1. 리그닌 바이오리파이너리 사업 필요성

리그닌은 셀룰로오즈 다음으로 자연계에서 대량 생산되는 생물자원이다. 셀룰로오즈의 경우 펄프, 제지, 섬유 산업 등에서의 핵심소재로 사용되고 있으나, 리그닌의 경우 연간 20억톤 이상이 자연계에서 생산되고 있으나 현재까지는 쓸모를 찾지 못하여 거의 전량 소각 처리되고 있는 바이오고분자라 할 수 있다. 현재 2세대 바이오매스를 이용하여 바이오연료를 생산하는 시설이 건설되고 있는바 이러한 경우 막대한 양의 리그닌이 부산물로 발생하고 있는 실정이며, 이러한 리그닌을 부가가치화 하지 못할 경우 바이오매스를 이용한 전체 바이오리파이너리 산업 전체의 경제성이 담보되기 어려운 실정이다.
리그닌은 셀룰로오즈와 달리 방향족 화합물을 단량체로 하고 있는 매우 독특한 소재이다. 그러나 셀룰로오즈 등은 효소 등에 의하여 용이하게 가수분해되어 당으로 전환되는 반면 리그닌의 경우 아직까지 분해기술이 확립되지 못한 상태이다. 리그닌을 효율적으로 단량체화 할 수 있는 원천 생촉매 개발에 성공할 경우 다양한 방향족 분해산물에 기반한 새로운 바이오리파이너리 신산업을 구축할 수 있을 것이라 판단되었다. 이에 한국연구재단 지원으로 2017년부터 2021년까지 리그닌으로부터 유용자원 및 바이오연료를 생산할 수 있는 원천기술 개발을 목표로 연구사업이 출범되어 진행되고 있다.

그림 1. EISA 법안에 따른 미국 DOE의 바이오연료 보고 계획안.

2. 리그닌 바이오리파이너리 해외 연구 동향

○ 미국 DOE (Energy Independence and Security Act)
- 미국 DOE를 중심으로 2022년까지 360억 갤런 이상의 리그노셀룰로오즈 유래 Advanced Biofuel을 공급을 목표로 함
- 이를 가능하게하기 위하여 현재 3개 이상의 바이오에너지 센터에 매년 1,500억원 이상의 연구비를 투여하고 있음.
- RFS 제도하에 의무적으로 리그노셀룰로오즈 유래 바이오연료를 혼합사용하게 하고 있음.
- 이로 인하여 매년 거의 1억톤에 해당하는 막대한 양의 리그닌이 부산물로 배출될 것이며 이에 관한 사용 방안마련이 시급한 상태임.
https://www.congress.gov/bill/110th-congress/house-bill/6
○ 유럽 BBI-JU (Bio-based Industries Joint Undertaking)
- 유럽 Horizon 2020 프로그램에 따라 바이오매스 기반 신산업을 위하여 산학연간 연계 프로그램을 유럽 차원에서 결성
- 2014년부터 2020년 7년간 총 37억유로 (4조원)의 예산으로 바이오매스 기반 신산업 창출을 위하여 노력
- 바이오연료 및 부산물로 발생하는 리그닌을 고부가가치화하는 데 역량을 결집하고 있음.
https://www.bbi-europe.eu/

그림 2. 유럽의 바이오매스 이용 프로그램 (BBI-JU)​

3. 리그닌 바이오리파이너리 연구 내용 

자연계에서 폐기물로 버려지고 있는 리그닌을 효과적으로 분해할 수 있는 신개념의 생촉매를 개발함으로써 리그닌유래 신규의 방향족 화합물을 획득하는 기술
ㅇ (특징)
- 상온 상압의 환경하에서 리그닌을 선택적으로 분해하는 고효율 생촉매 기술
- 선택적으로 분해되어 예상가능한 수의 방향족 단량체가 생성
- 생성된 방향족 단량체를 이용하여 기존 정밀화학산업, 석유화학산업의 생성물과 경쟁이 가능하고 대체가 가능
ㅇ (핵심기술)
- 무변형 고효율 리그닌 추출기술: 자연계에서 생합성되어 있는 리그닌을 화학적 변형없이 자연상태의 결합상태를 유지하면서 고효율로 추출하는 기술
- 고효율 리그닌 분해 생촉매 기술: 분해된 단량체의 재중합을 억제할 수 있고, 단량체 라디컬의 공격으로부터 방어가 가능하고, 고농도의 산화분해 조건 및 고농도의 단량체 생산물에 내성이 있으며, 동시에 고속의 반응동력학적 특성을 가지는 리그닌 분해 생촉매 개발
- 고효율 리그닌 분해 생촉매 고생산 기술: 리그닌 분해 고효율 생촉매의 대량생산을 위하여 반응부위 cofactor 생합성증진, 생산된 생촉매의 분비 및 고농도 생산 기술
- 분해 단량체의 반응 정제 및 zero-waste화 기술: 생촉매에 의하여 분해되어 생산된 단량체를 반응 및 전환을 통하여 좀더 용이하게 분리정제, 고부가가치화 하는 기술

ㅇ (활용분야) 코스메틱산업, 자동차산업, 의약용 정밀화학산업
- 코스메틱산업용 (방향족계 향료, 천연방부제, UV 차단제 등)
- 자동차산업용 (방향족계 엔지니어링 플라스틱, 방향족계 바이오우레탄 등)
- 의약용 정밀화학산업용 (방향족 기반 의약용 중간체 등)
ㅇ (시장전망) 방향족계 화학산업 시장 세계 규모: 100조원 이상
- 국내 코스메틱산업 연평균 성장률 20 % 이상 급성장
- 자동차 산업의 친환경, 경량 바이오플라스틱 소재에 대한 의무 사용 (5% 이상​)

- 자연계에서 발견되는 리그닌 분해효소의 활성을 비약적으로 증가시키기 위해서는 신규의 고활성 효소 유전자 탐색과 함께 효소 단백질 표면으로부터 반응부위, 즉 heme 부위로의 전자 이동 경로에 대한 면밀한 관찰이 필요함. 이러한 전자 이동 경로에 관여하는 아미노산 잔기의 역할을 연구하고, 단백질 공학기법을 통하여 변형함으로써 매우 탁월한 성능의 리그닌 분해효소의 개발이 가능할 것으로 예상됨. 이를 위해서는 분자진화적 방법 외에 양자계산 등을 통하여 바이오촉매를 모델링하고 재설계하는 기법을 개발, 적용하는 것이 가능할 것으로 판단됨.
- 일반적인 화학촉매와 달리 재설계된 바이오촉매를 이용하여 리그닌을 분해할 경우 단량체 상태의 저분자화합물이​ 선택적으로 획득될 것으로 예상되고 있음. 물론 최초 리그닌의 단량체 종류, 비율에 따라 산출되는 생성물의 종류, 농도는 변화될 것으로 예상됨. 다만 올리고머 상태 외에 단량체 형태의 저분자 화합물은 그 자체로 신규성이 있을 것으로 예상됨.
- 단량체 상태의 저분자 화합물은 식품, 화장품 등 personal care용 정밀화학, 기능성 화학제품의 핵심소재가 될 것으로 예상되고 있음. 또한 시린직산과 같은 화합물은 고분자 소재의 단량체로 사용이 가능하며, 이를 이용하여 고분자를 중합생산할 경우 자동차 소재 등으로 대량 적용이 가능할 것으로 예상되어 매우 큰 파급효과가 기대됨.

그림 3. 연구개발 개념도

4. 리그닌 바이오리파이너리 사업 전망

최근 미국의 4대 바이오에너지 관련 연구기관에서 기존 당기반 바이오리파이너리 외에 리그닌 기반 바이오리파이너리로 연구방향을 선회하였다. 이는 국내에서 시작된 리그닌 바이오리파이너리 사업이 규모는 비록 1/10 규모이나 시작시점 자체는 거의 동시적이었다고 할 수 있다. 앞으로 리그닌에 대한 과학적 이해 및 지식이 급속히 축적되어 이를 이용할 수 있는 생촉매 등 다양한 지식, 기술적 진보가 이루어질 것이라고 예측이 된다. 이러한 리그닌을 고부가가치 화합물로 전환하는 기술의 개발은 바이오매스 전체를 이용할 수 있게 됨으로써 앞으로 바이오경제 체제 구축에 큰 이정표가 될 것으로 확신한다. 다만 리그닌의 복잡성, 리그닌 분자결합의 난해함 등은 큰 장애가 될 것으로 예측되는바 다양한 학제간 융복합연구를 통하여 이를 극복할 방안이 마련될 것이라 생각된다.