해양환경위해성연구사업단 이택견 책임연구원

1. 바이오 디젤이란?

 동·식물 등 바이오매스(biomass)에서 추출되는 신재생 에너지를 통틀어 바이오에너지라 부른다. 경유를 대체할 수 있는 바이오디젤(biodiesel)과 휘발유를 대체하는 바이오에탄올(bioethanol)이 대표적이라 할 수 있다. 이 가운데 식물성 유지(쌀겨, 대두유, 유채유 등)와 알코올을 반응시켜 만든 지방산 메틸에스테르(fatty acid methyl ester)로서 순도가 95% 이상인 것을 바이오디젤이라 부른다.

 
[바이오디젤 생산반응공정 및 이산화탄소 저감 회로] 

2. 바이오디젤의 필요성과 장단점

 바이오디젤은 고유가 시대에 대응하고, 기존 화석에너지 사용에서 오는 대기오염 및 온실가스를 감축시키는 환경개선 효과를 가지고 있다. 2005년 2월 16일부로 발효된 교토의정서로 인하여 선진국은 2008-2012년 사이 온실가스 배출량을 90년 대비 평균 5.65% 의무 감축하도록 되어있다. 우리나라의 CO2 배출량은 2003년 기준 5억 8천 2백 2십만 CO2 톤으로서 배출량 총계 세계 9위로 매우 높은 위치를 차지하고 있다.
 바이오디젤은 재생 가능한 식물자원(바이오매스)에서 생산되므로 에너지자원의 고갈 문제가 없다. 연료의 문제가 되고 있는 이산화탄소는 바이오매스의 생산과정에서 회수되므로 이산화탄소의 순배출량이 매우 적다. 또 바이오 디젤은 산소함유량이 높으므로(산소 10% 이상) 완전연소 비율이 높고, 발암물질인 입자상물질 등을 저감할 수 있다. 특히 독성이 적고, 생분해도가 높아서 유출시 환경오염이 적다는 점도 바이오 디젤의 장점으로 꼽힌다.
 반면 성분의 안정성이 떨어진다는 점, 장기 보관시 산소, 수분, 열 및 불순물 등의 노화현상이 나타난다는 점, 원료생산을 위해 사용되는 비료 및 살충제에 의한 장기적인 환경영향이 일어날 가능성, 원료수급이 원활하지 않을 가능성이 매우 높아 경제성이 낮아질 수 있다는 점은 단점으로 지적되고 있다.


3. 육상식물 유래 바이오 디젤 개발의 문제점과 한계

 앞서 단점에서 언급한 바와 같이 바이오디젤 생산원료의 생산을 위한 토지 및 기후 등의 영향으로 원료 단가가 높아 경제성에 대한 의문이 제기되고 있다. 특히 우리나라는 바이오디젤 생산을 위해 원료를 전량 수입에 의존하고 있으며, 이를 탈피하기 위해 동남아시아 등 국외에서 생산을 하고 있으나, 이 경우 바이오디젤 개발의 가장 중요한 점인 우리나라 이산화탄소 저감에는 전혀 영향을 미치지 못한다. 따라서 국내에서 원료수급이 가능한 식물종의 개발 및 활용 필요성이 제기되고 있으며, 육종이나 형질전환 식물 개발, 폐식용유 활용 등 다양한 연구방법이 모색되고 있으나, 여전히 국내에서의 원료수급에는 한계가 있는 것으로 평가되고 있다.

4. 국내 바이오 디젤 연구현황

 1988년부터 대체에너지 개발의 일환으로 바이오연료에 대한 연구개발이 이루어져 왔으나, 일부연구자들이 산발적으로 연구를 진행 중이어서 국가 경쟁에서 매우 불리한 실정이다. 국내에서 진행된 연구과제들로는 2000년에 지원된 21세기 프론티어사업(10년)으로“폐식용유의 바이오디젤의 전환기술”, 차세대 핵심 환경기술 개발 사업으로 시작된 “폐식용유와 식물성오일의 혼합하여 이를 바이오디젤로 전환시키는 연구” 등이 진행되었다. 2000년부터 과학기술부 21세기 프론티어사업의 핵심과제로 동식물성 폐유지를 원료로 화학 또는 생물 촉매를 이용하여 환경친화적 연료인 바이오디젤유를 제조하는 기술에 대한 연구가 수행된 바 있으며 2003년에는 “바이오디젤 생산을 위한 반응기 최적화 및 공정기술”이라는 특허가 등록되었다.  
 우리나라의 경우 쌀겨와 폐식용유, 대두유 등을 원료로 바이오디젤을 생산하고 있는데 2004년부터 2년간의 시범사업을 통해 2006년 7월부터 바이오디젤의 상용화가 시작됐다. 현재 국내 업체들은 주로 대두 및 유채유로부터 바이오디젤을 생산하고 있으나 원료를 전량 수입하여 생산하거나 동남아시아 등 현지생산을 주로 하고 있다. 특히 해양식물을 대상으로 한 연구는 전무한 상황이다.

5. 해양식물 유래 바이오디젤 개발

 본 연구실에서는 육상 식물이 지니고 있는 몇 가지 문제점을 극복할 수 있는 바이오 디젤을 개발하기 위해 해양식물에서 새로운 가능성을 찾기 위한 연구를 진행하고 있다. 해양식물은 바이오매스의 30-70%까지 사용가능한 유지성분을 함유하고 있으며 건조물의 80%까지 이르는 종도 있다. 조류는 다른 작물과 토지나 공간에서 경쟁하지 않는 특성을 지니고 있으며(육상식물 생산 토지의 1-3%이면 충분) 성장률이 매우 빠르고(24시간에 2배 성장) 극한환경에서도 성장 가능하다는 게 장점이다.

[바이오매스간의 바이오디젤 생산성 비교 및 미세조류의 세포내 유지성분 함유량]
출처: Biotechnology Advances 2007 25: 294-306 Biodiesel from microalgae


 이런 사실을 바탕으로 우리는 고지방 함유 해양식물 탐색 및 대량배양기술 확보를 통해 해양생물 유래 바이오디젤을 개발하고, 이를 통하여 고부가 해양생물자원을 개발한다는 연구 목표를 세우고 앞으로 10년 간 4단계에 걸친 장기 계획에 의거 연구를 수행하게 된다. 그 첫 단계에 해당하는 연구내용에 ▲해양 미세조류 배양 ▲유지 함량분석 ▲고유지 함유종

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6. 기대효과 및 활용 방안 

 현재 우리 연구원, 부경대를 비롯한 국내 다양한 대학 연구실에 미세조류 은행이 구축되어 있어 미세조류 수집에는 문제가 없으며, 최근 우리 연구원은 미세조류생리 및 생화학적 연구를 꾸준히 수행해 왔다. 국내의 미세조류 배양기술은 세계수준에 뒤떨어지지 않으며, 대량배양을 위한 photobioreactor 등에 관한 노하우도 축적되어 있다. 본 연구실은 과거 10여 년간 미세조류 지질 및 지방산 분석 연구를 수행하였으며, 관련 연구결과를 다수 확보하고 있다. 
 그러나 국내에서 미세조류를 이용한 바이오디젤 연구결과가 전무하고, 육상식물을 활용하는 연구도 일부연구자들에 의해서만 이루어지는 등 연구의 집중이 되지 않고 있는 점이 가장 커다란 문제점으로 지적되고 있다. 

[바이오디젤샘플] 
출처: http://ko.wikipedia.org/wiki/그림:Biodiesel.JPG

 따라서 국내의 바이오디젤 관련 연구자들의 통합, 미세조류 생리 및 생화학 연구자들의 바이오디젤 연구로의 투입, 미세조류 대량배양기술의 확립 등을 이루기 위해서는 정책적인 대단위의 연구비 투입 및 장기연구가 이루어져야 할 것으로 판단된다.
 해양생물을 원료로 하는 바이오디젤 개발 연구는 에너지 원료의 안정적 확보를 통한 대기오염 저감, 농가소득증대 및 에너지 안보 강화 등을 달성시켜줄 것으로 기대를 모으고 있다. 앞으로 바이오디젤은 전 세계적으로 매우 밝을 것으로 평가되고 있으므로 바이오디젤 연구는 선택이 아닌 필수이며, 특히 해양식물을 원료로 하는 바이오디젤 연구는 국가 정책적으로 추진해야 할 사항으로 판단된다. 세포내 유지성분 함량증진연구를 통하여 미세조류 생리, 생화학, 분자생물학 및 유전공학 관련 연구의 활성화가 기대되고 있다.

2007-12-26