네덜란드, 조류에서 미래를 보다

- 지속가능한 효율적 자원으로 평가 -

- 바이오 연료, 페인트 코팅제, 폐기물 처리제 등 다양한 활용방안 연구 -

 

 

 

□ 배경

 

 ㅇ 조류(藻類; algae)는 화석연료를 대체할 신재생 에너지로 주목 받음. 조류는 해초로 알려진 대형조류(Macroalgae)와 미세조류(Microalgae)의 두가지 종류로 구분할 수 있음. 보통 미세조류는 광생물반응기(photobioreactor)에서 배양되며 대형조류는 자연환경에서 양식됨.

 

 ㅇ 조류는 바이오매스의 원료 등으로 관심을 받는데, 가장 큰 특징은 배양과 양식에 큰 비용이 들어가지 않는다는 점임.햇빛, CO₂, 비료 없이도 조류는 24시간 내에 두 배로 증식할 수 있으며 일년에 1헥타르당 20~50톤의 건조된 조류를 생산할 수 있음. 실외의 조류 연못을 이용해 햇빛과 비료 혹은 하수를 공급해주면 되기 때문에 생산비용이 매우 낮음. 하수 등의 폐기물을 재활용할 수 있고 결국 조류의 광합성으로 배출된 산소만 남게 됨.

 

 ㅇ 대형 조류: 대형 조류는 해초와 같이 수중에서 배양되거나 바다에서 자라는 식물임. 대형 조류들은 한천(Agar), 알긴산(Alginate), 캐라지난(Carrageenan) 등 겔류의 물질로 생산되거나 식품으로 소비되며 최근에는 바이오연료 생산을 위한 원료로 주목받음. 전 세계적으로 해초의 연간 생산량은 수백만 톤에 이름.

 

 ㅇ 미세조류 :뿌리, 줄기, 잎을 가지고 있지 않으며 현미경으로만 보이는 극도로 작은 식물. 광합성작용으로 대기 중 산소의 절반을 만들어내며 온실가스 주범인 이산화탄소를 줄임. 카로티노이드, 산화(노화)방지제, 지방산, 효소, 고분자(Polymers), 펩티드, 독소, 스테롤 등 독특한 생산물들을 생산 가능함.

 

 ㅇ 조류는 생명공학에서 새로운 분야이며 현재 스피룰리나(Spirulina), 클로렐라(Chlorella), 두날리엘라(Dunaliella)와 같은 몇몇 종들이 상업시장을 장악함. 앞으로 이 외 다른 종들의 시장 진출도 기대됨.

 

□ 조류의 생산방법

 

 ㅇ 조류는 주로 온실이나 연못에서 생산되며 생산량은 햇빛,·온도,·이산화탄소, 산소 공급과 같은 다양한 조건들에 의해 결정됨.

 

 ㅇ 네덜란드 조류경작 기업 Lgem은 온실 내 폴리에틸렌관(polyethylene tubes)을 통해 조류를 생산함.

  - 조류생산의 관건은 최종생산 농도에 있음. 광합성하려면 빛이 들어와야 하는데 미세조류가 자라고 배양액이 진해지면 빛이 이를 투과하지 못해 겉의 조류들만 광합성을 안에 위치한 조류들은 광합성이 되지 않아 미세조류의 성장이 멈추게 됨.

  - Lgem은 가장 효율적으로 햇빛을 받을 수 있도록 디자인된 300㎡의 폴리에틸렌관으로 하루에 10kg의 조류를 생산함. 햇빛이 좋은 날에는 스프링클러시스템이 작동되고 흐린 날에는 조명시스템을 통해 햇빛을 공급함. 이렇게 생산된 조류는 식품산업분야에서 이용됨.

 

 ㅇ 보통 원심분리기(Centrifuge system)을 이용한 방법이 주로 쓰이는데, 이는 에너지 소비량이 많은 것으로 평가됨. 현재로서는 부유(물에 뜸), 퇴적과 원심분리, 여과와 같은 다양한 방법을 결합해 사용하는 것이 가장 경제적이고 에너지를 절약할 수 있는 것임.

 

조류 생산방법

    

출처: www.algae.wur.nl/UK/projects/Harvesting+of+microalgae/

     

□ 조류의 활용

 

 ㅇ 바이오연료(Biofuel)

  - 전 세계적으로 대체에너지 자원으로서의 곡물 수요가 높아지며 경작지 필요가 높아짐. 조류는 생산할 때 별도의 경작지가 필요 없다는 장점을 가짐.

  - 또한 곡물 바이오연료보다 10배 높은 효율성을 가짐. 1헥타르당 생산 가능량이 팜유는 연간 6000리터, 랩시드 오일은 1000~1500리터임에 비해 조류는 2만 리터를 생산할 수 있음.

 

 ㅇ 등유(Kerosene)

  - 네덜란드 항공사 KLM은 항공연료 가격 상승에 따라 대체 연료의 개발이 필수적이라 판단해 미세조류를 통해 생산된 등유를 사용해 배출량을 줄이고 연구를 진행함. 유가가 100달러 이상일 경우 조류등유가 더 이득이라는 연구결과가 조류 등유의 개발의 타당성을 부여해줌.

  - 조류를 이용해 생산한 등유 사용 시 이산화탄소 배출 규모를 80%까지 줄일 것으로 기대함.

  - 또한, 빙점(freezing point)이 낮아 비행기가 더 높이 비행할 수 있어 더 효율적임.

  - KLM은 미세조류를 통한 등유 생산을 위해 AlgaeLink(조류 생산과 활용에 선도적 연구기관)와 공동연구 중임. 2008년 Fokker 50기종을 이용해 첫 번째 조류등유 사용실험을 수행했으며 아직까지 미세조류로 생산한 등유와 일반 등유를 혼합해서 사용함.

 

출처: www.algae.wur.nl/UK/applications/energy/Biofuels/

 

 ㅇ 페인트 코팅(Coating for paint)

  - 아직 연구해야 할 부분이 많이 남아있지만 건물 표면 코팅제로 사용할 가능성이 있음. Essent, Akzo Nobel, Ingrepo, Wageningen 대학연구센터 등으로 구성된 네덜란드 컨소시엄 Algicoat는 조류코팅제를 생산하고 그 품질에 대한 연구를 지속함.

  - 조류는 지방산과 저장다당류 성분을 포함하는데 이 성분들은 분리․정제되면 알키드수지와 같은 합성수지를 대신할 수 있음.

 

 ㅇ 화학약품(Chemicals)

  - Wagening대학 연구센터와 Akzo Nobel은 화학산업에서의 조류 이용에 관한 연구를 진행 중임. 화학물질과 제품의 피드스톡으로 조류에서 생산되는 바이오매스는 지방산, 탄수화물, 상당수의 단백질을 적절한 가격에 제공해줌.

 

 ㅇ 비행기 제빙 폐기물 재활용(Recycling waste of de-iceing airplanes)

  - 비행기 제빙으로 발생하는 폐수는 Glycol과 Potassium Acetate를 함유함. 이 물질들은 물론 생물학적으로 분해될 수 있지만, 폐수 자체에 산소가 더 이상 남아있지 않게 돼 환경에 유익하지 못함.

  - 이에 조류를 이용해 화학물질을 분해해 산소를 만들어 낼 수 있어 다시 일단 수로로 돌려보낼 수 있음.

  - 네덜란드의 Schiphol공항을 운영하는 Schiphol Group은 이 활용법에 관심을 가지고 폐수를 친환경적으로 활용하기 위해 연구 중임.

 

 ㅇ 식품과 사료

  - 조류는 주로 비타민C와 D2, w-3 지방산, 색소, 산화방지제와 같은 고가치 성분에 활용됨.

  - 미세조류는 단백질·탄수화물·지방산이 풍부해 단백질과 다당류의 원료로 쓰임.

  - 네덜란드 회사 Ojah와 Phycom은 조류 생산물을 고기 대체물로 제공하고자 함. 소비자 가이드에 따르면 1/16 정도 고기를 대체할 것으로 알려짐.

 

 ㅇ 기타: 화장품이나 골프장에서 필요한 살균제로도 사용됨.

 

□ 네덜란드 내의 조류관련 프로젝트와 시사점

 

 ㅇ 조류 생산·연구센터 AlgaePARC

  - 세계에서 첫 번째로 만들어진 연구센터인 AlgaePARC(Algae Production And Research Centre)는 조류에 대한 기초연구와 실질적인 생산공장의 격차를 줄이고자 지어짐.

  - Bioprocess Engineering과 Wageningen 대학 연구센터의 Food &Biobased research의 공동 이니셔티브로 시작됨 AlgaePARC은 세계에서 최초로 다양한 광반응배양기 디자인으로 조류생산결과를 시험함. 시범적으로 4개의 대형 광반응배양기(24㎡), 3개의 소형 광반응배양기(2.4㎡)를 운영 중임.

 

AlgaePARC의 광반응배양기

    

출처: www.algae.wur.nl/UK/projects/AlgaePARC/

 

 ㅇ AlgiCoat

  - 페인트코팅제품에 집중해 Akzo Nobel과 Wageningen대학 연구센터, Essent(에너지기업), Ingrepo(조류 생산자)는 약 12억 유로의 정부지원금으로 2008년부터 4년간의 연구프로그램을 시작함.

  - 이 연구는 상업화에 적합한 조류의 유형, 조류에서 핵심 물질을 추출하는 방법 등에 관한 연구를 진행함.

 

 ㅇ 네덜란드뿐 아니라 전 세계적으로 바이오연료·항공연료·식품공급으로써의 조류에 대한 관심이 높아짐.

  - 한국에서도 미세조류를 이용한 바이오매스 연료관련 연구가 수행되나 아직 상업적으로 이용되는 사례는 없음. 선도적으로 조류연구를 수행하는 네덜란드 기업(Akzo Nobel, Essent 등)과 연구기관 (Wageningen 대학)과의 협력을 통해 대체 에너지·물질로의 조류 활용도 제고할 수 있음.

 

 

자료원: www.aquaphyto.com, www.lifescienceproducties.nl, www.duurzame-energiebronnen.nl, www.algae.wur.nl, www.washingtonpost.com, www.ingrepro.nl, www.biogas.nl, www.luchtvaarnieuws.nl, www.aquaphyto.com, www.eetbeeter.nl, sync.nl