난공불락 'C1 가스 전환'···"노벨상 받을 연구" 

C1 가스 리파이너리 사업단. 생물-화학 융·복합 '메탄' 직접전환 연구로 산업경쟁력 ↑
"바이오효소촉매 'MMO' 구조 밝혀 원천기술 확보하고 일자리창출 기여할 것"
# 산업계 그룹. 석유화학회사에 종사하는 회사원 B씨. 갈수록 떨어지는 석유화학제품 중국 수출량에 자못 석유화학산업의 위기감을 느낀다.

# 소비자 그룹. 오르락내리락하는 석유가격에 민감한 운전자 A씨. 당장은 저유가가 유지되고 있지만 또 언제 요동칠지 모르는 유가에 신경이 쓰인다. 

# 연구대응 그룹. 가스정제 기술 개발을 연구하는 연구원 C씨. 메탄 전환 연구에 실마리를 준 생물학적 연구방식이 흥미롭게 다가온다.  
   


셰일가스 개발 붐에 이어 최근 생물-화학 융·복합연구를 통해 메탄(CH4)을 활용할 수 있는 실마리가 풀림에 따라 석유화학산업에서 가스화학산업 시대로의 전환이 급물살을 타고 있다.

C1 가스는 셰일가스를 비롯해 메탄(CH4), 일산화탄소(CO)처럼 탄소의 개수가 1개인 가스를 지칭하며 그 중 메탄은 저렴하고 세계에서 가장 많은 매장량을 자랑하는 에너지원 중의 하나로서 셰일가스, 천연가스의 주성분으로 70~90%를 차지하지만 현재 단순 열원으로만 사용되고 있다.

지난 4월 27일 열린 'C1 가스 리파이너리(refinery·정제) 산업의 현재와 미래 심포지엄' 기조연설자로 참석한 이진원 C1 가스 리파이너리 사업단 단장은 "메탄 활성화 촉매 구조를 밝혀 원천기술을 확보하면 포스트 석유 시장을 선점할 수 있을 것"이라고 장밋빛 전망을 예고했다.

◆ "메탄 활성화 촉매구조 밝혀 '포스트 석유시장' 선점한다"

이진원 단장이 C1가스의 현재와 미래에 대해 설명하고 있다.<사진=허경륜 기자>이진원 단장이 C1가스의 현재와 미래에 대해 설명하고 있다.<사진=허경륜 기자>

"아직까지 효율적인 메탄 활용 기술을 가지고 있는 나라는 없습니다. 메탄 활용기술을 선점하게 되면 어느 나라의 연구소 또는 기업이든 세계적인 선도 기술 강자가 될 수 있는 상황입니다."

메탄에서 가용 화합물로 전환하는 성공율은 25년동안 5%밖에 늘지 않을 정도로 C1 가스 전환기술은 여전히 세계 과학 산업계의 난제로 남아 있다.

또한 메탄이 미래산업을 책임질 에너지원으로 부상하며, 메탄을 전환해 석유를 대체할 미래자원으로 만드는 C1 가스 리파이너리 기술연구는 전 세계적으로 뜨거운 관심을 받으며 활발히 이뤄지고 있다. 

우리나라에서는 지난 2015년 생물공학·화학공학 융·복합 연구를 통한 원천기술 개발로 미래자원을 책임질 'C1 가스 리파이너리 사업단'이 출범했다. 미래창조과학부가 9년간 1415억원을 투자해 메탄을 활용가능 화합물로 바꾸는 바이오촉매·화학촉매·공정기술 개발을 위한 연구를 추진하고 있다.

이 단장은 "기초화학원료를 저렴하게 얻으면 전체적인 산업 경쟁력이 올라가며 석유를 원료로 사용하는 나라는 가스를 사용해 산업화하는 나라에 경쟁이 되지 않는다"라고 단언했다.

또한 "이는 일시적인 현상이 아니라, 과거 가격경쟁력·기술경쟁력의 우위를 통해 석탄시대에서 석유시대로 옮겨왔듯, 이제는 석유시대에서 가스시대로 패러다임 변화가 일어나고 있는 실정이다"라고 정의했다.

◆ 국내 석유화학시장규모 전체 GDP 15%...미국·중국·유럽 등 가스화학산업에 파격 투자

사업단에 따르면 미국에서는 2014년부터 3년동안 생물학적 방식을 통한 메탄의 액체 연료 전환 연구를 진행하는 REMOTE 프로그램을 통해 3500만 달러를 투자하고 있으며 북미에서는 메탄을 집중적으로 가용 화합물로 전환시키는 '에탄크래커'를 증설하고 있다. 

미국화학협회(American Chemistry Council) 자료에 따르면 관련 산업 투자를 통해 2023년까지 350조원의 신규 매출과 42만명의 일자리 창출을 예상하고 있다.

유럽에서는 천연가스로부터 액체연료를 생산하는 촉매·공정개발을 위해 2009년부터 4년간 1250만 유로를 지원하는 등 다양한 연구개발 프로그램이 운용 중에 있고, 중국의 경우 현재 사용하고 있는 석탄 비중이 70%이상인데, 그 양은 지속적으로 줄고 가스량은 늘고 있다.

국내 석유화학 관련산업의 시장규모는 240조원에 육박한다. 작년 우리나라 GDP은 약 1600조원으로, 석유화학 시장규모는 전체의 15%에 달한다. 이렇게 엄청난 시장규모를 대체할 가스화학산업 시대의 도래는 시급히 대비하지 않으면 미래 경제성장을 기대하기 어렵다는 우려가 크다.

이 단장은 "사업단에서는 생물전환 기술과 화학전환 기술을 동시에 개발하고 있기 때문에 해외에 비해 상대적으로 지원규모가 크다고는 할 수 없지만 해외 선도기술 이상 수준까지의 목표로 국내의 최고의 역량있는 연구자들이 연구개발에 매진하고 있다"고 설명했다.

◆ 메탄도 꿰어야 '보배'···메탄 꿰는 촉매 'MMO' 구조 밝혀 원천기술 확보 '기대'

메탄(독일어: methane)은 가장 간단한 탄소 화합물로, 탄소 하나에 수소 4개가 붙어 있다. 자연적으로는 유기물이 물 속에서 부패, 발효할 때 생기므로 늪지대의 바닥 등에서 발생한다. 천연가스나 석탄가스의 주성분으로, 주로 연료로 사용된다.<사진 출처=위키피디아>메탄(독일어: methane)은 가장 간단한 탄소 화합물로, 탄소 하나에 수소 4개가 붙어 있다. 자연적으로는 유기물이 물 속에서 부패, 발효할 때 생기므로 늪지대의 바닥 등에서 발생한다. 천연가스나 석탄가스의 주성분으로, 주로 연료로 사용된다.<사진 출처=위키피디아>
이 단장은 사업단의 목표 기술 중 일부를 소개하며 "메탄을 활용가능 화합물로 바꾸는 효소 MMO(Methane monooxygenase)의 구조를 밝히는 것이 굉장히 중요하다"고 강조했다.

사업단에서는 현재 MMO의 구조와 활성부위를 파악하고 MMO가 어떻게 메탄을 활성화 시키는지에 대한 연구를 진행하고 있다. 

그에 따르면 현재 우리나라의 C1 가스분야에서 MMO에 대한 분석 수준은 세계 연구수준의 80~90%를 따라잡은 상태이다.

우리나라는 C1 가스 리파이너리 기술을 주도하고 있는 미국 보다 1년 정도 늦게 시작했지만 노력해 나간다면 충분히 기술을 따라잡을 수 있는 수준이라는 것이 사업단의 관측이다.

메탄은 단단하고 동글동글 당구알 모양을 하고 있다. 다른 화합물을 만드려면 진주를 꿰듯이 붙여야 한다. 진주로 목걸이를 만들면 값어치가 생기듯이 '메탄'이라는 화합물을 붙여야 값어치가 점점 높아진다. 

많은 에너지가 필요한 화학촉매와는 달리 생물체들은 메탄을 아주 작은 에너지를 사용해 친화적으로 붙인다. 지구상에서 가장 적고 낮은 에너지를 써서 붙여 다른 화합물로 바꿔주는 MMO는 메탄을 메탄올로 만드는 핵심적인 효소(촉매)다.

이 단장은 "앞으로 MMO의 구조와 활성을 파악하는 연구는 전 세계에서 촉각을 곤두세우고 관심을 가지고 있는 분야이기 때문에 이를 밝혀 혁신기술을 개발하는 연구자에게 노벨상이 돌아갈 것이라 본다"고 피력하며 MMO 연구의 중요성을 강조했다. 

그는 "MMO 역학구조를 알려면 상당히 첨단연구기술이 필요한 어려운 연구이지만 최근 들어 연구를 통해 그동안 밝혀지지 않았던 MMO구조가 점점 밝혀지고 있다"라고 말했다. 

◆ C1 가스 원천기술 확보, 일자리 창출 '목표'···"젊은이들 도전 기다려"

이 단장은 "언제든지 C1 가스 분야에 대한 아이디어와 제안을 받아들일 준비가 돼있다"며 젊은 연구자들의 적극적인 참여를 당부했다.<사진 허경륜 기자>이 단장은 "언제든지 C1 가스 분야에 대한 아이디어와 제안을 받아들일 준비가 돼있다"며 젊은 연구자들의 적극적인 참여를 당부했다.<사진 허경륜 기자>

지난 4월 27일 제주국제컨벤션센터에서 열린 심포지엄에서는 'C1 가스 산업의 현재와 미래'를 주제로 C1 가스 산업동향부터 MMO 기술에 대한 생물학적 분석 등 국내 전문가들의 다양한 발표가 이어졌다.

생물화학 융·복합 연구를 진행하고 있는 연구자들은 생물학적으로 C1 화합물 연구 과정과 결과 등을 설명했고, 참석자들은 관심있게 경청했다.

이진원 단장은 "단순히 학문적 성과에 머무는 것이 아닌, 이후의 기술경제성 확보를 통해 국내 석유화학산업의 신성장동력 창출에 기여하는 상업화 가능 기술개발을 목표로 C1 가스 전환기술을 개발해 나갈 것"이라며 "제철소에서 발생하는 부생가스의 전환기술의 상업화는 국내의 온실가스 저감에도 기여할 것"이라고 말했다. 

이 단장은 "C1 가스를 이용한 가스화학을 통해 개발된 원천기술을 바탕으로 산업화가 가능한 수준의 기술을 개발해 기술이전을 통한 산업화를 목표로 함으로써, 신성장동력과 일자리를 창출하는 것이 목표"라 소개하며 "저유가라고 미래를 준비하는 것을 게을리 한다면 석유화학산업도 조선업처럼 될 수 있다"고 적극적으로 연구에 임해줄 것을 참석자들에게 당부했다.

아울러 그는 "열정과 새로운 아이디어를 가진 젊은이들의 도전을 기다리고 있다"며 용기 있는 젊은 연구자들의 다양한 제안을 주문하기도 했다. 

심포지엄에서 있었던 발표는 아래와 같다.
 
▲패러다임 전환: C1 가스 산업 시대를 준비하며(이진원 C1 가스 리파이너리 사업단 단장) ▲C1 화합물로부터 고부가화합물로의 생물전환을 위한 합성생물학 신기술(정규열 POSTECH 교수) ▲제철소 부생가스를 이용한 초고온성 고세균에 의한 바이오수소 생산에 관한 연구(김태완 전남대 교수) ▲미생물 대사공학을 위한 유전자 전달 및 발현(나도균 중앙대 교수) ▲생물학적 C1 전환 공정에서 기-액 계면조절을 통한 물질전달 성능 향상(나정걸 서강대 교수) ▲효소의 융합 이성적 설계(이정걸 건국대 교수) ▲철강폐가스로부터 고부가가치 화합물 생물 전환기술 개발(김용환 UNIST 교수)

진지하게 강연을 경청하는 참석자들의 모습. 이날 심포지엄에는 전국 각지의 C1 가스 분야 연구자들로 북졌였다.<사진=허경륜 기자>진지하게 강연을 경청하는 참석자들의 모습. 이날 심포지엄에는 전국 각지의 C1 가스 분야 연구자들로 북졌였다.<사진=허경륜 기자>

 
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