| [미국] 재생 연료와 화학 물질을 생성하기 위한 새로운 공정
미국 에너지부 산하 국가 재생 에너지 연구소(NREL; National Renewable Energy Laboratory) 소속의 연구진은 리그닌(lignin)을 다양한 재생 연료, 화학물질 및 지속 가능한 경제를 위한 재료 등으로 성공적으로 전환할 수 있는 기회를 제공하는 개념을 증명했다.
“통합적인 생물학적 통로 및 화학적 촉매를 통한 리그닌 가치 증식(Lignin Valorization Through Integrated Biological Funneling and Chemical Catalysis)”이라는 제목의 논문은 최근 PNAS(Proceedings of the National Academy of Sciences) 저널에 발표됐다. NREL 주도의 연구 프로젝트는 리그닌을 개질하는 데 혁신적인 방법을 조사하고 있다.
바이오매스로부터 글루코오스(glucose)를 에탄올과 같은 연료로 전환하는 공정은 잘 정립되어 있다. 그러나 식물은 식물 세포벽의 약 30%까지 상당한 양의 리그닌을 함유하고 있다. 리그닌은 식물이 세포벽을 강화하기 위하여 사용하는 여러 종류로 이루어진 방향성 고분자(aromatic polymer)이다. 그러나 일반적으로 리그닌은 탄수화물을 비용 효과적으로 얻는데 걸림돌이 되는 것으로 생각되고 있다. 또 리그닌은 유용한 연료 또는 화학물질로 분해 및 개질이 어렵기 때문에, 여분의 리그닌은 열을 얻는 공정에 채용되기 위하여 종종 연소된다.
셀룰로오스성 바이오매스를 액체 수송 연료로 전환시키는 바이오리파이너리는 전형적으로 운영하기 위하여 동력을 공급하는데 요구되는 것보다 더 많은 리그닌을 생성시킨다고 이 논문의 공동 저자이며 NREL 선임 공학자인 Gregg Beckham은 밝혔다. 폐기되는 리그닌을 보다 더 다양하고 가치 있는 제품으로 전환시키는 새로운 접근을 통합하는 전략이 필수적으로 요구된다고 Beckham은 지적했다.
비록 리그닌 해중합(lignin depolymerization)이 거의 1 세기 동안 연구되어왔다고 하더라도, 리그닌 해중합을 위한 비용 효과적인 개질 공정의 개발은 제한되어 왔다.
자연에서, 일부 미생물은 리그닌의 이질성(heterogeneity)을 어떻게 극복하는지 알고 있다. 식물 곰팡이와 일부 박테리아는 식물 세포벽에서 이종의 방향성 분자 혼합물을 생성시키는 리그닌을 분해하기 위한 강력한 효소 또는 화학적 산화제를 분비할 수 있다. 거대한 방향성 물질 모음이 자연에 존재하기 때문에, 일부 박테리아는 방향성 분자를 흡수하여 탄소와 에너지 공급원으로 이용하는 통로(funneling)로서의 경로를 발달시킨다.
이러한 새로운 연구는 리그닌을 이용하는 유기체를 위하여 개발된 생물학적 전환 공정이 리그닌의 이종성을 극복하는 새로운 경로가 될 수 있다고 제안했다. 그리고 리그노셀룰로오스성 바이오매스에서 유래한 분자를 보다 더 폭넓게 공격할 수 있을 것이다.
연구진이 증명한 개념적 접근은 수많은 유형의 바이오매스 원료에 적용될 수 있으며, 다른 중간물질을 생성하기 위한 생물학적 경로를 공학적으로 제어하고, 리그닌으로부터 유래한 보다 더 폭넓은 범위의 귀중한 분자를 개발하기 위하여 생물학적으로 유도한 물질을 촉매를 적용하여 개질하는 등 리그닌을 분해하기 위한 다른 전략과 결합될 수 있다고 Beckham은 밝혔다. 이러한 개념 입증은 다양한 산업 응용에 매우 유망하다. 이러한 연구 결과가 매우 흥미로운 한편, 이러한 공정을 경제적으로 실용성을 갖추기 위하여 상당한 기술 개발이 남아 있다고 Beckham은 지적했다.
리그닌은 에너지 밀도가 높은 페닐프로파노이드 단량체(phenylpropanoid monomer)로 이루어진 이종 고분자이다. 페닐프로파노이드 단량체는 식물 구조, 물의 수송 및 방어 기제 등에 사용되고, 셀룰로오스 다음으로 지구상에서 두 번째로 풍부한 생체고분자(biopolymer)이다.
바이오매스에서 연료와 화학물질의 생산에서, 리그닌은 원료로 충분하게 이용되지 못하고, 연소된다. 그 이유는 리그닌 고유의 이질성과 저항성(recalcitrance)이 선택적인 가치 증식을 어렵게 만들기 때문이다.
그러나 자연에서, 일부 유기체는 탄소 공급원으로서 리그닌에서 유래한 방향성 분자의 이용을 가능하게 하는 대사 경로를 포함하고 있다. 방향성 이화 작용(aromatic catabolism)은 이질성 기질을 프로토카테쿠(protocatechuate) 또는 카테콜(catechol)과 같은 중심 중간물질로 전환하는 생물학적 통로(biological funnel)로 작용하는 상위 경로를 통하여 일어난다. 이러한 중간물질은 고리 분열을 겪고, 추가로 β-ketoadipate 경로를 거쳐 중심 탄소 물질 대사로 전환된다.
이 연구에서, 연구진은 자연적인 방향성 대사 작용을 수행하는 미생물인 슈도모나스 푸티다(Pseudomonas putida KT2440)를 이용하여 이러한 방향성 대사 작용 경로가 방향성 모델 화합물과 시범 규모의 바이오매스 전처리에서 유래한 이질성의 리그닌이 풍부한 물질을 mcl-PHAs(medium chain-length polyhydroxyalkanoates)로 전환시키는 데 이용될 수 있다는 것을 증명했다. 이후 mcl-PHAs는 세포에서 분리되어, 바이오플라스틱으로 응용할 수 있는 상용 탄수화물에서 유래한 mcl-PHAs의 물리 화학적 특성과 유사하다는 것을 증명했다.
이 연구에 대하여 특허 응용이 출원됐으며, NREL의 기술 이전 사무소(Technology Transfer Office)는 기술의 가능한 면허 취득을 규명하기 위하여 연구진과 협력할 계획이다.
부가적으로 NREL 연구진은 사이언스 잡지에 발표된 리그닌 가치 증식에 대한 최근 검토에 참여했다. 관련 논문의 제목은 “리그닌 가치 증식 : 바이오리파이너리에서 리그닌 공정의 개선(Lignin Valorization: Improving Lignin Processing in the Biorefinery)”이다. 이러한 검토는 저비용 탄소 섬유, 공학적으로 제어된 플라스틱, 열가소성 엘라스토머, 고분자 폼과 막 및 석유로부터 현재 공급되는 다양한 연료와 화학물질 등을 포함한 리그닌에서 얻을 수 있는 고부가가치 제품의 제조에 대한 가능성을 조명했다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 8월 26일]
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New process helps overcome obstacles to produce renewable fuels and chemicals
There’s an old saying in the biofuels industry: “You can make anything from lignin except money.” But now, a new study may pave the way to challenging that adage. The study from the Energy Department’s National Renewable Energy Laboratory (NREL) demonstrates a concept that provides opportunities for the successful conversion of lignin into a variety of renewable fuels, chemicals, and materials for a sustainable energy economy.
“Lignin Valorization Through Integrated Biological Funneling and Chemical Catalysis” was recently published in the Proceedings of the National Academy of Sciences. The NREL-led research project explores an innovative method for upgrading lignin.
The process for converting glucose from biomass into fuels such as ethanol has been well established. However, plants also contain a significant amount of lignin – up to 30 percent of their cell walls. Lignin is a heterogeneous aromatic polymer that plants use to strengthen cell walls, but it is typically considered a hindrance to cost-effectively obtaining carbohydrates, and residual lignin is often burned for process heat because it is difficult to depolymerize and upgrade into useful fuels or chemicals.
“Biorefineries that convert cellulosic biomass into liquid transportation fuels typically generate more lignin than necessary to power the operation,” NREL Senior Engineer and a co-author of the study Gregg Beckham said. “Strategies that incorporate new approaches to transform the leftover lignin to more diverse and valuable products are desperately needed.”
Although lignin depolymerization has been studied for nearly a century, the development of cost-effective upgrading processes for lignin valorization has been limited. In nature, some microorganisms have figured out how to overcome the heterogeneity of lignin. “Rot” fungi and some bacteria are able to secrete powerful enzymes or chemical oxidants to break down lignin in plant cell walls, which produces a heterogeneous mixture of aromatic molecules.
Given this large pool of aromatics present in nature, some bacteria have developed “funneling” pathways to uptake the resulting aromatic molecules and use them as a carbon and energy source. This new study shows that developing biological conversion processes for one such lignin-utilizing organism may enable new routes to overcome the heterogeneity of lignin. And, that may enable a broader slate of molecules derived from lignocellulosic biomass. “The conceptual approach we demonstrate can be applied to many different types of biomass feedstocks and combined with many different strategies for breaking down lignin, engineering the biological pathways to produce different intermediates, and catalytically upgrading the biologically-derived product to develop a larger range of valuable molecules derived from lignin,” Beckham said.
“It holds promise for a wide variety of industrial applications. While this is very exciting, certainly there remains a significant amount of technology development to make this process economically viable.” A patent application has been filed on this research and NREL’s Technology Transfer Office will be working with researchers to identify potential licensees of the technology. In addition, researchers from NREL participated in a recent review on lignin valorization published in Science Magazine ("Lignin Valorization: Improving Lignin Processing in the Biorefinery").
This review highlighted the broad potential for manufacturing value-added products from lignin, including low-cost carbon fiber, engineering plastics and thermoplastic elastomers, polymeric foams and membranes, and a variety of fuels and chemicals all currently sourced from petroleum.
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