태양빛과 이산화탄소로 부터 디젤유를 제조하기 위한 개발 프로그램 
미국 에너지부 Arpa-e (Advanced Research Projects Agency-Energy)에 의한 새로운 “전자연료 (electrofuel)” 프로그램이 재생 가능한 연료 제조법에 대한 연구를 지원할 것이라고 밝혔다. 이 프로그램은 식물, 조류 등 광합성 유기체 보다 효율적인 바이오 연료 제조법을 대상으로 하며, 디젤과 같은 연료를 직접 만들어 현재 사회기반시설을 그대로 이용하는 것이 가능하도록 하는 것을 목표로 삼고 있다. Arpa-e의 책임자인 Arun Majumdar는 기본 아이디어는 광합성을 이용하지 않고 이산화탄소를 바로 유기물질로 전환시킬 수 있는 유기체를 이용하는 것이라고 밝혔다.
광합성을 이용한 바이오 연료 제조법은 두 가지로 나뉜다. 일반적 방법은 식물을 키워서 식물로부터 얻어진 당 (sugar)을 효모나 미생물을 이용해 발효하여 연료를 만드는 것이다. 옥수수를 발효시켜 에탄올을 만드는 것이 이에 해당한다. 다른 방법은 광합성 미생물을 이용해 연료를 직접 만드는 것인데, 조류를 이용하여 바이오디젤 원료를 만들거나 또는 가솔린이나 탄화수소를 직접 만들 수 있는 미생물을 연구하는 것이 이에 해당된다.
Arpa-e가 고려중인 광합성을 이용하지 않는 방법 중의 하나는 유기체와 태양전지를 결합시키는 것이다. 펜실베니아 주립대학교 (Pennsylvania State University) 환경 공학과의 Bruce Logan 교수에 따르면, 어떤 미생물들은 전기를 이용해 메탄과 같은 유기분자를 만들 수 있다는 것이 최근 알려졌다. 이 미생물들을 더 연구하면 액체 연료를 생성할 수 있을지도 모른다.
Arpa-e가 고려중인 또 다른 비광합성 방법은 극한미생물 (extremophiles)을 이용하는 것이다. 이 미생물들은 매우 뜨겁거나 산성조건 같은 극한의 환경에서 살아간다. 대게 어두운 환경에서 살기 때문에 빛을 에너지 원으로 사용하지 않는다. 또 극한 환경에서는 당 같은 유기물이 존재하지 않기 때문에 유기 분자로부터 에너지를 얻지도 않으며, 그대신 황화 금속 (metal sulfides)과 같은 다른 에너지원을 사용한다. 단백질이나 지질을 만드는데도 유기 물질을 원료로 사용하는 것이 아니라 이산화탄소와 같은 무기 물질을 원료로 사용한다.
이 미생물들은 원래, 이들이 만들어 내는 효소가 공업 공정에 필요한 고온 조건을 견딜 수 있다는 이유로 오랫동안 연구되어 왔다. 하지만, 최근 이들의 유전자에 관한 연구로부터 이산화탄소를 유기 물질로 변화시키는 전체 대사 경로 (metabolic pathways)가 밝혀지게 되었으며, 이를 조작하면 연료를 만들어내는 것도 가능할 지 모른다.
노스캐롤라이나주 바이오기술 프로그램의 책임자인 Robert Kelly는 이와 같은 특징을 가진 미생물 중의 하나가 주로 광산에서 발견되는 메탈로스페라 세듈라 (Metallosphaera sedula)라고 밝혔다. 이 미생물은 황화 금속을 산화시켜 세포활동에 필요한 에너지와 전자를 얻는다고 설명하면서 이 미생물이 만들어내는 유기물로부터 부탄올 (butanol) 과 다른 액체 연료를 만들어 냈다고 설명했다.
생화학적으로 가능한 과정을 만들어내기 위해서는 여러 가지 해결과제가 있다. 하지만 전자연료 프로그램의 프로젝트 책임자인 Eric Toone은 광합성은 연료를 만들기에는 비효율적 이라며 비광합성 접근법을 개발해볼 가치가 충분하다고 한다. 그는 광합성보다 효율적인 방법이 될지 지금은 알 수 없지만 아직 바이오연료 생산 목적으로 충분한 연구가 진행되어 본 적이 없으며, 이와 같은 새로운 분야가 Arpa-e가 지원하고자 하는 일이라고 밝혔다.
Majumdar는 Arpa-e의 전자연료 프로그램은 유기체를 이용하는 방법에 국한되지 않을 것이며, 중요한 것은 광합성을 대체할 만한 방법을 찾아내는 것이라고 설명했다. 또 다른 방법은 인공 광합성이라는 것으로 태양 에너지와 무기 촉매를 결합해 물과 이산화탄소로부터 연료를 만들어 내는 것이다.
[그림] 메탈로스페라 세듈라 (Metallosphaera sedula)는 황동석 (chalcopyrite, 사진의 검은 물질)이라는 황화 구리-철로부터 에너지를 뽑아낸다. 황동석은 구리 이온 (녹색), 산화 철 (오렌지색), 황 (노란색)으로 바뀐다. 이 미생물은 얻어진 에너지로부터 세포의 구성 성분인 acetyl-CoA를 만든다. 연구팀들은 미생물을 조작해 Acetyl-CoA를 부탄올이나 다른 액체 연료로 전환시키도록 하는데 성공했다.
Making Diesel from CO2 and Sunlight
A new program will develop novel approaches to renewable fuels.
By Kevin Bullis
A new "electrofuels" program announced this week by the Advanced Research Projects Agency-Energy (Arpa-e) will fund research into novel ways to make renewable fuels. The approaches could prove more efficient than using photosynthetic organisms--such as plants and algae--to make biofuels. And instead of making ethanol, they will make fuels such as diesel, which could be easily distributed and sold with existing infrastructure.
Metal eater: Metallosphaera sedula can draw energy from a copper-iron sulfide called chalcopyrite, the black substance shown here. As it feeds, it produces copper ions (green), iron oxide (orange), and sulfur (yellow). The organism uses the energy from the sulfides to produce acetyl-CoA, a fundamental building block in cells. Researchers have been able to engineer organisms to convert acetyl-CoA into butanol and other liquid fuels.
Credit: Robert Kelly, North Carolina State
The idea is to make liquid fuels using organisms that can convert carbon dioxide into organic molecules without using photosynthesis, says Arun Majumdar, the director of Arpa-e. The mechanisms these organisms use could be more efficient than photosynthesis, he says.
Photosynthetic approaches fall into two categories. The most common is to grow plants and then use yeasts or other microorganisms to ferment sugars from the plants to produce fuels--as in converting corn into ethanol. The other approach is to use photosynthetic organisms to make fuels more directly. This might involve using algae that make oils that can then be processed into biodiesel, or even experimenting with microorganisms that make gasoline or other hydrocarbons directly.
One nonphotosynthetic approach Arpa-e may fund is to pair organisms with solar cells. Recent research has suggested that some microorganisms can use electricity to form organic molecules, such as methane, says Bruce Logan, a professor of environmental engineering at the Pennsylvania State University. These microorganisms could be further engineered to make liquid fuels.
A second nonphotosynthetic approach involves microorganisms such as extremophiles. These microorganisms live in extreme environments, such as hot and acidic water. Unlike plants and algae, these organisms don't use light as an energy source, since they live in dark environments. They also don't draw energy from organic molecules, such as sugars, because those aren't available to them. Instead they draw energy from other sources, such as metal sulfides. They also don't use organic matter for making proteins and lipids, instead using inorganic molecules, such as carbon dioxide.
These organisms have long been studied for the enzymes they produce, since these enzymes can survive at high temperatures, and thus could be useful for industrial processes. But in recent years, researchers' access to the genomes of organisms has allowed them to identify entire metabolic pathways--series of reactions undertaken by organisms--for converting carbon dioxide into various organic molecules. It may be possible to modify these pathways so that these organisms produce fuels.
One such organism is called Metallosphaera sedula, says Robert Kelly, director of the North Carolina State biotechnology program. It's often found in mines. "It oxidizes the metal sulfide, and that's how it gets energy and electrons for cellular processes," he says. These organisms produce organic molecules that have been used to make butanol and other liquid fuels.
Numerous challenges exist to making a feasible process of the biochemistry. But Eric Toone, the project director in charge of the electrofuels program, thinks it's worth trying, because photosynthesis is a very inefficient way to make fuels. "Is this going to be more efficient than photosynthesis? I have no idea," he says. "But the only way we find out is to try. There's a lot of 'white space' here. This is not an area that has been investigated as a possible route toward biofuels. And this is what Arpa-e is supposed to do--try new things."
Arpa-e's electrofuels program will not be limited to approaches that use organisms, Majumdar says. The key is to find alternatives to photosynthesis. Another approach is to use solar energy and inorganic catalysts to make fuel from water and carbon dioxide, an approach called artificial photosynthesis.
이산화탄소로 디젤연료 만든다 (사이언스타임즈)
재생연료에 대한 신개념 접근법 내주 미국서 발표예정
이산화탄소를 합성해 디젤연료를 만드는 등 새로운 "전자연료(electrofuels)" 프로그램이 몇 주 내로 발표될 것으로 보인다.
MIT에서 발행하는 TR(Technology Review)은 10일 Arpa-e(the Advanced Research Projects Agency-Energy)가 재생연료를 만드는 새로운 방식에 대한 연구를 지원할 것이라고 보도했다.
이 접근방법은 작물이나 무화식물 등 광합성 유기체를 이용하는 것보다 효과적으로 바이오연료를 만들어 낼 수 있어 기대를 모으고 있다.
에탄올을 만드는 대신 디젤처럼 현재 통용되는 엔진에 직접 쓰이는 연료를 만들 수 있어 기존 인프라를 그대로 계승할 수 있는 장점도 있다.
이 아이디어는 유기체를 이용해 액체 연료를 만드는 것이다. Arpa-e 책임자 어런 매점다(Arun Majumdar)는 "이는 광합성 공정을 사용하지 않고 이산화탄소를 유기 분자로 만드는 것"이라며 "광합성보다도 효과적으로 유기체를 만드는 메커니즘"이라고 설명했다.
Arpa-e는 솔라셀을 이용해 비광합성적인 방법으로 유기체를 만들어내는 접근법을 지원할 것으로 알려졌다.
최근 연구에 따르면, 전기를 사용할 수 있는 어떤 미생물이 유기분자로 부터 메탄과 같은 물질을 만들어 낸다. 펜실베니아 주립대 환경공학과 브루스 로간(Bruce Logan)교수는 이런 미생물들이 액체연료를 만들어낼 것으로 전망한다.
두번째 비광합성적인 접근방법은 익스트레모필레스(extremophiles)같은 미생물과 관련돼 있다. 이들 미생물은 뜨겁고 산성이 강한 물처럼 극단적인 환경에서 산다.
작물이나 조류와 달리, 이들 유기체는 어두운 곳에서 살기 때문에 에너지원으로 빛을 사용하지 않는다. 이들은 또 당 등과 같은 유기분자로 부터도 에너지를 얻지 않는다. 대신 다른 소스로 부터 에너지를 얻는데 바로 철 황화물이다.
이들은 단백질이나 지방을 만들어내기 위해 유기물질을 사용하지 않으며 이산화탄소와 같은 무기분자를 사용한다. 이들 유기체는 그들이 만들어낸 효소때문에 오래전부터 연구돼 왔다. 이들 효소는 고온에서 살아남을 수 있기 때문에 산업적으로 유용했다.
유기물질 아닌 무기분자 사용
그러나 최근 몇 해 전부터 연구자들은 유기체의 유전자지도를 분석하면서 이들 유기체의 전체적인 신진대사 방식을 밝히기 시작했다. 유기체가 활동하는 반응 과정 등에서 알아낸 것에 따르면, 이들은 이산화탄소를 다양한 유기분자로 변환시킨다. 이 과정을 수정하면 이들 유기체가 연료를 바로 만들어 낼 수 있다는 것이다.
메탈로스페에라 세둘라(Metallosphaera sedula)라고 불리는 이같은 유기체에 대해 노스케롤라이나주립 생명공학프로그램(the North Carolina State biotechnology program)의 책임자 로버트 캘리(Robert Kelly)는 "이들이 세포의 활동을 위한 에너지와 전기를 얻어내는 방법은 철 황화물을 산화시키는 것"이라며 "이들 유기체는 사용된 유기분자를 부탄이나 다른 액체 연료로 만든다"고 설명했다.
많은 화석연료는 에너지를 발생하면서 많은 양의 이산화탄소를 배출한다. 이들 유기체들은 이에 대한 역반응을 만들어낸다는 설명이다. 이에 따르면 전세계적으로 증가된 이산화탄소량을 줄이면서도 연료를 얻을 수 있게된다.
화석연료를 사용하지 않는 차세대 재생에너지는 탄소를 배출하지 않는다. 그러나 이들 재생에너지를 사용하기 위해서는 전반적인 사회적 인프라가 바뀌어야 하는 부담이 든다. 차세대 재생에너지로 에너지사용방법이 완전히 변하기 전까지 인프라를 유지할 수 있는 방법이 고안된 것이다.
한편, 광합성을 이용한 접근법은 두 가지 방식으로 나뉜다. 가장 일반적인 것은 작물을 키워서 효모나 다른 미생물을 이용해 작물이 연료가 될 수 있고록 당을 발효시키는 것이다. 옥수수를 에탄올로 만드는 과정과 같다.
다른 방식은 광합성 유기체를 이용하는 것으로 연료를 보다 직접적으로 만들어낸다. 이는 기름을 만들어내는 조류(algae)를 사용해 바이오디젤을 직접 생산해낸다. 또는 가솔린이나 다른 탄화수소를 만들어내는 미생물도 실험 중에 있다.
박상주 객원기자 | utopiapeople@naver.com
Source : KISTI, technologyreview, sciencetimes
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