결합(-COHN-)을 생성하는 반응

   *** Nylon 610 : 세바식산과 헥사메틸렌디아민(Hexamethylenediamine)과의 중합공정을 통해 생산되는 나일론으로 전기절연체, 정밀부품, 필라멘트 등에 활용된다.

 ㅇ 연구팀은 미생물 균주(효모 캔디다 트로피칼리스) 유전자 조작을 통하여, ω-산화 반응*에 관여하는 유전자들을 증폭시킴으로써 식물 유래의 지방산 원료로부터의 세바식산 생산 능력을 향상시켰다. 또한 배양 공정에 관여하는 온도, pH, 용존산소량, 원료의 투입 속도 등의 조건들을 최적화 하여 세바식산을 세계 최고 수준으로 생산(98.3 g/L의 농도와 98%의 생산 수율) 하였다.

     * ω-산화반응 : 알칸이나 지방산의 ω-위치 탄소를 산화시켜서 알콜기 알데히드기를 거쳐 카르복실기로 전환시켜 주는 반응

 ㅇ 연구팀은 실험실 규모에서 구축한 세바식산 생산 공정을 파일롯 규모(50L 배양기)에서도 성공적으로 재현함으로써 본 연구결과의 산업적 적용 가능성을 확인하였다.

 ㅇ 또한 본 연구팀은 국내 기업인 애경 유화(주), (주)롯데케미칼, 스몰랩과의 산·연 협동 연구를 통하여, 바이오공정을 통하여 생산된 세바식산을 고순도로 분리 및 정제 하였으며, 중합 공정을 통해 바이오나일론 610(nylon 610)을 성공적으로 합성하였다.

□ 연구책임자인 안정오 박사는 "동 연구성과는 재생 가능한 바이오자원 유래의 세바식산 생산공정을 통해, 기존의 화학적 생산방법을 대체 가능하다는 것을 보여준 것"이라며,

 ㅇ "또한 국내기업들과의 협업을 통해 세바식산을 나일론610으로 성공적으로 합성한 것은 산·연 간 공동 연구가 국내 바이오 산업화기술 경쟁력 강화로 이어지는 좋은 사례가 될 것으로 기대한다."고 밝혔다.


<그림 설명>

- 그림 1. 미생물 기반의 세바식산 생산, 정제 및 중합의 개략도
  
  바이오매스인 식물유래의 기질을 유전공학으로 개량한 미생물을 이용하여 세바식산을 생산하고 고순도로 분리 정제 후 바이오기반 나일론610으로 중합하는 공정

- 그림 2. 
  
  (a) 상동성 재조합 방법을 이용한 유전자 카세트의 미생물 유전체로의 삽입
  (b) 다양한 유전자의 도입을 통해 만들어진 균주목록
  (c) 플라스크 배양을 통한 균주들 간 세바식산 생산량 비교

- 그림 3.
  
  (a) 미생물 배양기 모식도
  (b) 세바식산 생산에 있어서의 배양 3단계 
  (c) 5L 스케일에서의 세바식산 생산 배양 프로파일
  (d) 50L 스케일에서의 세바식산 생산 배양 프로파일

- 그림 4. 미생물 배양을 통해 얻은 세바식산의 분리 및 정제
  
  (a) 공정흐름도 
  (b) 실제 세바식산 사진


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