석영 나노면도날 이용한 마이크로 미세조류 파쇄-이산화탄소 전환 미세조류 바이오연료 및 화학소재 생산 실마리

석영 나노면도날 이용한 마이크로 미세조류 파쇄-이산화탄소 전환 미세조류 바이오연료 및 화학소재 생산 실마리

 

등록일 2020.12.03.

 

석영 나노면도날 이용한 마이크로 미세조류 파쇄
이산화탄소 전환 미세조류 바이오연료 및 화학소재 생산 실마리

□ 단단하고 두꺼운 미세조류를 물리적으로 파쇄하여 그로부터 유용한 물질을 효과적으로 추출할 수 있는 기술이 소개됐다.
○ 유용 미세조류를 이용한 바이오연료 및 화학소재 생산에 기여할 것으로 기대된다.

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 정성욱 교수와 오유관 교수(부산 대학교 응용화학공학부) 연구팀이 석영 결정 소재 나노면도날로 미세조류 바이오매스를 더욱 효과적으로 파쇄할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.
○ 광합성 미세조류(H. pluvialis)로부터 항산화물질 아스타잔틴(ATX) 등을 얻을 수 있지만, 미세조류의 견고한 다중구조 세포벽 때문에 추출을 위한 전처리과정인 파쇄공정에 많은 에너지가 필요한 실정이었다.

□ 연구팀은 종전 화학적 방법으로 미세조류를 응집시켜 녹이는 마그네슘 유기 나노점토 대신 물리적 방법으로 미세조류를 파쇄시키고자 석영* 나노결정에 주목했다.
○ 상대적으로 합성하기 쉬운 둥근 형태가 아닌 날카로운 경계면을 지닐 수 있는 비등방성(anisotropic) 구조의 석영 나노결정으로 미세조류를 절개하여 파쇄하는 방식을 시도하고자 하였다.
※ 석 영 : 지구에 존재하는 가장 흔한 미네랄 성분으로 보석이나 시계 같은 일상용품부터 전자제품의 핵심부품인 압전진동 소자, 유리, 내열성 세라믹 소재, 금속 성형 및 주조 등 여러 산업분야에까지 다양하게 쓰이고 있다.
※ 비등방성 : 물체의 물리적 성질이 방향에 따라 달라지는 성질

□ 이에 연구팀은 초박형 평판 형태로 석영 나노결정입자를 친환경적으로 대량으로 합성할 수 있는 최적 친환경 수열반응(hydrothermal reaction)을 개발하고 이를 통해 매우 균일한 비등방성 구조를 구현해냈다.

□ 나아가 이렇게 합성된 날카로운 모서리를 지닌 7~8 나노미터 두께의 나노면도칼을 이용해 광합성 미세조류의 단단하고 두꺼운 세포벽을 단시간에 적은 에너지로 파쇄, 아스타잔틴 추출효율(효율 99%)을 끌어올리는 데 성공했다.

□ 한편 사용된 나노면도칼의 효과적인 회수 및 재사용으로 경제성 확보도 용이하다는 설명이다. 연구팀은 이번 연구에 사용된 미세조류 이외에도 단단하고 두꺼운 세포벽을 가진 다양한 산업용 미생물에도 적용할 수 있을 것으로 보고 있다.

□ 과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 기본연구 및 중견연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 화학공학 분야 국제학술지‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 11월 3일 게재되었다.

주요내용 설명

논문명
Hydorthermal synthesis of novel two-dimensional α–quartz nanoplates and their applications in energy-saving, high-efficiency, microalgal biorefineries
저널명
Chemical Engineering Journal
키워드
α–Quartz, Nanoplates, Hydrothermal, Microalgae, Biorefinery
DOI
https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127467
저 자
정성욱 교수 (공동교신저자/부산대학교), 오유관 교수 (공동교신저자/부산대학교), 문규섭(공동제1저자/부산대학교), 이나경 박사 (공동제1저자/부산대학교), 강성수 (공저자/서울대학교),박정원 교수 (공저자/서울대학교),김영은 (공저자/부산대학교),이상아 (공저자/한국생물공학연구원), 라메시 쿠마 치투알라 (Ramesh Kumar Chitumalla) 박사 (공저자/부산대학교), 장준경 교수 (공저자/부산대학교), 최영선 교수 (공저자/부산대학교)

<작성 : 부산대학교 정성욱 교수>
1. 연구의 필요성
○ 이산화규소 혹은 실리카는 지구상의 존재하는 가장 흔하게 발견되는 미네랄 성분으로 일상 생활용품부터 여러 산업 분야의 다양한 용도에 핵심 소재로 사용되고 있다. 대부분의 실리카는 상온과 대기압 조건에서 원자 배열의 규칙성이 없는 비정질(amorphous) 형태와 결정(crystalline) 형태의 석영 구조를 가진다. 둥근 형태의 등방성(isotropic) 비정질 실리카 나노 입자와 석영 나노결정 입자 합성에 관한 선행 연구는 많이 진행되어 왔으나, 비등방성(anisotropic) 구조의 석영 나노결정 입자의 합성은 지금까지 보고된 바가 없음.
○ 광합성 미세조류1 Haematococcus pluvialis (H. pluvialis)는 다양한 환경 조건에서 세포 노화를 유발하는 활성산소를 제거하는 천연 항산화 물질인 아스타잔틴2(astaxanthin, ATX)을 고농도로 다량 생산 및 세포 내 축적이 가능함. 하지만, 기존 아스타잔틴 추출 및 회수 공정은 H. pluvialis의 매우 견고한 다중 구조의 세포벽 때문에 아스타잔틴 회수를 위한 파쇄공정에 과도한 에너지가 필요함.
○ 본 연구에서는 대량생산이 가능한 2차원 나노판 형태의 초박형 알파-석영 나노결정 입자를 처음으로 합성하였음. 개발된 나노결정 입자의 나노면도날 기능을 이용하여 광합성 미세조류 H. pluvialis의 단단한 세포벽을 단시간에 파쇄하는 저에너지, 고효율 아스타잔틴 추출기술을 개발하였음. 본 기술은 이산화탄소로부터 바오이연료와 다양한 화학제품을 생산하는 바이오 리파이너리3 공정의 경제성 확보에 큰 기여를 할 것으로 기대함.

2. 연구내용
○ 연구팀은 지금까지 보고된 적이 없는 비등방성 구조를 가지는 2차원 나노판 형태의 초박형 알파-석영 나노결정 입자의 합성 방법을 처음으로 개발하였음.
○ 연구팀은 최적 친환경 수열 반응(hydrothermal reaction)을 통해 매우 균일한 비등방성 구조적 제어를 구현하였고 전자현미경 분석법, 원자힘현미경 분석법 및 분광 분석법을 사용하여 나노결정 입자의 비등방성 구조, 결정성 및 물성을 규명하였음.
○ 연구팀은 1 마이크로미터의 나노판 크기에 비해 7~8 나노미터의 매우 얇은 나노판 두께의 비등방성 초박형 구조를 통해 광합성 미세조류 H. pluvialis의 단단하고 두꺼운 세포벽을 효과적인 절개를 유도하는 나노면도날 기능을 규명하였음.
○ 연구팀은 나노면도날 기능을 이용하여 미세조류 H. pluvialis 세포벽 파쇄를 단시간에 유도하는 저에너지, 고효율 아스타잔틴 추출 및 회수 바이오리파이너리 공정 기술을 개발하였고 ~99% 추출 효율을 구현하였음ㅇ.
○ 연구팀은 공정에 사용된 초박형 나노판 알파-석영 나노결정 입자의 효과적인 회수 및 재사용을 통해 나노소재의 경제성 확보가 가능함.

3. 연구성과/기대효과
○ 본 연구를 통해 균일한 구조적 제어와 화학적 기능성 유도가 가능한 2차원 나노판 알파-석영 나노결정 입자를 친환경적으로 대량 생산할 수 있는 재료공정기술을 개발하였음. 본 기술은 미세조류를 포함한 다양한 산업용 미생물에 적용 가능하며, 궁극적으로 이산화탄소 전환 바이오리파이너리의 에너지 사용 절감 및 경제성 확보에 큰 도움이 될 것임.
○ 단단하고 두꺼운 세포벽을 가진 산업용 미생물을 파쇄하는 초박형 비등방성 나노면도날 소재기술은 지속가능한 바이오연료 및 화학소재 생산을 위한 차세대 나노바이오 융합공정의 기반기술로 활용이 기대됨.
○ 본 연구는 다양한 환경 및 에너지 문제에 적용할 수 있는 바이오-재료 원천 융합기술이며, 의학, 생명, 촉매 등 다양한 분야에 응용할 수 있음.
○ 본 연구결과는 기후위기 대응을 위한 이산화탄소 감축 및 탄소중립을 위한 바이오리파이너리 신산업 창출 및 국가 경쟁력 강화에 이바지할 것으로 기대됨.
<참고자료>
1미세조류는 물, 이산화탄소와 태양광을 이용하여 광합성 성장이 가능한 단세포 광합성 미생물을 의미함. 예로 여름철 악취를 유발하고 생태계를 교란하는 녹조현상의 주범으로 알려져 있음. 화석연료 대체 바이오매스 자원과 기후 위기 대응을 위한 이산화탄소 감축 대안으로 큰 관심을 받고 있음. 이산화탄소, 물, 그리고 태양광이 있다면 황무지, 해안가, 바다 등 어디에서는 미세조류 배양이 가능하며, 토지나 공간 측면에서 기존 식물자원과 상호 경쟁하지 않음. 미세조류는 광합성을 통해 단백질, 탄수화물, 색소, 지질, 및 다양한 대사산물을 세포 내에 축적함. 특히, 지질은 에너지 작물보다 단위 면적당 생산량이 매우 높고 품질도 우수해, 석유 대체 바이오연료 (예: 바이오디젤)로 큰 관심을 받고 있음.

2아스타잔틴은 세포 노화를 유발하는 활성산소를 제거하는 붉은색의 항산화 물질로 비타민C보다 무려 6,000배 높은 항산화력을 보임. 또한, 암, 심장질환, 신경 질환 예방 등 다양한 기능성이 입증되어 의약품이나 식품으로 많이 활용되고 있는 추세임. 연어, 새우 등 수생생물의 주요 먹이인 미세조류는 자연계에서 아스타잔틴을 가장 많이 함유한 것으로 보고됨 (생체무게당 4%).

3미세조류 바이오리파이너리(biorefinery)는 기존 산업 체계에서 화석 연료인 석유가 담당하는 역할 (리파아너리(refinery): 석유 정제 및 석유화학제품 생산 공정)을 지속/재생 가능한 공급 원료인 미세조류 바이오매스로 대체하려는 개념임. 기존 석유 리파이너리와 비교하여 미세조류 바이오리파이너리는 이산화탄소를 원료로 지속가능한 바이오매스를 공급하여 다양한 바이오연료 및 고부가가치 화학제품을 생산하는 새로운 산업기술로 기후 위기 대응에도 크기 기여할 것으로 기대됨. 미세조류 기반 바이오리파이너리의 상용화를 앞당기기 위해서는 전 공정의 효율 증대와 단가의 감소가 필요함. 특히, 미세조류 세포벽 파쇄 과정은 부가가치가 높은 유용물질 (연료 및 화학소재의 원료)의 추출, 전환, 정제를 위한 필수단계이며 전체 공정의 가장 중요한 과정임.

그림 설명

 

(그림1) 2차원 나노판 형태의 초박형 알파-석영 나노결정 입자의 나노면도날 기능을 이용하여 광합성 미세조류 세포벽 파쇄를 유도하는 저에너지, 고효율 유용물질 추출 및 회수 바이오리파이너리 공정의 모식도를 보여준다.

사진 및 사진설명 제공 : 부산대학교 정성욱오유관 교수 연구팀

 

 

(그림2) (A) 고분해능 투과전자현미경을 이용한 2차원 나노판 형태의 초박형 알파-석영 나노결정 구조를 규명하였다. (B) 광학현미경 관찰을 통한 광합성 미세조류 Haematococcus pluvialis 세포벽 파쇄와 아스타잔틴 항산화 물질 추출 과정 분석 이미지. 단단하고 두꺼운 세포벽을 효과적으로 절개하는 알파-석영 나노결정의 나노면도날 기능과 효율적인 아스타잔틴 추출 과정을 실시간으로 보여준다.

사진 및 사진설명 제공 : 부산대학교 정성욱오유관 교수 연구팀

 

 

 

(그림3) 2차원 나노판 형태의 초박형 알파-석영 나노결정 입자 기반의 광합성 미세조류 Haematococcus pluvialis 세포벽 파쇄와 아스타잔틴 항산화 물질 추출을 모사한 3차원 개념도를 보여준다. 단단하고 두꺼운 세포벽을 효과적으로 절개하는 알파-석영 나노결정의 나노면도날 기능은 100%에 가까운 아스타잔틴 항산화 물질의 추출 및 회수 효율 구현을 가능하게 한다.

사진 및 사진설명 제공 : 부산대학교 정성욱오유관 교수 연구팀

동영상 설명

 

 

(동영상) 광학현미경 관찰을 통한 광합성 미세조류 Haematococcus pluvialis의 두꺼운 세포벽을 알파-석영 나노결정의 나노면도날 기능을 적용하여 효과적으로 세포벽 파쇄한 뒤(파란색 화살표), 항산화 색소인 붉은 아스타잔틴 방울(빨간색 화살표)들이 동시에 한 곳 이상에서 세포 밖으로 추출되고 있는 과정을 실시간으로 보여주는 동영상 자료(이메일 첨부)임.
(본 동영상 자료는 실제 논문에 실린 추출 과정의 광학현미경 사진에 대한 동일 실시간 동영상 촬영 자료로 속도는 3배속으로 설정됨. 시간이 지남에 따라 세포 내 아스타잔틴이 급격히 줄어드는 것을 직접 확인 할 수 있으며, 이는 얇은 나노면도날에 의한 효과적인 세포벽 파쇄를 통해 아스타잔틴만을 효율적으로 회수 할 수 있음을 보여주는 자료임.)

제공 : 부산대학교 정성욱오유관 교수 연구팀

연구 이야기

<작성 : 부산대학교 정성욱 교수>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

지구 온난화를 통한 기후 변화 문제는 우리 인류가 당면한 가장 큰 문제 중 하나이다. 지구온난화의 주범인 이산화탄소 배출량을 줄이는 문제를 해결하기 위하여 이산화탄소를 고속으로 유용 광물화하는 나노소재 개발 및 관련 공정 기술 개발에 관한 연구를 진행 중이다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

나노소재 개발 과정 중 지금까지 보고된 적이 없는 비등방성 구조를 가지는 2차원 나노판 형태의 초박형 알파-석영 나노결정 입자를 처음으로 합성하였다. 여러 가지 분석 방법을 이용하여 나노결정 입자의 비등방성 구조, 결정성, 및 물성을 규명하였고, 형성 메커니즘에 관한 고찰도 완료하였다. 본 연구자가 나노결정 입자의 응용 분야에 관한 고민을 하던 중, 미세조류 바이오리파이너리 분야를 연구하고 계시는 학과의 동료 교수님을 우연히 복도에서 만나 대화를 나누게 되었다. 대화 도중에 두꺼운 미세조류 세포벽 파쇄 문제를 해결하기 위해 전혀 고려해 보지 않았던 나노결정을 사용해 보는 것을 동료 교수님과 처음으로 논의하였고, 이러한 우연(serendipity)을 통해 공동연구가 시작되었고, 좋은 연구 결실을 얻게 되었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

서로 다른 연구 분야(바이오 및 나노분야 전공자)에서 연구를 진행해 온 연구자들은 생각도 다르며, 생소한 용어를 사용하기 때문에 의사소통이 쉽지 않았다. 하지만, 다른 연구 분야를 이해하기 위해 관련 선행 연구 결과를 공부하고, 자주 만나 공동연구를 통해 얻은 실험 결과를 논의하고, 당면한 문제들을 같이 해결함으로써 이러한 어려움을 극복하였다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

첫째, 처음으로 합성에 성공한 2차원 나노판 형태의 초박형 알파-석영 나노결정 입자의 비등방성 구조가 광합성 미세조류의 두꺼운 세포벽을 효과적으로 절개하는 나노면도날 기능을 구현한다는 것을 밝혔음. 둘째, 기존 미세조류 파쇄에 사용되는 고에너지 기계적 파쇄 및 추출 공정보다 단시간에 적은 에너지로 세포벽 파쇄 및 세포 내 축적된 유용물질의 고효율 추출이 가능함.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

이산화탄소를 원료로 바이오연료와 화학소재를 생산하는 미세조류 바이오리파이너리의 세부 공정 중 효과적인 세포벽 파쇄 기술로 적용할 수 있고 이를 통해 에너지 및 비용 절감 효과가 예상됨.