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미생물로 옷부터 자동차까지 쓰이는 친환경 나일론 핵심 원료 만든다
나일론은 옷부터 자동차까지 우리 일상 곳곳에 쓰이는 대표적인 플라스틱 소재다. 하지만 그 원료 대부분은 석유화학 공정으로 만들어져 많은 탄소를 배출해왔다. 우리 대학 연구진이 미생물을 활용해 친환경적으로 나일론 핵심 원료를 생산할 수 있는 기술을 개발했다.
우리 대학은 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 시스템 대사공학(미생물의 대사 경로를 설계·최적화해 원하는 물질 생산을 극대화하는 기술)을 활용해 재생 가능한 탄소원인 ‘글리세롤(바이오디젤 생산 과정에서 나오는 친환경 바이오 부산물)’로부터 ‘나일론 6’ 및 ‘나일론 6,6’의 핵심 단량체(고분자를 구성하는 기본 분자 단위) 3종(아디픽산,헥사메틸렌다이아민, 엡실론 카프로락탐)을 생산할 수 있는 대장균 기반 모듈형 플랫폼을 개발했다고 31일 밝혔다.
‘나일론 6’는 유연성이 높아 의류·필름 등에 사용되며, ‘나일론 6,6’은 강도와 내열성이 우수해 자동차·기계 부품 등에 활용된다. 나일론 이름 뒤 숫자는 원료 분자에 포함된 탄소 개수를 의미한다.
이번 연구의 핵심은 생산 경로를 상·하류 균주 두 개로 나누고, 서로 다른 역할을 하는 대장균이 이를 나눠 맡도록 한 점이다. 상류 균주는 글리세롤로부터 아디픽산을 생산하고, 하류 균주는 이를 다시 헥사메틸렌다이아민 또는 엡실론 카프로락탐으로 전환하도록 설계됐다. 이를 통해 연구팀은 나일론 6,6의 핵심 원료인 아디픽산과 헥사메틸렌다이아민, 나일론 6의 핵심 원료인 엡실론 카프로락탐을 하나의 통합 플랫폼에서 생산하는 데 성공했다.
연구진은 생산 효율을 높이기 위해 다양한 효소(생체 내 화학반응을 촉진하는 단백질)인 카복실산 환원효소와 트랜스아미나아제를 비교·검증해 최적의 조합을 적용했고, 이를 통해 헥사메틸렌다이아민 생산성을 향상시켰다. 또한 엡실론 카프로락탐 생산 과정에서는 여러 기능을 결합한 융합효소를 설계해 반응 효율을 높였다.
상류 모듈에서는 생합성 경로(생체 내 화합물이 생성되는 일련의 반응 과정)를 재구성하고, 인공지능(AI) 기반으로 핵심 효소 성능을 개선해 생산량을 높였다. 그 결과 발효 공정에서 아디픽산을 6그램 퍼 리터(g/L) 수준까지 생산하는 데 성공했다.
또 연구팀은 두 종류의 대장균을 동시에 넣지 않고, 먼저 아디픽산을 충분히 만든 뒤 두 번째 균주를 나중에 투입하는 ‘지연 접종(delayed inoculation·시간차 공배양)’ 전략도 적용했다. 이는 서로 다른 역할을 하는 미생물을 시간차를 두고 순차적으로 투입하는 방식이다.
이 전략을 유가 배양식(영양분을 단계적으로 공급하며 생산성을 높이는 발효 방식) 발효 공정에 적용한 결과, 글리세롤만을 사용해 헥사메틸렌다이아민 230 밀리그램 퍼 리터(mg/L), 엡실론 카프로락탐 808 마이크로그램 퍼 리터(μg/L)를 생산했다. 아직 생산량은 높지 않지만, 글리세롤에서 직접 생산한 사례 가운데 세계 최고 수준의 성과라고 연구팀은 설명했다.
이번 기술은 석유화학 공정에 의존하던 나일론 원료를 바이오 기반으로 생산할 수 있는 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 크다.
연구팀은 향후 AI 기반 효소 설계와 추가적인 시스템 대사공학을 접목해 생산성을 더욱 높이고, 다양한 고분자(여러 단량체가 반복적으로 결합한 물질) 원료 생산으로 확대할 계획이다.
이상엽 특훈교수는 “이번 연구는 나일론 6와 나일론 6,6 생산에 필요한 핵심 단량체를 재생 가능한 탄소원으로부터 생산할 수 있는 모듈형 미생물 플랫폼을 제시했다는 점에서 의미가 있다”며 “앞으로 효소와 대사 흐름을 더욱 고도화해 생산성을 높이고, 다양한 바이오 기반 고분자 원료를 지속가능하게 생산할 수 있는 핵심 플랫폼으로 발전시켜 나가겠다”고 말했다.
이번 연구 결과는 생명화학공학과 안다희 박사가 제 1저자로 참여한 논문으로, ‘미국국립과학원회보 (PNAS)’에 5월 4일 게재됐다.
※논문명: Metabolic engineering of Escherichia coli for the biosynthesis of nylon 6 and nylon 6,6 monomers 저자: 이상엽(KAIST, 교신저자), 안다희 (KAIST, 제1저자), 채동언 (KAIST, 제2저자), 총 3명 DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2535786123
한편, 이번 연구는 과기정통부가 지원하는 석유대체 친환경 화학기술개발사업의 ‘바이오화학산업 선도를 위한 차세대 바이오리파이너리 원천기술 개발’ 과제 및 합성생물학 핵심기술 개발사업의 ‘바이오제조 산업 선도를 위한 첨단 합성생물학 원천기술 개발’ 과제의 지원을 받아 수행됐다.
2026.06.01 조회수 1197 -
KAIST-한화솔루션, 석유 유래 나프타 대체할 ‘친환경 바이오 플랫폼’ 구축
우리 대학은 KAIST-한화솔루션 미래기술연구소가 한화솔루션과 손잡고 폐자원을 활용해 플라스틱과 섬유용 친환경 원료를 대량 생산할 수 있는 바이오 기술을 확보했다고 19일 밝혔다.
최근 석유화학 산업의 필수 원료인 나프타의 가격 급등과 공급 불안으로 대체 원료에 대한 필요성이 높아지고 있다. 이번 성과는 자원 공급 안정성과 친환경성을 동시에 확보한 미래형 핵심 기술로 평가받는다.
이 기술은 바이오디젤 생산 공정에서 버려지는 부산물인 ‘글리세롤’을 원료로 삼는다. 버려지는 폐자원을 고부가가치 소재로 전환하기 위해 플라스틱과 화장품의 핵심 소재인 ‘1,3-프로판디올(1,3-PDO)’을 생산하는 고효율 미생물을 개발하고 발효 공정을 최적화했다.
이번 연구는 실제 산업 현장에 적용 가능한 수준에 도달했다. 연구팀은 실험실 규모를 넘어 대형 공장 설비 적용에 앞서 시험 생산이 되는 300L 규모의 파일럿 공정에서도 높은 생산성을 유지하는 데 성공했다.
이는 연구실의 성과가 실제 공장에서도 똑같이 재현될 수 있음을 증명한 것으로 기술의 완성도를 보여준다.
또한, 컴퓨터 시뮬레이션으로 미생물의 대사 과정을 사전에 설계하는 ‘디지털 설계 기술’과 항생제 없이도 안정적으로 원료를 뽑아내는 ‘무항생제 공정’을 도입했다. 이를 통해 생산 비용은 낮추고 환경 규제 리스크를 줄이며 친환경 가치를 극대화했다.
이번 성과는 2015년 11월 첫 발을 뗀 양측의 협력이 10년이라는 긴 시간 동안 흔들림 없이 이어져 온 값진 결실이다. 이는 KAIST의 독보적인 학술적 역량과 한화솔루션의 탄탄한 사업화 역량이 유기적으로 맞물려 일궈낸 산학 협력의 대표적 성공 모델로 평가받는다. 또한 본 연구는 KAIST와 한화솔루션 연구진의 긴밀한 협력을 통해 수행됐다.
이번 친환경 바이오 플랫폼 연구를 통해 총 6건의 특허를 출원하고, 13편의 논문을 게재하는 성과를 거뒀다. 특히 연구 결과를 담은 논문은 세계적 학술지 네이처 케미컬 엔지니어링(Nature Chemical Engineering) 5월 12일 자에 게재됐으며, 5월호 표지논문으로 선정되었다. 표지논문은 해당 호를 대표하는 연구 성과에만 선정되는 만큼, 이번 연구의 학문적 중요성과 파급력을 인정받았다는 점에서 의미가 크다.
※ 논문명: High-titer, antibiotic-free, pilot-scale production of 1,3-propanediol by engineered Corynebacterium, DOI: 10.1038/s44286-026-00389-w
※ 저자: 조재성(KAIST, 제1저자), 신디 프리시리아 수르야 프라보워 박사(Cindy Pricilia Surya Prabowo)(KAIST, 제1저자), 한태희 박사(KAIST), 문천우(KAIST), 고유성(KAIST), 조창희 박사(한화솔루션), 김제웅(KAIST), 김원준 박사(한화솔루션), 방현배 박사(한화솔루션), 이재은(KAIST), 기민정(KAIST), 장남진 박사(한화솔루션), 이상엽(KAIST, 교신저자)
한화솔루션 김정대 연구소장은 “이번 연구는 바이오 기반 원료를 활용해 기존 석유화학 공정을 대체할 수 있는 가능성을 확인했다는 점에서 의미가 크다”며 “향후 지속가능한 화학소재 생산과 산업 적용에 중요한 기반이 될 것으로 기대한다”고 말했다.
KAIST 이상엽 생명화학공학과 특훈교수는 “이번 연구는 미생물 기반의 화학물질 생산이 실험실을 넘어 실제 산업 규모로 충분히 확장될 수 있음을 보여준 사례이다”라며, “앞으로 다양한 화학소재를 더욱 친환경적으로 생산하는 데 기여할 것이다”라고 밝혔다.
2026.05.19 조회수 2739 -
우성일교수 연구팀, 친환경 고체산화물 연료전지 시스템 개발
-바이오디젤 생산과정의 부산물인 글리세롤을 이용한 고체산화물 연료전지 시스템
-10월 14일 앙게반테 케미 자매지, "켐서스켐(ChemSusChem)" 온라인판에 게재
생명화학공학과 우성일(58)교수 연구팀은 바이오디젤(bio-diesel) 생산과정의 부산물인 글리세롤을 연료로 이용한 고체산화물연료전지 구동기술을 개발하는데 최근 성공했다.
우교수팀은 이번 연구를 통해 글리세롤을 연료로 고체산화물연료전지를 조업하여 발전시 생성되는 이산화탄소의 발생량을 석탄 및 석유에 비해 각각 40%, 26% 가까이 줄이는 결과를 얻었다. 석탄 및 석유를 이용하는 화력발전을 통한 전기 1kWh 생산시 발생하는 이산화탄소는 각각 991g, 782g이다. 반면 글리세롤은 585g이다. 또한 기존 수소를 연료로 이용했을 때의 80%에 달하는 효율을 얻을 수 있었다.
이번연구에 사용한 바이오매스로부터 얻은 글리세롤 개질과정의 이산화탄소는 바이오매스를 생산하는데 재사용함으로써 저탄소, 녹색성장에 획기적으로 기여할 수 있을 것으로 예상된다.
이 연구결과는 지난 14일 앙게반테 케미(Angewandte Chemie)의 자매지인 "켐서스켐(ChemSusChem)" 온라인판에 게재됐으며 관련기술은 국내특허 출원중이다.
연구팀 관계자는 “이번 연구결과는 고체산화물 연료전지에 바이오매스로부터 바이오디젤을 생산할 때 얻어진 글리세롤 연료를 사용함으로써 기존 화석연료보다 이산화탄소의 배출량을 줄이고 배출된 이산화탄소는 바이오매스 생산에 재사용할 수 있어 지구 온난화 방지에 기여할 수 있다”고 말했다.
고체산화물연료전지는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로서 에너지 효율이 ~50%에 달하는 가장 발전된 형태의 연료전지이다. 연료로 쓰이는 수소를 생산하기 위해 탄화수소를 개질하게 되는데 이 과정에서 이산화탄소가 발생하게 된다.
바이오디젤은 브라질, 미국, EU등을 중심으로 고유가에 대응하기 위하여 생산을 확대해오고 있으며, 최근에는 일본, 중국, 인도 등이 후발국으로 참여하여 그 규모가 점차 커지고 있다. 2009년 바이오디젤의 생산량은 78억톤에 달할 것으로 예상되고 있으며 2010년에는 104억톤으로 증가할 것으로 예상된다.
글리세롤은 바이오디젤 1 톤을 생산할 때 0.1 톤 정도 부산물로 생산되는 물질로서 바이오디젤의 공급증가에 따른 잉여의 글리세롤이 생성된다. 고체산화물 연료전지에 잉여의 글리세롤을 연료로 사용하였을 경우 저탄소 녹색 성장에 크게 이바지 할 수 있을 것으로 기대된다.
또한 최근에는 지구온난화 주범인 이산화탄소의 양을 줄이기 위하여 국제적으로 탄소배출권 거래제도에 대한 관심이 집중되고 있는 실정이다.
탄소배출권 거래제도는 전 세계의 온실가스 배출총량을 정하고 이를 국가나 기업별로 할당하는 제도로서 할당량보다 많이 배출하려는 국가나 기업은 할당량보다 적게 온실가스를 배출한 곳으로부터 배출권을 사야한다.
바이오디젤의 경우 1톤을 생산할 때 이산화탄소 2.2 톤의 배출량을 감면받게 되므로 바이오디젤의 부산물인 글리세롤을 이용하여 고체산화물 연료전지를 조업할 경우 탄소배출권을 획득할 수 있어 부가가치를 창출할 수 있다.
이번 연구는 초미세화학공정연구센터(ERC), 에너지, 환경, 물, 자원의 지속 가능성(EEWS) 및 세계수준의 연구중심대학(WCU) 사업의 지원을 받아 생명화학공학과 박사과정 원정연(元正淵)연구원이 주도적으로 진행했다.
켐서스켐(ChemSusChem) Paper Link :
http://www3.interscience.wiley.com/journal/114278546/home
2009.10.27 조회수 29830