일본 정부기구인 지구환경산업기술연구기구(RITE)가 재생가능자원인 바이오매스를 활용해 연료 및 화학제품을 생산하는 바이오 리파이너리 기술을 확립하기 위한 연구개발을 가속화하고 있다.
바이오연료는 에탄올(Ethanol) 및 이소부탄올(Isobutanol)의 실용화를 검토하고 있으며 100% 친환경 제트연료, 바이오수소 등의 실용화를 위한 구체적인 목표도 설정했다.
친환경 화학제품은 2018년을 목표로 친환경 페놀(Phenol) 상업생산을 계획하고 있으며 고부가가치 방향족 화합물 개발도 추진하고 있다.
바이오 리파이너리는 차세대 화학산업의 주역으로 기대되고 있으며 머지않아 석유계 화학제품 대체를 본격화할 것으로 예상된다.
식료품과 경쟁하지 않는 비식용 바이오매스를 원료로 사용하는 바이오연료 및 친환경 화학제품은 세계적으로 전략적 개발이 이루어지고 있다.
RITE는 산소를 억제하면 증식하지 않지만 대사기능을 유지함으로써 유용물질을 생산하는 Coryne 타입 세균을 활용한 독자 프로세스를 보유하고 있다.
목적물질을 효율적으로 생산할 수 있도록 해당 균을 게놈 해석해 조작함으로써 대사를 개선하는 것이 특징이다.
미생물 증식으로 물질을 생산하는 기존방식과 달리 증식을 억제한 상태에서 물질을 생산하는 RITE 프로세스는 반응조에 미생물을 고밀도로 충진할 수 있고 증식 에너지 로스가 없기 때문에 높은 생산 효율성을 실현한다.
증식에 의존하지 않기 때문에 미생물 발효를 저해하는 부생물질의 영향도 받지 않으며 생산성이 높기 때문에 셀룰로오스 등 비식용 C5 당과 글루코스 C6 당을 동시에 이용할 수 있도록 대사를 개선하고 공존하는 혼합당을 활용하는 것을 가능케 했다.
바이오에탄올은 2016년 들어 미국에서 Green Earth Institute와 파일럿 사업을 실시하고 있으며 2017년 실용화할 계획이다.
또 친환경 제트용 부탄올은 미국 재생가능에너지 연구소(NREL), Sumitomo Bakelite와의 공동 연구를 통해 2020년까지, 100% 제트연료로 사용 가능한 친환경 제트연료는 2030년 실용화하는 것을 목표로 하고 있다.
기존공법으로는 제트연료의 주성분인 분기사슬 및 환형태의 포화탄화수소, 방향족 화합물을 생산하는 것이 어렵고 최대 50%밖에 혼합할 수 없는 것으로 알려졌다.
RITE 프로세스는 수소첨가 반응을 통해 사용하는 수소를 동시에 생산할 수 있는 것이 주요 특징 가운데 하나로 바이오 수소도 2030년 실용화를 목표로 하고 있다.
친환경 화학제품은 친환경 페놀을 사업화하기 위해 Sumitomo Bakelite와 2014년 「그린 페놀 개발」을 설립했으며 Sumitomo Bakelite의 Shizuoka 공장에 파일럿 플랜트를 건설했다.
2018년 1200톤 생산설비의 상업가동과 추가 증설도 계획하고 있는 것도 알려졌다.
L-알라닌, D-유산 등이 높은 생산수율을 달성하고 있는 가운데 생산성을 더욱 향상시키기 위한 개발을 추진하고 있다.
친환경 방향족 화합물은 폴리머 원료 등 뿐만 아니라 의약품 및 향료, 화장품, 농약 등과 같은 부가가치 분야로도 확대될 것으로 예상되고 있다.
바이오 프로세스를 활용해 방향족 화합물을 생산하는 것은 발효 저해물질의 영향이 크고 기존공법으로는 고효율 생산이 매우 어려웠으나 인플루엔자 치료약 「타미플루」 원료인 시킴산(Shikimic Acid)의 높은 생산수율을 확립하고 있다.
국내에서도 2030년 온실가스 37% 감축 목표를 달성하기 위해 신재생에너지 자원 개발을 위한 활동이 활발하며, 특히 농업 바이오매스를 원료로 하는 바이오에너지 및 바이오화학 산업의 중요성이 커지고 있다.
국립산림과학원은 국내에서 생산되는 낮은 상품성의 목탄을 이용해 바이오에탄올 제조공정의 생산성을 향상시키는데 성공한 것으로 알려졌다.
국립산림과학원은 바이오에탄올 제조를 위해 초임계수를 이용해 목재를 분해, 발효당을 생산하는 공정을 개발하고 있다.
목재를 초임계수로 분해할 때 발효를 담당하는 미생물의 활동을 억제하여 바이오에탄올 생산성에 큰 영향을 미치는 바이오에탄올 발효 저해물질들이 생성되는데 당화액에서 해당물질을 효과적으로 제거하는 것이 매우 중요하다.
초임계수는 374℃ 이상의 초고온과 대기압의 230배 이상의 압력에서 존재하는 물이다.
활성탄은 기존산업에서 발효 저해물질 제거에 활용됐으나 바이오에탄올 제조에서는 필요한 물질들까지 흡착해 생산성을 감소시키는 문제로 폭넓게 활용되지 못했다.
실험결과 활성탄의 투입량을 늘림에 따라 대표적 발효 저해물질인 5-HMF와 푸르푸랄 제거율도 증가했으나, 바이오에탄올 제조에 필요한 포도당과 자일로스의 양은 최대 25%까지 감소했다.
반면, 발효저해물질 제거에 목탄을 적용한 결과, 포도당과 자일로스의 손실 없이 5-HMF과 푸르푸랄이 24시간 내에 90% 이상 제거됐다. 
국립산림과학원 화학미생물과 이성숙 과장은 “목탄 적용으로 발효 저해물질 제거를 위해 기존에 이용하던 활성탄의 단점인 발효당의 손실을 최소화시킬 수 있어 바이오에탄올 제조공정의 경제성이 개선될 것으로 기대된다”고 강조했다. <이하나 기자>