최근 탄소중립 이행과 원유 의존도 저감이 글로벌 핵심 과제로 떠오르면서 이산화탄소를 흡수하는 동시에 유용한 바이오소재를 생산할 수 있는 미세조류가 주목받고 있다.
미세조류는 광합성을 통해 이산화탄소(CO2)를 흡수하고 단백질과 지질, 탄수화물 등 다양한 성분을 축적한다. 특히, 기존 농지를 사용하지 않고 배양할 수 있는 비식량 자원이라는 점에서 옥수수나 사탕수수 기반 바이오원료의 대안으로 평가된다.
배양된 바이오매스는 식물성 단백질과 바이오오일, 화장품‧건강기능식품 원료는 물론 바이오플라스틱 소재로도 활용할 수 있다.
다만, 미세조류 산업이 연구 단계를 넘어 본격적으로 상용화되기 위해서는 대량배양 과정의 생산성을 높이고, 수확‧분리 공정에 투입되는 비용을 낮추어야 한다.
CNSINT(대표 손주동)는 과제를 해결하기 위해 미세조류 광배양 장치에 센서와 자동제어, 공정 모니터링 기술을 결합했다. 경기도 화성에 30톤의 폐쇄형 광배양 실증설비를 구축했으며 미세조류 배양부터 수확, 바이오매스 활용까지 이어지는 연속 공정의 상용화를 추진하고 있다.
CNSINT의 홍수열 연구소장을 만나 핵심 기술과 미세조류 광배양 공정, 산업별 적용 가능성, 상용화를 위해 해결해야 할 과제에 대해 들어봤다.

 

Q) 안녕하세요. CNSINT라는 기업에 대해 소개 좀 부탁드려도 될까요? 
 CNSINT는 미세조류를 안정적으로 그리고 연속적으로 배양하는 광배양 장치와 통합 운전 시스템을 개발하는 회사입니다.

미세조류를 배양할 수 있는 설비를 직접 설계하고 그 안에서 미세조류가 잘 성장할 수 있도록 빛과 이산화탄소, 물, 영양분 같은 조건을 지속적으로 모니터링하고 제어하고 있습니다.
배양 장치만 만드는 것은 아닙니다. 배양된 미세조류를 수확하고 바이오매스로 분리하는 공정, 남은 배양액을 농업용으로 활용하는 공정까지 연결하고 있어요. 배양부터 수확, 활용까지 전체 공정을 하나의 시스템으로 구축하는 것이 CNSINT가 지향하는 방향입니다.

 

Q) 미세조류를 인공적으로 배양하신다는 말씀이시죠? 어떤 방식으로 진행하시는 건지?
 미세조류도 식물과 마찬가지로 광합성을 합니다. 빛을 에너지원으로 사용하고, 물과 이산화탄소를 흡수해 성장에 필요한 영양분과 유기물질을 만들어냅니다.
CNSINT의 시스템은 미세조류가 성장하는 데 필요한 빛과 이산화탄소, 배양액을 공급하고 각각의 조건을 지속적으로 관리하는 방식입니다.
배양액으로는 새롭게 생산한 영양액뿐 아니라 스마트팜 등에서 발생하는 폐양액을 재활용하는 방안도 연구하고 있습니다. 버려질 수 있는 이산화탄소와 폐양액을 미세조류의 성장 자원으로 활용하고 결과물로 새로운 바이오소재를 생산하는 순환구조를 만드는 것이죠.

 

Q) 공정에 대해 자세히 설명해주실수 있으실까요?
 크게 보면 균주 확보와 종균 배양, 대량 배양, 수확, 분리‧정제 단계로 나눌 수 있습니다.
먼저 생산하려는 물질과 목적에 맞는 미세조류 균주를 선정합니다. 선정한 균주는 소규모 배양을 통해 충분히 증식시킨 뒤 대형 광배양 장치에 투입합니다.
이후 빛과 이산화탄소, 배양액을 공급하면서 미세조류를 대량으로 키우게 됩니다. 충분히 성장한 미세조류는 원심분리 등의 공정을 거쳐 배양액과 바이오매스로 분리합니다.
분리한 바이오매스는 필요에 따라 동결건조하거나 추가적인 추출 공정을 거칩니다. 여기서 단백질이나 지질, 탄수화물 등 목적에 맞는 물질을 얻을 수 있습니다.
미세조류를 분리하고 남은 배양액도 버리지 않습니다. 배양액에는 미세조류가 생산한 여러 유용 성분이 남아 있어 농업용 작물활성제나 바이오비료로 활용할 수 있습니다.

 

Q) 일반적인 미세조류 배양 방식과 CNSINT의 기술은 어떤 차이가 있나요?
 미세조류를 키우는 전통적인 방법으로는 연못이나 개방형 수조를 활용하는 오픈폰드 방식이 있습니다. 다만 개방형 시설은 외부 오염에 노출되기 쉽고 날씨나 기온 변화에도 많은 영향을 받습니다. 배양 조건을 정밀하게 관리하기 어렵다는 한계도 있습니다.

CNSINT는 외부 환경과 차단된 폐쇄형 광배양 시스템을 사용합니다. 배양액이 장치 안에서 순환하고, 이 과정에서 빛과 이산화탄소, 온도 등 주요 조건을 실시간으로 관리합니다.
또 하나의 특징은 연속 배양입니다. 한 번 배양을 시작하면 일정한 주기로 일부 미세조류를 수확하고, 새로운 배양액을 공급하면서 생산을 이어갈 수 있습니다.

 

Q) CNSINT가 원래 ICT 전문기업이었다고 들었습니다. ICT 기술이 미세조류 배양에 어떻게 적용되나요?
 미세조류는 살아 있는 생물이기 때문에 주변 환경이 조금만 달라져도 성장속도와 생산성이 달라질 수 있습니다. 결국 배양 환경을 얼마나 정밀하게 측정하고 제어하느냐가 중요합니다.
CNSINT는 센서와 자동제어 기술을 활용해 배양액의 상태와 이산화탄소 공급량, 전력과 물 사용량, 미세조류의 성장 상태 등을 종합적으로 모니터링하고 있습니다.
단순히 장비를 설치하고 미세조류를 키우는 데서 끝나는 게 아니라 장비가 실제로 얼마만큼의 이산화탄소를 사용했고 얼마만큼의 바이오매스를 생산했는지를 데이터로 기록하는 것이죠.
현재는 MRV(측정‧보고‧검증) 시스템도 구축하고 있습니다. 미세조류로 줄인 탄소를 탄소감축 실적이나 탄소크레딧으로 인정받으려면 객관적인 데이터가 필요하기 때문입니다.

 

Q) 미세조류를 배양하면 구체적으로 어떤 제품을 만들 수 있나요?
 미세조류 바이오매스에는 단백질과 지질, 탄수화물 등 다양한 성분이 들어 있습니다. 어떤 균주를 선택하고 어떤 조건으로 배양하느냐에 따라 생산할 수 있는 물질도 달라집니다.

단백질은 식물성 단백질의 원료로 활용할 수 있고요. 지질은 바이오디젤이나 지속가능항공유(SAF)와 같은 바이오연료의 원료로 활용할 수 있습니다.
특정 미세조류에는 오메가3나 아스타잔틴(Astaxanthin) 등 고부가가치 물질도 들어 있습니다. 이런 성분은 건강기능식품이나 화장품 분야에 활용할 수 있습니다.
최근에는 미세조류를 기반으로 바이오플라스틱 원료나 생분해성 소재를 생산하는 방안도 연구하고 있습니다. 다만, 모든 미세조류가 동일한 물질을 생산하는 것은 아니기 때문에 원하는 소재에 맞추어 균주와 배양 조건, 추출 공정을 별도로 설계해야 합니다.

 

Q) 농업 분야에서는 미세조류를 어떻게 활용할 수 있나요?
 미세조류 배양액은 농업용 작물활성제나 바이오비료로 활용할 수 있습니다.
해외에서 확인한 사례를 보면 블루베리와 딸기, 토마토, 양배추 등 여러 작물에 미세조류제품을 적용한 사례가 있습니다. 작물의 생산량이 늘어나거나 품질이 개선된 사례도 확인됐습니다.
CNSINT가 구상하는 모델은 스마트팜에서 발생한 폐양액을 미세조류 배양에 다시 활용하고, 배양 후 만들어진 액상 부산물을 농업용 작물활성제로 공급하는 구조입니다.
스마트팜에서 버려지는 폐양액을 미세조류의 영양원으로 활용하고 미세조류 배양 결과물은 다시 농업에 공급하는 것입니다. 이렇게 되면 자원이 한 번 사용되고 폐기되는 것이 아니라 다시 순환하는 농업 시스템을 만들 수 있습니다.

 

Q) 신기합니다. 공장이나 발전소에서 배출되는 이산화탄소 배양에 활용할 수 있나요?
 가능합니다. 화력발전소나 화학공장 등에서 배출되는 가스는 필요한 전처리를 거친 뒤 미세조류 배양에 활용할 수 있습니다. 반도체나 배터리 공장처럼 이산화탄소가 발생하는 사업장 주변에 광배양 시스템을 설치하는 방안도 검토할 수 있습니다.
다만, 실제로 설치하려면 배출가스 안에 어떤 물질이 들어 있는지? 이산화탄소 농도와 발생량은 어느 정도인지? 설치할 공간은 충분한지? 등을 살펴봐야 합니다. 오염물질을 제거하기 위한 전처리 비용도 고려해야 하고요.
그래서 CNSINT는 공기 중에 포함된 저농도 이산화탄소를 포집하는 직접공기포집 기술과 미세조류 배양 시스템을 연결하는 연구도 진행하고 있습니다. 공기 중의 이산화탄소를 포집해 농도를 높이고 미세조류의 광합성 원료로 공급하는 방식입니다.

 

Q) 현재 운영하고 있는 실증설비는 생산능력이 어떻게 되나요?
 CNSINT는 경기도 화성에 30톤의 폐쇄형 미세조류 광배양 실증설비를 운영하고 있습니다.
이곳에는 미세조류를 배양하는 장치뿐 아니라 수확과 분리, 활용까지 이어지는 공정이 함께 구축돼 있습니다.
30톤 실증설비를 연속적으로 운영하면 연간 약 20~30톤의 이산화탄소를 고정할 수 있습니다. 다만 실제 고정량은 사용하는 균주나 배양 농도, 운전시간, 이산화탄소 공급 조건 등에 따라 달라질 수 있습니다.

일반적인 공장이 화학‧물리적 공정으로 바이오매스를 생산한다면 CNSINT는 살아 있는 미세조류의 성장 조건을 제어하면서 생산하는 생물학적 공장이라고 볼 수 있습니다.

Q) 그럼 수출이나 글로벌 생산기지도 운영하고 계신가요?
 CNSINT는 미세조류 광배양 장치와 관련 시스템을 미국과 캐나다, 중국, 멕시코, 말레이시아 등에 공급하고 관련 사업을 추진해 왔습니다.
2019년에는 미국 플로리다 주에 농업용 작물활성제를 생산하기 위한 미세조류 광배양 시스템을 공급한 바 있고 캐나다에는 항공기 운항에서 발생하는 탄소배출량을 고려해 주변에 미세조류 배양시설을 설치하는 프로젝트도 추진하고 있습니다.
이렇게 보면 CNSINT는 국내보다 해외에서 먼저 운영 경험을 쌓고 기술을 검증받았다는 점을 강점으로 볼 수 있을 것 같습니다.

 

Q) 국내 연구기관과도 협력하고 있나요?
 미세조류산업은 하나의 기술만으로 완성하기 어렵습니다. 생물학뿐 아니라 화학공정과 기계설비, 센서, 자동제어 기술이 모두 결합돼야 하죠.
CNSINT는 한국생명공학연구원과 국립해양생물자원관, 한국과학기술연구원 천연물연구소, 한국화학연구원 등과 미세조류 배양과 자원순환, 이산화탄소 포집‧활용과 관련한 협력을 진행하고 있습니다.

앞으로는 연구기관뿐 아니라 바이오플라스틱과 바이오오일, 화장품, 건강기능식품 등을 생산하는 기업과도 협력을 확대할 계획입니다.
CNSINT가 미세조류 기반 원료를 공급하고, 수요기업이 이를 활용해 최종 제품을 만드는 공급망을 구축하는 것이죠.

 

Q) 다른 기업이나 연구기관과 비교했을 때 CNSINT만의 강점은 무엇인가요?
 가장 큰 강점은 생물학적인 배양 기술에 ICT와 엔지니어링 기술을 함께 접목했다는 점입니다.
국내에서도 대학이나 정부출연연구기관을 중심으로 미세조류 연구가 오랫동안 이루어져 왔습니다만 연구실에서 확보한 기술을 실제 상용설비로 확대하려면 여러 문제를 해결해야 합니다.
대형 배양설비를 설계해야 하고 미세조류가 오염되지 않도록 관리해야 합니다. 배양 조건을 자동으로 제어하고 성장한 미세조류를 효율적으로 수확하는 기술도 필요하죠
CNSINT는 미세조류 광배양기를 설계하고 필요한 장비를 제작‧조립해 실제로 운영할 수 있는 역량을 갖추고 있습니다.
즉, 연구실 수준의 기술을 실증설비와 상용설비로 구현할 수 있다는 점이 CNSINT가 가진 차별점입니다.

 

Q) 실제 상용화를 위해 가장 먼저 해결해야 할 과제는 무엇인가요?
 역시 가장 중요한 문제는 경제성입니다.
미세조류를 충분히 배양하더라도 전체 배양액에서 실제 미세조류 바이오매스가 차지하는 비중은 높지 않습니다. 많은 양의 배양액을 처리해야 필요한 바이오매스를 얻을 수 있는 것이죠
이 과정에서 실증설비 투자비와 전력비, 배양액 비용, 수확‧분리 비용이 발생합니다. 미세조류에서 오일이나 단백질을 추출하려면 추가적인 후공정 비용도 들어갑니다.
결국 단위 면적과 단위 시간당 생산량을 높이고 배양액과 수확 공정에 들어가는 비용을 줄여야 합니다.
동시에 바이오매스만 판매하는 것이 아니라 남은 배양액은 작물활성제로 활용하고 미세조류가 흡수한 이산화탄소는 탄소감축 실적으로 연결하는 구조가 필요합니다.
공정에서 발생하는 모든 결과물을 최대한 활용해 수익성을 높이는 것이 CNSINT가 풀어야 할 과제입니다.

 

Q) 미세조류가 옥수수나 사탕수수 같은 기존 바이오원료보다 유리한 점은 무엇인가요?
 가장 큰 장점은 비식량 자원이라는 점입니다.
옥수수나 사탕수수는 식량으로 사용할 수 있는 작물입니다. 농작물을 바이오연료나 화학소재 생산에 사용하면 식량과 에너지 산업이 같은 자원을 놓고 경쟁할 수 있습니다.
반면, 미세조류는 기존 농지를 직접 사용하지 않고도 배양할 수 있습니다. 빛과 물, 이산화탄소, 배양설비가 있다면 산업단지나 유휴부지 등에서도 생산할 수 있습니다.
성장 속도가 빠르고 연속적으로 배양할 수 있다는 점도 장점입니다. 장기적으로는 기존 농작물보다 단위 면적당 생산성이 높을수도 있습니다.
물론 잠재력이 크다고 해서 곧바로 경제성이 확보되는 것은 아닙니다. 생산비용을 줄이고 대량생산 기술을 고도화하는 연구가 함께 이루어져야 하죠.

 

Q) CNSINT가 앞으로 집중하려는 사업은 무엇인가요?
 단기적으로는 광배양 장치의 생산성과 운전 안정성을 높이고 미세조류 배양에 들어가는 비용을 낮추는 데 집중할 계획입니다.
중장기적으로는 미세조류 바이오매스를 바이오플라스틱과 바이오오일, 식물성 단백질, 화장품, 건강기능식품 등 다양한 산업으로 확대하려고 합니다.
탄소저감 분야에서는 MRV 시스템과 제3자 인증을 연결하는 사업도 준비하고 있습니다. 미세조류가 실제로 얼마만큼의 이산화탄소를 흡수했는지 객관적으로 산정하고 자발적 탄소시장과 연결하는 방식입니다.

궁극적으로는 미세조류 광배양 시스템을 단순한 탄소포집 장치에 머물게 하지 않는 것이 목표입니다. 이산화탄소를 새로운 바이오소재로 전환하는 바이오리파이너리 플랫폼으로 발전시키려고 합니다.

 

Q) 마지막으로 미세조류 기술이 지금 우리 사회에 필요한 이유는 무엇인가요?
 최근 많은 글로벌기업과 정부가 탄소중립을 이야기하고 있습니다. 다만 실제로 탄소를 줄였는지 객관적으로 보여줄 수 있어야 합니다.
단순히 친환경이라는 이미지를 강조하는 것이 아니라 이산화탄소가 실제로 얼마나 사용됐고 그 결과 어떤 물질이 생산됐는지를 데이터로 설명할 수 있어야 합니다.
미세조류는 이산화탄소를 생물학적으로 흡수하면서 바이오매스라는 유용한 물질을 만들어냅니다. 탄소를 단순히 땅속에 저장하는 데 그치지 않고 농업과 연료, 소재산업에 다시 활용할 수 있다는 점에서 의미가 있습니다.
다만, 미세조류 산업이 성장하기 위해서는 지속적인 연구개발과 실증, 투자가 필요합니다. 반도체나 배터리산업도 오랜 기간 연구와 투자가 이어진 끝에 지금의 경쟁력을 갖추게 됐습니다.
미세조류 산업도 기술을 가진 중소기업과 연구기관, 대기업이 함께 협력해야 합니다. 정책적인 지원과 민간기업의 관심이 더해진다면 경제성을 확보하는 시점도 그만큼 앞당길 수 있을 것입니다. (최재혁 기자: cjh@chemlocus.com)