녹조 저감을 통한 바이오연료 생산 기술 동향_89

녹조 저감을 통한

바이오연료 생산 기술 동향

한국생명공학연구원 | 안치용 박사

Ⅰ. 개 요 ··········································································· 91

1. 미세조류와 녹조 ························································ 91

2. 미세조류를 이용한 바이오디젤 생산기술 ··············· 91

3. 미세조류 배양공법 기술 ·········································· 92

Ⅱ. 동향 분석 ··································································· 93

1. 국내 동향 ··································································· 93

2. 해외 동향 ··································································· 96

Ⅲ. 향후 전망 ··································································· 98

<참고문헌> ········································································· 98

녹조 저감을 통한 바이오연료 생산 기술 동향_91

녹조 저감을 통한 바이오연료 생산 기술 동향

한국생명공학연구원 | 안치용 박사

Green Technology Trend Report

Ⅰ. 개 요

1. 미세조류와 녹조

조류(Algae)는 엽록소-a(Chlorophyll-a)를 함유하여 식물과 동일한 형태의 광합성 작용을

하지만, 뿌리, 잎, 줄기 등의 분화가 명확히 일어나지 않고, 사물질의 이동통로로 이용되는

물관, 체관 등의 유관속 구조(Vascular bundle)를 갖지 않는 생물체를 통칭한다.

조류를 크기로 분류할 경우, 단세포로 이루어져 현미경으로 형태를 관찰할 수 있는 미세조류

(Microalgae)와 다세포로 이루어져 육안으로 식별이 가능한 거 조류(Macroalgae)로 나눌 수

있으며, 미세조류는 식물플랑크톤(Phytoplankton)이라고도 불린다. 미세조류는 다른 분류군에

속하는 생명체에 비해 형태나 분류가 매우 다양하고 복잡하기 때문에 간단하게 일반화하기가 쉽지

않다.

또한, 계통발생학적 기준에 따라 조류를 분류할 경우, 핵막이 없는 원핵생물(Prokaryote)에

해당하는 남조류(Blue-green algae, cyanobacteria)와 핵막이 있는 진핵생물(Eukaryote)에

속하는 조류로 구분된다. 남조류는 부영양화된 호수와 하천에 녹조를 발생시켜 다양한 환경문제를

야기하고 있다. 남조류가 가진 독소로 인해 식수원의 안전성이 위협받고, 녹조가 사멸(死滅)

하면서 산소를 고갈시켜 다른 수생생물들의 폐사를 유발하는 등 다양한 문제를 일으킨다. 따라서

녹조를 제어, 제거하는 데 각국은 많은 처리와 관리비용을 지출하고 있는 상황이다.

2. 미세조류를 이용한 바이오디젤 생산기술

미세조류가 생산하는 지질(Lipid)을 추출하여 바이오디젤로 전환하면 수송용 바이오연료로

사용할 수 있기 때문에 최근 미세조류가 바이오매스 자원으로 각광받고 있다. 특히, <표 1>을

보면 미세조류가 다른 식물체에 비해서 단위면적당 생산성이 월등히 높은 것으로 조사되었다.

92_녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

<표 1> 바이오디젤에 대한 다양한 원료의 비교

Crop Oil yield

(L/ha)

Land area

needed (Mha)aPercent of existing

US cropping areaa

Corn 172 1,540 846

Soybean 446 594 326

Canola 1,190 223 122

Jatropha 1,892 140 77

Coconut 2,689 99 54

Oil palm 5,950 45 24

Microalgaeb 136,900 2 1.1

Microalgaec 58,700 4.5 2.5a For meeting 50% of all transport fuel needs of the United States.b 70% oil (by wt) in biomass.c 30% oil (by wt) in biomass.

자료 : Chisti, Y., “Biodiesel from microalgae”, Biotechnology Advances, Vol.25, pp.294-306, 2007

그러나 미세조류를 이용한 바이오디젤 생산비용은 석유 기반 디젤 생산비용보다 약 5~10배 정도

더 소요되기 때문에 상용화가 늦어지고 있는 실정이다. 미세조류를 이용한 바이오디젤의 생산

비용을 줄이기 위해서 폐수처리 공정과 연계시키는 방법이 일반적인 해결책으로 여겨지고 있다.

폐수처리장의 처리 상인 질소와 인을 미세조류 배양에 이용하고 부산물로 미세조류를 얻는

방법은 배양 자체에 비용이 거의 들지 않는 가장 경제적인 방법이다. 그러나 폐수의 성상(性狀)이

항상 일정하지 않고, 옥외배양의 특성상 안정적인 배양을 유지하기 어렵다. 성상의 변화에 의해

우점종(Dominant species, 優占種)이 변화할 수도 있고, 동물플랑크톤의 섭식작용으로 미세조류

농도가 급격히 감소할 수도 있다. 이러한 어려움을 극복하기 위한 연구가 세계적으로 활발히

이루어지고 있다.

3. 미세조류 배양공법 기술

미세조류 생산 효율을 높이기 위한 방법으로 부착성 미세조류 배양 방법이 있다. 부착성 미

세조류는 특정 매질(Matrix)에 부착해서 자라며, 규조류와 사상형(Filamentous, 絲狀形)의 녹조류

에 많이 분포한다. 규조류는 가을부터 봄까지 수온이 낮은 계절에 우점(優占)하는 특성이 있어서

다른 미세조류에 비해 1년 내내 배양 및 수확이 가능하다. 또한 부착성 미세조류는 부유성 미세

조류에 비해 수확이 용이하다는 점도 경제성 면에서 매우 유리하다. 녹조를 발생시키는 남조류는

작은 크기와 부유성으로 인해 수확이 어렵다. 이에 비해 부착성 미세조류는 매질을 물에서 밖

으로 꺼내어 부착된 미세조류만 떼어내면 되므로 수확률이 높다. 또한 부착성 미세조류는 비독성

이므로 부착성 미세조류가 자란 만큼 독성 남조류가 자랄 가능성을 낮추어 녹조 발생 억제 효과

도 얻을 수 있다.

또한 남조류는 지질함량이 평균 9.8%로 낮아 바이오디젤 전환에 불리하지만, 규조류 중에는

지질함량이 높은 종(種)이 많으며, 평균 22.7~37.8% 정도로 높은 편에 속한다5). 따라서 부착성

미세조류 배양은 미세조류 바이오매스의 회수뿐만 아니라 활용 측면에서도 유용하다. 아직까지

녹조 저감을 통한 바이오연료 생산 기술 동향_93

녹조 제어와 연계하여 부착성 미세조류를 배양, 수확한 연구는 없었으나, 폐수처리와 연계하여

부착성 미세조류를 배양한 연구는 여러 건이 있었으며, <표 2>와 같이 기존의 부유성 미세조류에

비해 생산성이 높게 나타났다.

<표 2> 미세조류 배양방법에 따른 특성의 비교

Design Culture density

(g/L)Gas exchange Scalability Culture control

Raceway pond 0.25 ~ 1.00 Low High Low

Tubular reactor 1.5 ~ 1.7 Very low Medium High

Biofilm system 70 High High Low

자료: Christenson, L. and R. Sims. “Production and harvesting of microalgae for wastewater treatment, biofuels, and bioproducts”, Biotechnology Advances, Vol.29, pp.686–702, 2011

Ⅱ. 동향 분석

1. 국내 동향

가. 주요 미세조류 바이오연료 생산 연구

국내 바이오연료용 미세조류 량생산 연구의 시발점은 2002년 한국생명공학연구원에서 21

세기프런티어 연구개발사업의 일환으로 수행하였던 ‘이산화탄소 저감 및 처리기술개발사업’이다.

이후 <표 3>과 같이 여러 부처에서 유사한 연구 사업을 시작하였으며, 한국생명공학연구원,

한국해양연구원, 한국에너지기술연구원, 인하 학교 등이 미세조류 배양 및 바이오디젤 전환

분야에서 선도적 위치에 있다고 할 수 있다.

국내 바이오에너지 사용량은 국내 재생가능 에너지 사용량의 약 3.7%를 차지하였으며, 지속

적으로 증가할 전망이다. 국내에서는 바이오연료 중 바이오디젤이 가장 주목받아 2002년부터

168개 지정 주요소에서 시범적으로 공급하였으며, BD5는 2006년 7월부터 일반 주유소에 보급

되었다. 국내 바이오디젤 생산업체들은 주로 두 및 유채로부터 바이오디젤을 생산하고 있으나

부분의 원료를 동남아시아 등 해외에서 수입하고 있는 실정이다. 기존의 바이오디젤 생산

기업은 부분 중소기업이었으나, 2007년 SK케미칼, 애경유화 등 기업이 생산업체 허가를

획득하였다.

94_녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

<표 3> 국내의 주요 미세조류 바이오연료 생산 연구과제

부처명 사업명 과제명예산 (억원)

교육과학기술부21세기프론티어 연구개발사업

미세조류 개량에 의한 이산화탄소 대량고정 및 바이오디젤 생산 실증화

3.45

교육과학기술부21세기프론티어 연구개발사업

이산화탄소저감을 위한 고효율 미세조류 배양공정 3

교육과학기술부 일반연구자지원조류(Algae)배양을 통한 바이오디젤 원료유 생산 및 고속 고정화된 Whole cell과 Lipase가 경사 담지된 생물반응 시스템을 이용한 바이오디젤 연속 생산

0.25

국토해양부미래해양기술

개발사업해양미세조류의 대량배양과 바이오디젤 생산공정 개발 1.55

국토해양부미래해양기술

개발사업해산스피룰리나(Spirulina maxima)의 생산기술개발 및 고부가가치 사업

2.08

국토해양부해양생명공학

기술개발해양바이오에너지 생산기술개발 16.75

중소기업청산학연공동기술개발

LED를 이용한 고효율 미세조류용 광배양조 개발 0.23

지식경제부신재생에너지

기술개발미세조류에 의한 바이오디젤 원료 양산 기술 연구 개발 5

지식경제부에너지자원인력양성

효율적인 생물학적 이산화탄소 저감공정에 필요한 미세조류 선발 및 개량

0.28

지식경제부전력산업원천

기술개발발전소 환경개선을 위한 미세조류 탄소고정화(MBCF)기술 개발

2.4

지식경제부신재생에너지

인력양성새로운 해수 미세조류의 대량배양 공정개발을 통한 경제적인 바이오디젤 생산기술 개발

0.73

지식경제부한국에너지기술

연구원조류이용 바이오연료 생산요소 기술개발 15

자료 : 국가과학기술지식정보서비스, “http://www.ntis.go.kr”, 접속일자 2012. 12. 12.

나. 녹조와 미세조류의 활용 현황

2012년 4 강에서 발생한 녹조로 인해 식수의 안전성에 한 우려가 두됨에 따라 녹조의

심각성을 인식하게 되었다. 녹조 발생을 억제하기 위해서 근본적으로 영양염류(Nutrient,

營養鹽類)의 유입을 차단하면 되지만, 부영양화를 억제할 수 있을 정도로 하폐수 처리시설이

충분하지 않은 실정이다. 또한, 농경지 등의 비점오염원(Non-point pollution source, 非點

汚染源)을 통한 영양염류 유입은 제어가 어려워 장기적인 책을 세우는 것에 그치고 있는

상황이다. 단기적으로는 부영양 상태에서 녹조 발생을 억제하거나 녹조를 효과적으로 제거하는

다양한 방법들이 시도되었으나, 범용의 녹조 제어 기술이 개발되지 않고 있다. 다만 수계의

특성과 예산 등에 따라 적절한 방법을 혼용하여 적용함으로써 피해를 경감시키는 수준에서

만족해 온 것이 사실이다.

녹조 저감을 통한 바이오연료 생산 기술 동향_95

그러나 녹조를 발생시키는 미세조류는 바이오디젤 등의 바이오에너지원으로서 매우 각광받고

있는 자원이다. 미세조류를 이용한 바이오디젤의 생산 단가는 석유 기반 연료의 생산 단가에

비해 높기 때문에 경제성을 맞추기 위하여 폐수를 이용한 배양이 현재까지는 최선의 안으로

인식되어 왔다. 또 다른 안은 발생한 녹조를 효과적으로 수확하거나 녹조 발생을 억제하면서

정해진 범위 내에서 인위적으로 미세조류를 배양한다면 바이오매스를 활용함과 동시에 배양된

미세조류만큼 녹조의 발생을 억제시키는 일거양득의 효과를 얻을 것으로 기 된다. 발생한

녹조를 제거하기 위한 수확기술은 이미 개발되었으나, 조류수확 효율이 높지 않고 녹조 발생

시기에만 활용이 가능하다는 점 때문에 적용 범위가 지극히 제한적이라는 한계가 있다. 반면

인위적인 조류 배양을 통한 정기적 수확은 적용시기를 확 시킬 수 있으며, 영양염류의 제거

효과도 높일 수 있다는 장점이 있다. 그러나 녹조 바이오매스의 활용 기술은 아직 초기 단계

이며, 생태계에 미치는 영향에 한 우려가 제기되어 쉽게 접근하지 못하고 있다. 국내의 경우,

녹조 바이오매스 활용 기술은 녹조 문제 해결과 친환경 바이오연료 생산이라는 두 마리 토끼를

잡을 수 있는 매력적인 연구주제이다.

다. 녹조 제거/회수기술 개발 현황

국내에서는 황토 등을 살포하는 방법으로 미세조류를 침강시켜 시야에서 사라지게 하는 단기적

제거 방법만이 주로 사용되었다. 그러나 해수의 적조에 비해 침강 효과가 약하다는 단점이 있다.

2012년 2월 10일 환경부 주최로 조류저감기술을 보유한 국내기업체들의 발표회가 있었는데,

초음파, 가압부상기술, 교반, 순환장치 등 물리적인 방법으로 제거하는 기술이 절반 정도였으며,

나머지는 화학약품 처리, 천적생물 이용, 미생물 제제 등이었다. 부분의 국내업체들이 보유한

기술에는 녹조 바이오매스를 회수하여 활용한다는 개념이 없었으며, 녹조라는 현상 자체의

억제와 신속한 제거에 역점을 두었다. 그러나 녹조가 발생하는 수역은 매우 넓고 깊으며 유동

적이기 때문에 제거 효과가 소규모 연못 실험결과만큼 크지 않다.

녹조를 가장 효과적으로 억제하는 수단은 영양염류의 유입을 원천적으로 차단하는 것이나, 비점

오염원 관리가 쉽지 않기 때문에 녹조 문제를 근본적으로 해결하기 어렵다. 특히 주요 상수

원들이 위치한 상류 지역은 농촌지역으로 농경지에 살포되는 비료와 축산단지에서 배출되는

분뇨 등이 강우에 의해 유입되어 부영양화를 촉진하게 된다.

녹조 바이오매스를 회수하여 이용하고자 하는 노력은 꾸준히 있었으나, 크기가 10㎛ 이하인

미세조류를 효과적으로 회수하기가 매우 어렵다. 수자원공사에서도 조류제거용 선박을 개발

하여 청호에서 운영하였으나, 하루 처리 용량이 실제 필요로 하는 용량에 비해 적어서 실용

성이 낮은 것으로 판명되었다. 처리용량을 증 시키거나 조류제거선을 늘리는 방법이 있으나,

일 년에 약 한두 달 남짓 사용하기 위해 고가 시설을 증설하는 것은 무리이다. 또한 녹조를

발생시키는 주요 미세조류는 남조류인데, 바이오디젤 생산에 활용하기에는 지질함량이 다른

미세조류에 비해 낮은 편이어서 이러한 이용도 적당치 않은 것으로 알려져 있다.

96_녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

2. 해외 동향

전세계적으로 조류를 배양하여 바이오연료를 생산하는 연구는 크게 (1) 해양에서 미세조류 또는

거 조류(Macroalgae)를 생산하는 연구, (2) 태양빛이 풍부하고 토지가 넓은 열 및 아열

지방의 사막 등지에서 미세조류를 량 생산하는 연구, (3) 하·폐수처리장에서 미세조류를 량생산

하고자 하는 연구들이 진행되고 있다. 이 중에서 전자의 두 연구는 조류 성장의 필수조건인 광활한

토지(바다) 면적과 풍부한 일조량을 필요로 한다는 점에서 우리나라에서 추진하기 어려운 연구

과제로 평가된다. 하·폐수처리장에서 미세조류 량생산 연구 역시 넓은 토지 면적과 풍부한 일조

량을 필요로 한다는 점에서 어려움이 있다. 그러나 하·폐수처리장에서 미세조류 량생산 연구는

하·폐수 중에 포함된 영양염류를 원료로 사용해서 미세조류를 량생산하면서 처리장 방류수의

높은 질소와 인 농도를 낮출 수 있기 때문에 최근 여러 국가에서 추진하고 있다. 따라서 이 방안은

국내의 제반 현실 조건을 감안할 때 가장 실현성이 높은 미세조류 활용 안이다.

<그림 1>에 따르면 미세조류를 이용한 바이오연료 생산 연구는 2000년 후반부터 급속히 증

가하였다. 중국 칭화 학교의 Wu 교수가 2006년 Bioresource Technology에 게재한 “Biodiesel

production from heterotrophic microalgal oil”이 가장 많이 인용된 것으로 나타났다. 이 논문

에서 연구한 미세조류 배양 기술은 광합성을 이용한 일반적인 미세조류 배양방식이 아닌, 고가의

유기탄소원을 추가로 공급한 비광합성 종속영양(Heterotrophic, 從屬營養) 배양 방식이므로 향후

생산비용 절감이 어렵다는 단점이 있다.

자료: SCOPUS 검색결과 “http://www.scopus.com”, 검색키워드 {(microalga* or alga*) and (bioenergy or biofuel

or biodiesel)}

<그림 1> 미세조류 바이오디젤 관련 논문 증가 현황

녹조 저감을 통한 바이오연료 생산 기술 동향_97

미국의 Greenfuel Technologies는 발전소의 배연가스(Flue gas)를 회수한 후 농축하여 비닐로

제작된 미세조류 배양기에 공급함으로써 바이오연료 생산에 이용하고 있다. 미국의 Green Star

Products(GSPI)는 이산화탄소 저감을 목표로 100 에이커 규모의 복합 조류 생산 시스템(Hybrid

Algal Production System, HAPS)을 설치하여 발전소의 배연가스를 처리하고 바이오디젤 생산을

추진하고 있다. 2009년 7월 엑슨모빌(Exxon Mobil)은 신테틱 제노믹스(Synthetic Genomics,

SGI)의 Craig Venter 박사와 미세조류를 이용한 바이오연료 생산기술을 연구하고 있으며, 5년간

6억 달러를 투자할 계획이다4). 뉴질랜드의 국립환경연구소(National Institute of Water &

Atmospheric Research, NIWA)는 크라이스트처치에 5 헥타르 규모의 수로지(Raceway pond,

水路池)를 조성하고 하수처리장의 배출수를 이용하여 바이오디젤 생산용 미세조류를 배양하고 있다.

이처럼 미세조류 배양은 온실가스 저감을 목표로 폐수처리 공정과 연계하여 경제성을 높이기 위한

노력이 계속되고 있다. 세계적으로 표적인 관련 연구기관과 업체를 <표 4>에 정리하였다.

<표 4> 국외 주요 미세조류 바이오연료 생산 연구기관 및 기업체

연구수행 기관 연구개발 내용 연구개발성과의 활용현황

미국 DOE바이오연료 생산용 미세조류 탐색 및 유전자 조작 남세균 확보

미세조류 3,000여 종 확보 및 미세조류 생리, 대사, 유전자 조작 기술 확보

프랑스 PCC 무균 남세균 600여 종 확보무균 남세균을 전 세계의 연구자에게 공급하고 있으며, 남세균 연구의 기초 원료를 제공하고 있음

University of California, San

Diego

Molecular genetics of cyanobacteria

바이오에너지 생산에 적합한 형질전환 균주 개발

Arizona State University

Self-destructing biofuel, cyanobacteria

미세조류 액상연료 전환기술 개발미세조류로 바이오에너지 대량생산 Pilot system 구축

USDA 해수미세조류의 동정 해수미세조류의 지질생산 분석

PetroAlgae미세조류를 이용한 바이오디젤 생산

효율적인 바이오디젤 플라스틱 원료 생산

OriginOil Algae에서 Oil 생산효율적인 Algae culture와 Oil extraction 기슬개발

Shell and HRbiopetrolum

Algae에서 Oil 생산 -

Exxon Mobil / Synthetic Genomics

인공합성 Algae에서 Oil 생산 2009년에 5-6년 연구과제로 시작

자료: 자체 조사 자료

98_녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

Ⅲ. 향후 전망

녹조 발생 수역에서 부착성 미세조류를 배양하여 녹조 발생을 억제하고 배양된 부착성 미세조류

를 수확하여 바이오연료로 활용함으로써 한 번에 두 가지 효과를 동시에 거둘 수 있을 것으로

기 된다. 여름철뿐만 아니라, 수온이 낮은 계절에도 규조류로 표되는 저온성 부착조류를 연중

배양하여 부영양화의 주요 원인인 질소와 인을 지속적으로 제거할 수 있다. 이는 여름철에 한정

된 기존의 녹조 제어 책을 극복하는 안이 될 수 있다. 부착성 조류의 생장에 의해 부유성

의 남조류 생성이 억제되어 수자원의 독소 위험성을 낮추고, 투명도를 높이는 부수적인 효과도

얻을 수 있다. 또한 부착성 미세조류는 남조류에 비해 지질 함량이 높아 바이오디젤로의 전환율도

높다. 이는 결과적으로 주요 호수에서의 녹조 발생을 효율적으로 제어함과 동시에 바이오연료를

생산하는 기지로의 전환을 기 할 수 있다.

<참고문헌>

1. 국가과학기술지식정보서비스. “http://www.ntis.go.kr”, 2012.12.12.

2. Chisti, Y. “Biodiesel from microalgae”, Biotechnology Advances, Vol.25, pp.294-306, 2007

3. Christenson, L. and R. Sims. “Production and harvesting of microalgae for wastewater

treatment, biofuels, and bioproducts”, Biotechnology Advances, Vol.29, pp.686–702, 2011

4. Forbes, “http://www.forbes.com/sites/christopherhelman/2012/06/24/ milking-oil-from-

algae-craig-venter-makes-progress-in-exxon-backed-venture/”

5. Hu, Q., M. Sommerfeld, E. Jarvis, M. Ghirardi, M. Posewitz, M. Seibert and A. Darzins.

“Microalgal triacylglycerols as feedstocks for biofuel production: perspectives and advances”,

The Plant Journal, Vol.54, pp.621–639, 2008