항공유, 미생물에게 맡긴다...가스 발효 공정 등 생명공학 기술이 핵심

앞으로 수개월 내에 세계 최초로 에탄올을 제트엔진 연료로 사용하는 상업적 규모의 항공유 생산공장이 가동될 것으로 보인다. 미국 조지아주 소퍼턴(Soperton)에 위치한 공장의 생산공정은 란자테크(LanzaTech) 및 계열사 란자젯(LanzaJet)이 개발한 것으로, 폐산업 가스를 에탄올로 전환한 후 제트 연료로 만드는 20년 가까운 노력의 중요한 이정표가 될 것이다.

란자테크의 목표는 미생물이 폐산업 가스를 원료로 대사하여 에탄올 및 기타 유용한 화학적 화합물로 전환하는 가스 발효를 이용하는 것이다. 현재 란자테크의 항공 분야 전문기업인 란자젯은 석유화학 산업에서 채택한 촉매 단계를 사용하여 에탄올-제트 연료를 생산하고 있지만, 궁극적인 목표는 가스 발효를 통해 촉매 작업의 대부분을 미생물에게 맡기는 것이다.

가스를 발효하는 유기체는 산업에서 배출되는 이산화탄소(CO₂)를 원료로 사용할 수 있다. 이러한 가스 발효는 미생물에 농작물을 포함한 당분이나 기타 바이오매스를 공급하는 전통적인 발효만큼 잘 발달되어 있지는 않다. 그러나 바이오매스든 가스 기반이든 두 가지 모두 대사를 위해 선택된 미생물 균주를 유전적으로 조작한 다음 대형 탱크에서 발효를 위해 성장시킬 수 있다.

이산화탄소 기반 기술은 아직 갈 길이 멀지만, 이산화탄소와 기타 폐기물 배출물을 원료로 사용할 수 있다는 점에서 충분히 추구할 가치가 있는 기술이다. 생물공학자들을 위한 산업 조직이자 네트워크인 신바이오베타(SynBioBeta)의 국제 홍보 담당 이사 피오나 미셸(Fiona Mischel)은 "가스 발효가 없는 바이오경제는 불완전한 바이오경제"라며 "탄소는 놀라운 자원으로, 우리 전 세계가 탄소 위에 구축되어 있다"고 말한다. 그러나 그녀는 "지금은 대기 중 탄소라는 잘못된 형태로 잘못된 곳에 존재하고 있으며, 우리는 생명공학을 통해 이를 활용해야 한다"고 주장한다.

란자테크는 특수 화학물질, 연료 전구체 및 단백질을 만들기 위해 가스 발효를 활용하는 방법을 연구하는 전 세계 여러 기업 중 하나다. 예를 들어 비솔리스(Visolis)라는 기업은 가스, 바이오매스 또는 도시의 고형체 폐기물을 활용하여 메발론산(mevalonic acid)을 중간체로 생산할 수 있는 다양한 유기체를 개발하고 있으며, 이를 추가적인 화학 촉매 작용을 통해 로켓 연료, 항공유, 합성 고무 및 특수 화학 물질로 가공할 수 있다.

가스 발효에서는 일산화탄소, 이산화탄소 또는 가스화된 바이오매스가 발효기로 펌핑된다. 일부 유기체는 성장이나 신진대사를 위해 수소와 같은 다른 가스가 에너지원으로 필요할 수 있다. 가스는 가스를 대사하고 원하는 분자를 생성할 선택된 또는 조작된 미생물이 포함된 액체에 혼합된다.

일부 제품은 가스 발효를 통해 아세트산과 같은 중간 화학 물질이 생성되는 2단계 발효가 필요하다. 그런 다음 아세트산은 더 복잡한 분자가 생산되는 전통적인 발효의 공급 원료가 된다.

과학자들이 가스 발효를 위해 주목한 미생물로는 환원성 아세틸 코엔자임 A 경로를 사용하여 아세테이트를 합성하는 클로스트리디움(Clostridium) 종(種)과 같은 혐기성 아세토겐(acetogen)과 바이오 플라스틱과 오일을 위한 복잡한 분자를 생산할 수 있는 쿠프리아비두스 네케이터(Cupriavidus necator)와 같은 수소산화 칼가스( knallgas) 박테리아가 있다.

그러나 가스 발효를 위한 미생물 개발은 더디게 진행되어 왔는데, 이는 부분적으로는 미생물이 효모나 대장균과 같은 전통적인 발효의 주역에 비해 그 특성이 잘 나타나지 않기 때문이다. 벨기에 겐트(Ghent)에 있는 바이오 기반 제품 개발 기업의 파일롯 플랜트이자 액셀러레이터 역할을 하는 바이오베이스유럽(Bio Base Europe)의 사업 운영 책임자 헨드릭 웨게만(Hendrik Waegeman)은 "대장균이나 효모를 엔지니어링하는 데는 몇 초밖에 걸리지 않지만 아세토겐을 사용하면 기능을 향상시키는 간단한 돌연변이를 얻는 데 몇 년이 걸리게 된다"고 말한다.

아세토겐은 엄밀히 말해 혐기성이기 때문에 실험실에서 아세토겐을 다루는 것은 까다로울 수 있다. 웨게만은 "산소가 조금만 있어도 죽기 때문에 공학적 조작을 하려는 경우 그다지 편리하지 않다"고 말한다. 그는 가스 발효를 목적으로 클로스트리듐 종을 공학적으로 조작하려는 시도를 한 그룹이 전 세계적으로 30개 미만이라고 추정한다.

가스 발효에는 비용이 많이 들거나 에너지 집약적인 기술적 어려움이 따를 수 있다. 미생물이 제 역할을 하려면 발효 탱크에 수소를 주입하는 것과 같은 에너지원이 필요하다. 하지만 기존의 수소 생산은 탄소 집약적이기 때문에 일부 그룹에서는 전기분해를 통해 물을 산소와 수소로 분리하여 현장에서 재생 가능한 수소를 생산하고 있다. 물 속에 사는 미생물과 가스를 충분히 혼합하는 것도 비용이 많이 들고 정교한 엔지니어링이 필요한 것으로 입증됐다.

게다가 미생물 개발과 엔지니어링은 매우 까다로운 작업이었다. 란자테크는 가스 발효 시스템에 사용할 클로스트리디움 오토에탄노제눔(autoethanogenum)의 특성을 분석하고 개발하는 데 수년을 투자했다. 이 혐기성 박테리아는 일산화탄소를 흡수하고 자체 대사를 통해 아세테이트를 생성할 수 있다. 란자테크는 직접 진화를 통해 일산화탄소를 에탄올로 전환하도록 이 박테리아의 신진대사를 조종했다.

란자테크는 현재 6개의 상업용 가스 발효 공장에서 이 박테리아 종을 사용하고 있다. 이 중 5곳(중국 4곳, 벨기에 1곳)은 제철소 또는 합금철 생산 공장에 위치해 있으며, 해당 시설에서 발생하는 폐일산화탄소를 에탄올로 전환한다. 인도 파니팟에 있는 여섯 번째 공장은 정유 공장에서 이산화탄소를 추출하여 에탄올로 전환하고 있다.

란자테크의 정부 프로그램 담당 부사장인 존 홀러데이는 란자테크가 이 공장에서 생산하는 에탄올의 대부분은 화석에서 나오는 순수한 탄소를 사용하는 제품에 사용된다고 말한다. 이러한 제품에는 섬유, 신발 밑창, 포장, 청소 제품, 계면활성제 및 세제가 포함된다. 하지만 란자테크는 생산한 에탄올을 항공유 연료로 전환하는 방안도 모색하고 있다. 홀러데이는 "우리는 탈탄소화가 어려운 산업에 집중하고 있는데, 항공은 탈탄소화가 매우 어렵다"고 말하고 있다.

국제에너지기구(IEA)에 따르면 항공은 전 세계 에너지 관련 이산화탄소 배출량의 약 2%를 차지하며, 그 수치를 줄이기 어려운 것으로 나타났다. 배터리 및 수소 동력 항공기가 해결책으로 제시되고 있지만, 두 가지 모두 기술적 한계가 있으며 항공기를 재설계하고 공항을 개조하는 데 많은 비용이 소요된다.

이러한 이유로 국제항공운송협회(IATA)와 같은 무역 단체는 지속 가능한 항공유를 가장 실행 가능한 옵션으로 추진하고 있다. 유엔 산하기구인 국제민간항공기구(ICAO)는 지속 가능한 항공유를 지속가능성 기준을 충족하는 재생 가능 또는 폐기물 유래 항공유로 정의하고 있다.

항공사들은 이 아이디어에 반대하지 않는 것 같다. 델타항공, 에어프랑스, 국제항공그룹, 원월드 얼라이언스는 모두 2030년까지 지속 가능한 항공 연료를 10% 사용한다는 목표에 동의했다. 지난해 11월에는 버진 애틀랜틱과 걸프스트림 에어로스페이스가 각각 100% 지속 가능한 항공 연료를 사용하여 대서양 횡단 시험 비행을 실시했다.

각국 정부는 지속 가능한 항공유 사용을 의무화하고 인센티브를 제공하고 있다. 유럽은 10월에 연료 공급업체가 2025년 최소 2%에서 시작하여 2050년에는 70%까지 지속 가능한 항공유를 기존 제트 연료와 혼합하도록 하는 'ReFuelEU' 항공 규제 프로그램의 도입을 확정했다. 미국은 재생 연료에 대한 세금 인센티브를 제공하고 있으며 2005년부터 일정량의 재생 운송유로 석유 기반 연료를 대체하도록 요구하는 재생 연료 표준 프로그램을 유지하고 있다.

현재 시중에 나와 있는 대부분의 지속 가능한 항공유는 식용유, 식물성 기름, 식용 동물성 지방, 수화 처리된(hydroprocessed) 에스테르 및 지방산인 산업용 그리스로 만들어진다. 그러나 이러한 지방과 오일의 공급은 제한적이고 분산되어 있다. 이에 따라 무역 단체들은 지속 가능한 연료 개발업체들이 바이오매스 및 도시 폐기물을 포함한 다양한 공급원료를 보다 폭넓게 검토할 것을 촉구하고 있다.

이러한 공급 원료를 제트 연료로 전환하려면 다양한 기술을 결합해야 할 가능성이 높다. 한 가지 선택지는 농작물이나 기타 바이오매스를 이소부탄올이나 에탄올과 같은 알코올로 전환하는 전통적인 발효와 알코올을 제트 연료로 전환하는 일련의 화학 반응인 알코올-제트 전환을 결합하는 것이다. 또 다른 경로는 바이오매스를 수소와 일산화탄소의 혼합물인 합성가스로 가스화한 다음 잘 확립된 피셔-트롭쉬(Fischer–Tropsch) 화학 공정을 통해 제트 연료로 전환하는 것이다.

그러나 이러한 경로에는 대량의 바이오매스가 필요하며, 특히 농작물이 원료인 경우 토지 이용에 대한 우려가 있다. 이로 인해 일부 그룹에서는 이산화탄소나 일산화탄소와 같은 폐가스를 원료로 사용하기도 한다. 가스 발효는 가스를 전환하는 새로운 경로로, 열화학 및 전기화학 공정이 더 많이 확립되어 있다.

효소로 탄소를 포집하는 것도 가능하다. 덴마크 바그베드에 있는 노보네시스(이전 노보자임스)와 밀라노의 파트너사인 사이펨은 이산화탄소를 포집하여 중탄산염으로 전환하는 탄산탈수효소를 개발하고 있다. 이 효소를 암호화하는 유전자는 호열성(thermophilic) 심해 생물에서 유래했다. 노보자임은 이 유전자를 효소를 대규모로 생산하는 독점적인 숙주 유기체에 이식했다.

사이펨은 하루에 30톤의 이산화탄소를 포집하는 시범 플랜트를 건설했다. 노보자임스의 탄소 포집 및 저장 책임자인 클라우스 스칼룸 라센은 효소 탄소 포집은 작동에 필요한 에너지가 적고 연소 가스 정화 작업이 덜 필요하기 때문에 기존의 용매 기반 탄소 포집보다 더 효율적이라고 말한다.

미생물 가스 발효는 가스 전환에 대한 화학적 접근 방식에 비해 몇 가지 장점이 있다고 벨기에 몰에 있는 비토(VITO)사의 생명공학 프로젝트 매니저인 헬린 드 웨버는 말한다. 예컨대, 미생물은 특정 불순물과 가스 구성의 변동을 처리하는 데 더 효과적이라는 것이다. 또한 미생물은 화학 촉매 방식보다 더 복잡한 분자를 생산할 수 있으며, 목표 분자에 대해 더 높은 특이도로 생산이 이루어진다.

헬린 드 웨버는 "포름산이나 메탄올과 같은 더 간단한 단일 탄소 화학물질을 만들고 싶다면 가스 발효로 갈 필요가 없는데, 이를 위한 좋은 화학 촉매가 있기 때문"이라면서 "하지만 탄소가 5개 이상인 더 복잡한 분자나 폴리에스테르와 같은 고분자를 만들고 싶다면 생명공학 기술이 바로 그 역할을 할 수 있다"고 말하고 있다.

란자테크는 주로 화학 촉매를 사용해 에탄올을 제트 연료로 전환하는 란자젯과의 파트너십을 통해 제트 연료의 탈탄소화에 박차를 가하고 있다. 란자젯이 조지아에 건설하는 새로운 에탄올-제트 연료 시설은 연간 1,000만 갤런의 지속가능한 항공유를 생산할 수 있는 세계 최대 규모의 알코올-제트 연료 공장이 될 것으로 보인다. 이 공장에서만 미국 내 지속가능한 항공 연료의 3분의 2를 생산할 수 있을 것으로 회사 측은 내다보고 있다.

하지만 란자젯의 공장은 란자테크의 가스 발효 공정에서 에탄올을 공급받지 않는다는 점이 걸림돌이다. 현재 란자젯의 에탄올은 브라질산 사탕수수에서 생산된다. 철강 또는 합금철 공장의 폐가스에서 추출한 에탄올은 미국 재생연료 표준 프로그램에 따라 인센티브를 받을 수 없기 때문이다. 홀러데이는 "정책이 혁신을 뒤처지게 하고 있다"고 지적하고 있다. 그래서 란자젯은 자격을 갖춘 공급처에서 에탄올을 구매하고 있다.

한편, 정책 변화를 기다리는 동안 란자테크는 비금속 합금 산업 현장에서 다양한 종류의 원료를 공급받는 프로젝트를 추진하고 있다. 여기에는 바이오가스를 개질하거나 임업 또는 농업 잔류물을 가스화하여 추출한 합성가스와 도시의 고형 폐기물이 포함되며, 이 회사는 가스 발효를 통해 에탄올로 전환한 다음 란자젯의 촉매 알코올-제트 공정을 사용하여 제트 연료로 전환할 예정이다. 희망은 이러한 공급 원료가 회사의 지속가능한 항공유에 대한 인센티브 자격을 부여하는 것이지만, 프로젝트는 아직 초기 단계에 있다.

새로운 기술을 선도하는 생명공학 기업의 삶은 이런 것인가?  아쉽다.