1. 서론

   CCU (Carbon Capture and Utilization; 탄소 포집 활용)는 탄소 배출원에서 발생하는 CO2를 포집하고 이를 고부가가치 물질로 전환하여 활용하는 기술이다 [1]. 최근 수십 년 동안 CO2 배출이 급증함에 따라 지구온난화 및 기후변화가 심화되어 해수면 상승, 생태계 파괴 등 다양한 문제가 발생하고 있다 [2]. 이에 따라, 전 세계적으로 CO2 활용에 대한 관심이 집중되면서 CCU 기술은 기후변화 대응을 위한 핵심 기술로 주목받고 있다. CCU 기술은 대기 중으로 방출된 CO2를 저감할 뿐만 아니라 연료, 화학 원료, 건축 자재 등 다양한 유용 물질을 생산할 수 있다. 이러한 배경에서 미세조류를 활용한 CCU 기술이 특히 주목받고 있다.

   미세조류 (microalgae)는 태양광을 에너지원으로 CO2를 전환하여 유용 물질을 생산할 수 있는 단세포 광합성 미생물로 CCU 기술의 중요한 생물학적 플랫폼으로 주목받고 있다 [3]. 미세조류는 주로 진핵생물로 구성되지만, 원핵생물인 남세균 (시아노박테리아)도 포함될 수 있으며 육상 식물에 비해 10~50배 더 높은 광합성 효율을 보이며 100톤의 미세조류 바이오매스를 생산하면 약 183톤의 CO2를 고정할 수 있다 [4, 5]. 미세조류는 대기중 CO2 뿐만 아니라 산업 배기가스 내 CO2, 가용성 탄산염(NaHCO3 및 Na2CO3) 형태의 CO2도 고정할 수 있는 능력을 가지고 있다 [6].

   하지만 미세조류를 이용한 CCU 기술은 몇 가지 해결해야 할 과제를 안고 있다. 종속영양 배양 대비 낮은 생산성으로 인해 미세조류 대량 배양에 대규모 면적이 요구되고, 대부분의 연구가 실험실 조건에서 수행되므로 산업 환경에서의 적용이 제한적이다 [7]. 발전소 배기가스의 경우 CO2 농도는 10~20% 수준으로, 미세조류 성장에 요구되는 최적 CO2 농도에 비해 높은 편이며 고농도의 아산화질소 및 황산화물 (NOx, SOx)이 포함되어 있어 배양 시스템에 직접 주입할 경우 세포 성장 억제와 사멸을 유발할 수 있다 [8].

   이러한 문제들을 해결하기 위해 최근에는 미세조류 균주 개발부터 공정 연구까지다양한 규모에서 활발히 연구가 진행되고 있다. 유전 및 대사 공학 연구를 통해 고효율의 광합성과 CO2 고정 능력을 가진 균주 개발, 다양한 배양 시스템의 설계와 최적화, 미세조류 배양 및 수확 과정에서의 비용 절감을 위한 연구 등이 이루어지고 있다 [9]. 본 기고에서는 CCU 기술에서 미세조류의 활용을 위한 미세조류 균주 개발과 미세조류 실증 공정연구에 대해 살펴보고자 한다.

그림 1. 미세조류를 활용한 CCU 기술 개요. 

2. 미세조류 균주 개발

   미세조류는 CO2 고정 효율이 높은 3세대 바이오 원료로, 광합성을 통해 바이오매스를 생산하여 바이오 연료, 식품, 의약품, 환경 공학 등 다양한 부가가치 제품을 생산할 수 있는 중요한 생물 자원이다 [10]. 그러나 미세조류의 유전적 복잡성으로 인해 기존의 분자생물학적 도구를 활용하는 데 어려움이 있었다. 초기 연구에서는 자연환경에서 다양한 미세조류 종을 탐색하고 분리하는 자연적 균주 발굴과, 미세조류의 유전적 다양성을 증가시키기 위해 무작위 돌연변이를 유발하고 원하는 형질의 균주를 선별하는 스크리닝 기술에 주력했다. 최근에는 고도화된 분자생물학적 기법을 활용하여 미세조류의 유전자를 조작함으로써 광합성 효율 증대, CO2 흡수 개선, 바이오매스 생산 증가 등을 목표로 한 균주 개량 연구가 활발히 진행되고 있다 [11].

2.1 자연적 균주 발굴

   자연적 균주 발굴은 다양한 환경 조건에 적응할 수 있는 미세조류 균주를 확보하여 산업적 활용 가능성을 극대화하는 방법이다. 자연에서 발굴된 균주는 인공적으로 배양된 균주와 달리 높은 환경 적응성과 유전적 다양성을 지니고 있다. 이러한 균주들은 극한 환경에서도 적응할 수 있으며, 높은 생장률과 생산성을 나타낸다. 중국의 다양한 기후 지역에서 수집된 미세조류 균주 중 7개는 높은 CO2 농도 (20%)에서 생장할 수 있음이 확인되었다 [12]. 특히, Desmodesmus NMD46 균주는 고농도 CO2 조건에서 높은 지질 생산성과 지방산 조성을 보여 고농도 산업 배기 가스를 활용할 수 있는 가능성이 제시되었다. 또한, 제철소, 시멘트 공장, 발전소 근처 연못에서 분리된 미세조류 균주들은 다양한 CO2 농도 조건에서 배양되고 각 균주의 생장 특성이 평가되었다 [13]. Heynigia riparia SX01 균주는 CO2 농도가 증가함에 따라 생장이 촉진되었고, 15% CO2 조건에서 바이오매스 생산성과 CO2 고정률이 높았다. 이는 산업 배기가스의 CO2를 활용하여 지속 가능한 에너지 및 바이오매스 생산에 기여할 수 있음을 시사한다.

2.2 무작위 돌연변이 유발 및 미세유체 기반 스크리닝

   미세조류의 무작위 돌연변이 유발 방법에는 화학적, 물리적 방법이 있다. 화학적 방법으로는 EMS (ethylmethanesulfonate)와 MNNG (methylnitronitrosoguanidine)를 사용하여 DNA에 돌연변이를 유발할 수 있다. 물리적 방법으로는 UV, 감마선 및 엑스선을 이용하여 DNA를 변형시키는 방법이 있다. 이러한 방법들은 미세조류의 유전적 다양성을 증가시키고, 환경 적응성 및 생산성을 향상시킬 수 있는 균주를 개발하는 데 유용하다. 그러나 이러한 변이 유발 방법의 효율적인 적용을 위해서는 대규모의 변이체를 신속하고 정밀하게 선별하는 기술이 필요하다.

   미세유체 (Microfluidics) 기술은 미세한 유체 채널을 통해 액체를 조작하고 분석하는 기술로, 개별 미세조류 세포를 정밀하게 제어하고 분석할 수 있을 뿐 아니라, 높은 처리량과 적은 시료 소비를 바탕으로 우수한 성능의 균주를 효율적으로 선별하기 위한 대규모 스크리닝에 널리 활용되고 있다. 또한, 다양한 배양 조건에서 실시간 세포 모니터링 및 분석을 통해 균주 성능을 평가할 수 있으며, 자동화된 플랫폼을 통해 실험 효율성을 극대화할 수 있다. 이러한 특성으로 인해 미세유체는 CCU 기술 적용을 위한 고성능 미세조류 스크리닝에 있어 매우 유용한 도구로 자리잡았다.

   자연 태양광을 모방한 변동하는 빛 조건에서 Chlamydomonas reinhardtii 돌연변이 라이브러리는 단일 층 미세액적 광생물 반응기에서 배양되고, 미세액적의 원심분리를 통해 고성장 돌연변이 균주가 효율적으로 선별되었다 [14]. 이를 통해, 세포 스트레스 요인으로 작용할 수 있는 빛 세기의 지속적이고 빠른 변화 하에서 야생형 대비 1.85배 향상된 세포 성장 및 광합성 성능이 개선된 돌연변이 균주가 확보되었다. 이 균주는 자연 태양광과 발전소 배기가스 CO2를 활용한 1.6톤 규모의 현장 배양에 적용되어 바이오매스 생산성, 지질 함량 및 CO2 고정률이 증가한 것으로 나타났다. 결과적으로, 미세유체-미세액적 기반 미세조류 스크리닝이 산업 규모의 CCU 기술을 가능하게 하는 유망한 전략임이 입증되었다.

2.3 분자생물학적 균주 개량

   분자생물학적 도구의 발전에 따라 미세조류 기반 CCU 기술의 효율적인 적용을 위한 균주 개량이 점점 더 중요한 역할을 차지하고 있다. 최근 분자생물학적 접근법을 바탕으로 미세조류의 유전자 발현 조절 및 특정 대사 경로 강화를 통해 광합성 효율과 CO2 고정 능력을 극대화하는 연구가 활발히 진행 중이다. 한편, 미세조류의 CO2 내성을 강화하기 위한 분자생물학적 연구에서도 유전자 조작을 통해 특정 유전자를 과발현하거나 조절하는 전략이 효과적으로 활용되고 있다. 예를 들어, 외래 유전자 PMA4를 이용한 식물 유래 수소 이온 펌프를 C. reinhardtii에 도입하여 CO2 농도가 높은 조건에서도 세포 내 pH를 안정적으로 유지함으로써, 3.2배 이상의 광자영양 생산성을 달성할 수 있었다 [15]. 이러한 접근법은 미세조류가 산업 배출가스를 효과적으로 활용하여 CO2를 기반으로 한 바이오제품 생산성을 높일 수 있는 가능성을 보여준다. 이러한 분자생물학적 균주 개량 전략은 CCU 기술의 상용화에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다.

   분자생물학적 균주 개량은 미세조류의 성능을 극대화할 수 있는 강력한 도구이지만, 미세조류에 특화된 몇 가지 문제점이 존재한다. 유전자 도입이나 편집 후에 발생할 수 있는 유전적 불안정성은 우수한 성능의 미세조류 균주 개발에서 여전히 큰 장애물로 작용하고 있다. 또한, 미세조류는 복잡한 광합성 시스템을 가지고 있어, 유전자 편집 과정에서 오프타겟 효과로 인한 광합성 효율 저하나 대사 경로의 비의도적 변형이 발생할 수 있다. 이러한 문제들을 해결하기 위해서는 미세조류의 독특한 유전적 특성과 대사 경로를 고려한 정교한 유전자 편집 기술이 필요하며, 이를 통해 광합성 효율을 유지하면서도 목표로 하는 대사 경로를 강화할 수 있다. 이러한 미세조류 맞춤형 균주 개량 전략은 CCU 기술에 특화된 미세조류 균주 개발에 기여하여, 다양한 산업에서 발생하는 CO2를 활용한 지속 가능한 에너지와 고부가가치 화합물 생산에 중요한 역할을 할 수 있다.

3. 미세조류 실증 공정 연구

   세계 각국에서 미세조류를 대규모로 배양하여 다양한 산업적 응용 가능성을 검증하고 최적화하는 실증 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 실증 규모 CCU 공정에서 반응기에 공급된 CO2는 배양액 내에서 용해, 확산, 흡수 및 고정되는 과정을 거친다. 그러나 이 과정에서 CO2의 낮은 용해도와 제한적인 확산 속도로 인해 CO2 전달율이 저하되는 문제가 발생한다. 특히, 미세조류 배양 시스템에서는 CO2가 기체 상태로 존재하면서 액체 매질로의 전달이 비효율적으로 이루어져, 미세조류의 성장을 제한하는 요인이 된다. 이를 해결하기 위해 다양한 반응기 설계, 예를 들어 광생물반응기 (Photobioreactor, PBR), 버블 컬럼 반응기 (Bubble Column Reactor), 패널형 반응기 (Flat Panel Reactor) 등의 디자인을 최적화하여 CO2의 용해도와 확산 속도를 높이는 방법이 제안되고 있다. 최근에는 마이크로나노버블 (Micro-Nano Bubble, MNB) 기술을 활용하여 CO2 포함 가스를 광생물반응기에 주입함으로써 기체-액체 계면에서 CO2 전달 효율을 크게 향상시킨 연구가 보고되었다 [16]. 이 기술은 기포의 표면적을 증가시켜 CO2의 용해도를 높이고, 미세조류의 성장과 탄소 포집 효율을 개선하는 데 기여하고 있다.

   한편, 미세조류 실증 연구에는 대규모 배양 면적이 필요하기 때문에 주로 옥외배양 방식이 사용되지만, 이 방식에서는 생물학적 오염 문제가 발생할 수 있다. 이는 바이오매스 수확량을 크게 감소시키고 생산된 미세조류 유래 제품의 품질을 저하시킬 수 있는 주요 요인으로 작용한다. 특히 개방형 배양 시스템에서는 넓은 표면적으로 인해 외부 오염물질에 쉽게 노출되므로 이러한 오염 문제를 극복하기 위한 연구가 필수적이다. 예를 들어, 병원성 및 유해 박테리아의 성장을 억제하기 위해 f/2 배지에 프로바이오틱스를 첨가하여 Vibrio alginolyticus의 성장을 효과적으로 억제하는 방법이 제안된 바 있다 [17].

   이와 같은 CCU 기술을 활용한 미세조류 실증 공정 연구는 미세조류 기반 바이오매스 및 유용 물질의 생산을 더욱 경제적이고 효율적으로 이루어지게 하며, 동시에 탄소 배출 저감에도 중요한 역할을 할 수 있다.

3.1 미세조류 광배양 시스템

   연못 형태의 개방형 시스템과 광생물반응기 형태의 폐쇄형 시스템은 모두 CCU 기술 적용 과정에서 각각의 장점을 가진다. 개방형 시스템은 설계와 운영이 간단하고 초기 설치 및 운영 비용이 상대적으로 낮아 대규모로 확장하기에 적합하다. 이러한 시스템은 자연광을 직접 활용할 수 있어 에너지 비용을 절감할 수 있으며, 대기 중 CO2와의 직접적인 접촉을 통해 추가적인 탄소 포집이 가능하다는 이점도 있다. 따라서, 넓은 지역에서 대규모 탄소 포집을 필요로 하는 상황에서는 개방형 시스템이 경제적이고 실용적인 선택이 될 수 있다. 반면, 광생물반응기 형태의 폐쇄형 시스템은 CCU 기술의 적용에서 더욱 정교한 제어와 높은 생산성을 제공한다는 장점이 있다. 폐쇄형 시스템은 환경 조건을 정확하게 제어할 수 있어 기후 변화, 오염, 증발 등의 외부 요인에 의해 영향을 받지 않으며, 이는 안정적인 CO2 포집 및 미세조류 성장에 유리하다. 또한, PBR 시스템은 높은 CO2 용해도와 효율적인 물질 전달을 가능하게 하여 개방형 시스템에 비해 면적 대비 생산성과 체적 생산성이 현저히 높다 [18]. 이러한 높은 효율성은 제한된 공간에서 더 많은 바이오매스를 생산하고, 탄소 포집 및 전환을 극대화할 수 있는 가능성을 제공한다. CCU 기술 적용에서 두 시스템 모두 각각의 장점을 가지지만, 광생물반응기 형태의 폐쇄형 시스템은 더 높은 생산성과 안정성을 제공하여, 특히 고부가가치 바이오매스 생산 및 정밀한 탄소 포집이 필요한 상황에서는 더욱 유리하다.

   미세조류 배양 과정에서 CO2의 탄소 포집 효율을 극대화하기 위해서는 CO2의 용해 속도를 증가시키는 것이 핵심적이다. CO2 용해 속도는 주로 기포의 직경, 기체-액체 접촉 면적, 그리고 반응기 내에서 기포의 체류 시간에 의해 결정된다. 작은 직경의 기포는 기체-액체 계면적을 넓혀 CO2의 용해를 촉진하며, 기포의 총 표면적이 증가할수록 기체와 액체

간의 접촉 면적도 확대되어 CO2 용해 속도가 증가한다. 이러한 특성은 특히 광생물반응기 시스템에서 더욱 두드러지게 나타나며, 이는 폐쇄형 시스템의 높은 효율성에 기여하는 중요한 요소이다. 이에 따라, 최근의 연구에서는 최적의 CO2 용해 속도를 유지하면서 균일한 흐름 패턴, 개선된 혼합 기술, 높은 물질 전달 계수, 낮은 운영 비용 등을 특징으로 하는

에어리프트 형태의 반응기 디자인이 제안되었다. 저가의 폴리프로필렌으로 제작된 에어리프트 박막은 이러한 요구를 충족시키기 위해 개발되었으며, 유체역학적 특성과 체적 물질 전달 계수가 특정화된 C. reinhardtii의 실증 공정 연구에서도 그 효과가 입증되었다 [19]. 또한, 바이오매스 생산성을 극대화하기 위해 버블 특성, 전단 응력 및 물질 전달을 고려한 최적화된 모듈식 확장성을 갖춘 플라스틱 필름 버블 컬럼이 개발되었다. 이 단일 컬럼 모듈은 확장 비용을 절감하면서도 면적당 바이오매스 생산성을 증대시키며, 배기가스에서 CO2를 효과적으로 전환할 수 있는 시스템으로 보고되었다 [20]. 이와 같이, 원활한 물질 전달, 가스 교환의 용이성, 적절한 혼합 시간 및 균일한 광 분포와 같은 기술적 사양들은 반응기 개발에 중요한 요소로 작용하며, 이는 실증 규모의 미세조류 CCU 공정에서 탄소 포집 및 바이오매스 생산의 효과를 극대화하기 위한 필수적인 요소들이다.

3.2 오염 제어

   넓은 배양 면적이 요구되는 미세조류 실증공정에서 확장이 용이한 개방형 배양 시스템이 널리 활용된다. 하지만 개방형 시스템에서 발생하기 쉬운 생물학적 오염은 생산성 저하, 배양 중단, 전체 공정의 제어 부족 등 심각한 문제를 초래할 수 있다. 이러한 생물학적 오염원에는 박테리아, 동물성 플랑크톤, 바이러스 및 기타 미세조류 등이 포함된다 [21]. 이와 같은 생물학적 오염 문제를 해결하기 위해 다양한 오염 제어 전략이 개발되고 있다. 최근 연구에서는 Haematococcus pluvialis 배양 시, 병원성 균류 Paraphysoderma sedebokerensis의 오염을 효과적으로 억제하기 위해 산성 배양 조건이 도입되었다 [22]. 일반적으로 중성 pH 조건에서 배양되는 H. pluvialis는 이러한 균류에 감염되기 쉬우나, 연구에서는 pH 4의 산성 환경을 조성함으로써 균류의 감염을 억제하는 데 성공하였다. 이는 균류의 표면 단백질이 산성 환경에서 변성되어 H. pluvialis를 인식하지 못하게 된 결과로, 해당 전략을 통해 감염률이 크게 감소하고, H.pluvialis의 생장과 아스타잔틴 생산성이 유지될 수 있었다. 생물학적 오염 제어를 위해 산성 조건을 활용한 배양 전략은 오염 문제를 해결하는 데 있어 유용한 접근법으로 간주될 수 있으며, 미세조류 기반 CCU 시스템의 안정성과 효율성을 향상시켜 더 나은 탄소 포집 및 자원 활용을 가능하게 할 것으로 기대된다.

3.3 미세조류 기반 CCU 실증 공정 사례

   고려대학교 심상준 교수 연구팀은 LNG 열병합발전소에서 배출되는 배기가스 CO2를 활용하여 H. pluvialis를 배양하고, 유용물질을 생산하는 실증 공정을 보고하였다. 열병합발전소에서 발생하는 배기가스 CO2 (농도 3~5%, v/v)와 태양광을 이용하여 차아염소산 유래 무균 배양 공정을 통해 H. pluvialis를 성공적으로 배양하였다. 그 결과로 의약품, 건강식품, 화장품, 사료 등에 사용되는 고부가가치 항산화 물질인 3S, 3’S-아스타잔틴과 바이오오일을 성공적으로 생산하였다 [23].

   이 외에도, 석탄 화력 발전소에서 배출되는 배기가스 CO2를 이용하여 대규모 미세조류 배양을 통한 탄소 고정 및 바이오매스 생산이 가능함을 보여주는 사례도 존재한다. 석탄 화력 발전소 인근에 설치된 폴리카보네이트 온실과 고분자 광생물반응기를 사용하여 C. reinhardtii, Chlorella sorokiniana, Neochloris oleoabundans 및 그 돌연변이 균주들이 배양되었다. 이 연구에서 얻어진 바이오매스는 높은 지질 함량과 적합한 연소 특성을 나타내어, 직접 연소 연료로 사용될 가능성이 확인되었다. 이는 대규모 미세조류 배양 시스템이 효율적인 생물학적 CO2 전환을 통해 탄소 배출 저감에 기여할 수 있음을 입증한다 [24].

   이러한 연구들은 환경에 부정적인 영향을 미치는 배기가스 CO2를 미세조류 성장의 탄소 공급원으로 활용하여, 효율적인 생물학적 CO2 전환과 대규모 미세조류 배양 시스템을 통한 대량의 CO2 고정이 가능함을 입증하였다.

4. 맺음말

   미세조류 기반 CCU 기술은 탄소 배출 저감과 고부가가치 물질 생산을 동시에 달성할 수 있는 잠재력을 지닌 혁신적인 접근법이다. 다양한 균주 개발과 최적화된 배양 시스템을 통해 미세조류의 효율성을 극대화하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이를 통해 산업적 적용 가능성이 점차 확대되고 있다. 특히, 배기가스를 활용한 실증 공정은 미세조류의 성장과 탄소 고정에 대한 실제적 데이터를 제공하며, 향후 상업적 도입을 위한 중요한 기반이 된다. 그러나 여전히 경제성, 대규모 적용 가능성, 생물학적 오염 제어 등의 과제가 남아 있으며, 이를 해결하기 위한 지속적인 연구와 기술 개발이 필요하다. 앞으로의 연구는 미세조류 기반 CCU 기술이 보다 널리 적용될 수 있도록, 실용적이고 효율적인 솔루션을 제공하는 데 집중될 것이다. 이를 통해, 지속 가능한 미래를 위한 탄소 관리와 자원 활용의 새로운 길을 개척할 수 있을 것이다. 

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