1. 서론

   발효를 통해 제조되는 물질 중에 가장 잘 알려진 것은 에탄올이며, 2022년 기준 연간 약 1억톤의 발효 유래 에탄올이 전 세계에서 생산되고 있다 [1]. 아미노산은 아마도 에탄올 다음으로 가장 많이 생산되는 발효 유래 물질일 것이다. 아미노산의 연간 총 생산량은 약 1,000만 톤으로 추산된다. 향미증진제로 많이 사용되는 글루탐산나트륨 (MSG)은 중국 내에서만 전 세계 생산량의 80%가 제조되고 있으며 [2], 2020년 기준으로 중국 내에서 연간 약 300만톤이 발효를 이용하여 생산되고 있다 [3]. 가축 사료 첨가제로 많이 사용되는 라이신은 2022년 기준 연간 약 300만톤이 발효를 이용하여 생산되고 있다 [4]. 마찬가지로, 가축 사료 첨가제로 많이 사용되는 메티오닌은 2018년 기준 연간 약 170만톤이 생산되고 있다 [5]. 다만, 현재 대부분의 메티오닌은 화학 합성 유래인 DL-메티오닌 형태로 제조되고 있으며, CJ 제일제당에서 유일하게 발효 유래인 L-메티오닌 형태로 연간 18만톤을 산업적으로 제조하고 있다. 그 밖에도 CJ 제일제당에서는 쓰레오닌, 트립토판, 발린, 이소루이신, 알지닌, 히스티딘, 시스테인 등의 발효 유래 아미노산들을 산업적으로 생산하고 있다. 이와 같이 다양한 종류의 아미노산들이 많은 생산량을 가지고 있다는 것은 환경에 미치는 영향력이 크다는 의미가 된다. 본 연구에서는 CJ 제일제당에서 최근 진행하고 있는 연구 결과를 중심으로 산업용 아미노산 공정에서 CO2 절감을 위한 친환경 공정 개발 동향을 소개하고자 한다.

2. 본론 

2.1. 발효 유래 대체 물질 개발 

   기존 물질을 발효 유래 물질로 대체하는 시도는 대표적인 친환경 공정 연구 사례라 할 수 있으며, 화학 합성 유래 DL-메티오닌을 발효 유래 L-메티오닌으로 대체하는 것이 대표적인 사례이다. 메티오닌은 주로 화석 연료에서 유래한 합성 혼합물인 DL-메티오닌으로 제조되지만, 이는 상당한 온실가스를 배출하고 화석 자원 고갈을 유발한다. 반면 발효 공정으로 생산되는 L-메티오닌은 대기 중의 CO2 를 흡수하여 성장한 바이오매스로부터 제조되므로 지속가능성 측면에 서 많은 연구가 되어 왔다. 그 중에서 발효 유래 L-메티오닌의 실제 산업화 사례는 그림 1에 나타낸 CJ 제일제당의 말레 이시아 컬티 플랜트가 유일하다 [6]. 

   해당 플랜트에서는 미생물 발효를 이용하여 O-아세틸-L-호모세린을 전구체로서 먼저 생산하고, 이후에 기체 상태의 황 공급원을 효소 전환 반응에 공급하여, 최종적으로 L-메티오닌을 생산하고 있다. 부산물로서 제조되는 황산암모늄 및 아세트산암모늄을 플랜트 근처의 야자수 및 벼 농장에 비료로 공급하여 지속가능한 친환경 순환 경제 체제를 구축하였 다. 또한 L-메티오닌은 DL-메티오닌에 비해 닭이나 돼지에 대한 생체이용률이 높은 것으로 동물 사양실험을 통해 밝혀 지고 있다. 이러한 결과를 종합했을 때, 최근 완료된 전 생애주기 평가 (life cycle assessments, LCA) 연구에서는 L-메티 오닌과 DL-메티오닌의 지구 온난화 잠재력 (global warming potential, GWP)이 각각 0.79−0.92 kg CO2 /kg L-MET과 2.60−3.32 kg CO2 /kg DL-MET으로 분석되었다 [7]. 이는 L-메티오닌을 생산할 때 발생하는 CO2 는 DL-메티오닌을 생 산할 때 발생하는 CO2 의 오직 23.8−35.4 %에 불구하다는 것을 의미한다. 그림 2는 이러한 LCA 연구 결과를 기반으로 제작한 L-메티오닌의 홍보물이다. 

그림 1. 발효 유래 L-메티오닌 제조 플랜트 전경. 

   그 밖에 CJ BIO에서는 오리털을 원료로 하여 다량의 오염 물질 배출이 수반되는 염산 가수 분해 공법으로 생산되던 L-시스테인을 친환경적인 발효 유래의 천연 L-시스테인으로 대체하는 상업적 공정을 개발하였다 [8]. 비록 아미노산은 아니지만, 기존의 미분해성 플라 스틱을 대체할 수 있는 친환경 생분해 플라스틱인 폴 리하이드록시알카노에이트 (polyhydroxyalkanoate, PHA)의 상업화도 유사한 성격의 성공 사례라 할 수 있 다. 특히 사탕수수를 이용하여 제조한 비정형 PHA의 GWP는 0.86−1.59 kg CO2 /kg aPHA로 화석 연료로 제 조한 플라스틱에 비해 친환경적임이 LCA 연구를 통해 보고되었다 [9]. 

그림 2. LCA 결과를 바탕으로 작성된 L-메티오닌의 친환경성 을 강조하는 홍보물.

2.2. 전해질 부산물의 발효 공정 재활용 

   아미노산을 생산할 때는 아세트산, 인산 등의 전해질 부산물이 다량 발생하게 된다. 이러한 전해질 부산물을 지속 가 능하게 처리하는 것은 발효 유래 아미노산 제조의 친환경성 뿐만 아니라 경제성 개선에도 도움이 될 수 있다. 그림 3에 서 볼 수 있는 것처럼, L-메티오닌은 발효로 제조된 O-아세틸-L-호모세린의 효소 반응에 의해 생성되며, 효소 반응의 부산물로 아세트산이 다량 발생한다. 이 때 발생하는 아세트산은 암모니아와 반응시켜 아세트산암모늄 형태로 전환되 고 역삼투막 (reverse osmosis, RO) 및 증발 공정을 활용하여 농축 후 O-아세틸-L-호모세린 발효에 재사용하는 공정이 최근 개발되었다 [10]. 특히 정교한 공정 모델링 작업 및 현장 운전 데이터 검증을 통해 아세트산암모늄을 농축하기 위한 다중 증발기에서 아세트산과 암모니아의 몰 비율이 동일하고, 공급 농도가 높으며, 공급 유량이 낮고, 증발기 온도가 낮을 때 더 경제적이라는 것을 최근 연구에서 확인하였다 [11]. 

그림 3. L-메티오닌 제조 및 아세트산 부산물 재사용 공정도.
 

   그림 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 시스테인은 발효로 제조된 O-포스포-L-세린 (O-phospho-L-serine, OPS)의 효소 반 응에 의해 생성되며, 효소 반응의 부산물로 인산이 발생한다. L-시스테인의 분리정제에는 유사이동층 (simulated moving bed, SMB) 장치가 사용되는데 이 때 추잔상 (raffinate)으로 배출되는 이수소 인산염 (dihydrogen phosphate salt) 을 암모니아와 반응시켜, 일수소 인삼염 (hydrogen phosphate salt) 형태로 회수하여 OPS 발효로 재사용하는 공정이 개 발되었다 [12]. 이러한 전해질 부산물의 발효 공정 재사용에 의해 원가 절감, GWP 개선, 폐기물 저감 효과 등을 얻을 수 있었다. 

그림 4. L-시스테인 제조 및 인산 부산물 재사용 공정도. 

2.3. 재구성 가능한 생산 체계 적용 

   재구성 가능한 제조 시스템 (reconfigurable manufacturing system)는 신속하고 효율적인 제조 공정 변화를 위해 설계 된 제조 시스템으로, CO2 배출을 줄일 수 있는 혁신적인 새로운 제조 패러다임으로도 주목받고 있다. 아미노산의 시장 수요는 탄소 공급원, 질소 공급원, 단백질 원료, 다른 아미노산 경쟁재의 가격 변동에 많은 영향을 받으며, 국제 분쟁, 기후변화, 자연재해와 같은 예측할 수 없는 사회적 환경적 변화가 시장 수요를 변화시킬 수 있다. 따라서 재구성 가능한 제조 시스템의 도입의 아미노산 산업에 긍정적인 영향을 줄 것으로 예상된다. 특히 금전적 영향 뿐만 아니라 환경적 영 향까지 최적화 목적 함수에 함께 도입하여, 생산 공정의 최적화를 즉각적으로 수행하는 것이 가능해질 것이다. 

   아미노산 균체를 제거하기 위한 막분리 공정의 다단 (cascade) 구성에 재구성 가능한 제조 시스템을 적용하는 연구가 라이신, 알지닌, 트립토판 공정액을 대상으로 최근 수행되었다 [13]. 그림 5는 모듈의 개수 (N)가 8개인 막분리 공정을 투과액 단계, 투과액 순환 단계, 정용여과 (diafiltration) 단계로 나누었을 때, 존재 가능한 모든 구성에 대한 경우의 수를 나타낸다. 여기서 모든 경우의 수는 (N-1)(N-2)/2로 계산할 수 있다. 민감도 분석 결과에 따르면 전체 공급 유량이 증가하고 투과 유속이 감소하여 막의 용량이 제한될 때, 투과액 순환 단계에 속하는 모듈의 수를 늘려주는 구성이 효과적임 이 보고되었다. 막분리 단계의 경제성은 주로 높은 단위 공정 수율 증가와 희석되는 정용여과 용매 감소에 의해 결정되 며, 이러한 개선 방향은 제조 공정의 CO2 배출 감소로 이어진다. 

그림 5. 모듈의 개수 (N)가 8개인 막분리 공정의 존재 가능한 모든 구성에 대한 경우의 수 예시. 

   아미노산 공정액에서 물을 제거하기 위한 다중 효용 증발 공정과 후단에 위치한 증발 결정화 공정으로 구성된 시스 템에서 재구성 가능한 제조 시스템을 적용하는 연구가 쓰레오닌 및 발린 공정액을 대상으로 최근 수행되었다 [14]. 그 림 6은 증발기의 개수 (N)가 5개인 다중 효용 증발 공정에서 존재 가능한 모든 구성의 경우의 수를 나타낸다. 여기서 모 든 경우의 수는 N!로 계산할 수 있다. 용해도 제한과 스케일링에 의해 제약 받는 증발 용량을 검토했을 때, 생산성을 저 해하지 않으면서 스팀 소비를 최소화할 수 있는 최적의 구성은 생산하는 제품의 종류와 공정의 조건에 따라 다양하게 달라질 수 있음이 입증되다. 표준화된 구성에 비해 재구성 가능한 구성을 도입하면 에너지 효율이 7.3−8.4% 개선될 수 있음을 확인할 수 있었다. 

2.4. 아미노산 과립 제형 개발 

   사료 첨가제용 아미노산의 과립화는 일반적으로 증발과 건조 공정 만으로 이루어지며, 분리 정제 공정이 최소화됨으 로써 정제 수율을 극대화할 수 있다. 그 결과, 아미노산의 과립화는 CO2 및 폐기물 배출을 최소화할 수 있는 친환경적 인 제품 생산을 가능하게 한다. 본래 아미노산 중에 과립화 제품은 라이신에만 적용되었으나, CJ 제일제당에서는 세계 최초로 쓰레오닌과 트립토판 과립의 상업화 에 성공하였다 [15]. 그림 7은 일반적인 결 정 형태의 트립토판 분말 제형과 트립토판 과립 제형의 현미경 사진이다. 분말 트립토 판과 과립 트립토판의 자연 충진 밀도는 각 각 335.4 g/L와 623.5 g/L, 안식각은 각각 56˚ 와 28˚, 평균 입도는 각각 100 μm 이 하와 약 350 μm였다. 이러한 결과는 과립 트립토판이 분말 트립토판에 비해 친환경성 뿐만 아니라 저장, 운송, 공정 흐름성 등의 품질 측면에서도 유리함을 의미한다. 

그림 6. 증발기의 개수 (N)가 5개인 다중 효용 증발 공정의 존재 가능한 모든 구성에 대한 경우의 수 예시. 

그림 7. 트립토판 분말 (좌) 및 트립토판 과립 (우) 제형 현미경 사진. 

3. 결론

   아미노산은 연간 약 1,000만 톤이 생산되는 물질로서, 아미노산 생산에서 CO2 배출을 감소시키는 활동은 환경적 측 면에서 매우 중요하다. L-메티오닌과 L-시스테인의 사례처럼, CO2 배출량이 큰 기존의 물질을 발효 유래 물질로 대체 하는 연구는 제품의 지속 가능성을 개선하는데 큰 기여를 하게 될 것이다. 기존에 부산물로 배출되는 아세트산, 인산과 같은 전해질을 회수하여 발효 공정에 재사용하는 공법을 개발하는 것은 폐기물 저감을 통한 친환경성 개선 뿐만 아니 라 원부재료 저감을 통한 경제성 개선에도 도움이 될 것이다. 재구성 가능한 생산 체계를 바이오 공정에 구축하면, 제품 의 회수율을 높이고 에너지를 효율화하는 방향으로 공정의 즉각적인 변화가 가능해지기 때문에, 지속 가능한 생산 공 정을 개발하는데 주요한 솔루션을 제공할 것이라 기대된다. 아미노산 제품의 과립화는 과도한 분리정제 단위 공정들을 적용하지 않고, CO2 및 폐기물 배출을 최소화할 수 있는 친환경적인 공법이며, 기존 분말 제품에 비해 제품의 저장, 운 송, 공정 흐름성 측면에서 품질 또한 개선할 수 있게 될 것이다.

참고문헌

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2. D. Yang, X. Jia, M. Dang, F. Han, F. Shi, H. Tanikawa, J. J. Klemeš, Life cycle assessment of cleaner production measures in monosodium glutamate production: A case study in China, J. Clean. Prod., 270 (2020), 122126

3. J. Ding, X. Hu, Z. Feng, L. Dong, Environmental life cycle assessment of monosodium glutamate production in China: Based on the progress of cleaner production in recent ten years, Sci. Total Environ., 818 (2022), 151706 

4. S. Malla, E. van der Helm, B. Darbani, S. Wieschalka, J. Förster, I. Borodina, M. O. A. Sommer, A novel efficient L-lysine exporter identified by functional metagenomics, Front. Microbiol., 13 (2022)

5. S. Calderon-Ardila, D. Morvan, O. Péruch, V. Bellière-Baca, M. Dusselier, B. F. Sels, Methionine and its hydroxy analogues: the paths toward their sustainable chemical synthesis, Green Chem., 26 (2024), 4242−4269

6. S. Y. Kim, K. M. Cho, Y. U. Shin, H. W. Um, K. O. Choi, J. S. Chang, Y. W. Cho, Y. H. Park, Microorganism producing L-methionine precursor and method of producing L-methionine and organic acid from L-methionine precursor, US Patent 8426171B2 (2013)

7. H. Kim, B. Saremi, S. Park, M. Jung, Y. Yun, J. Son, J. Lee, J.-W. Kim, W. Won, Comparative life cycle assessment for the sustainable production of fermentation-based L-methionine, J. Clean. Prod., 462 (2024), 142700

8. J.-W. Kim, J. M. Lee, S.-H. Jo, I. C. Kim, I. S. Lee, J. Y. Jung, Method for preparing natural L-cysteine hydrochloride hydrate crystals by continuous chromatography, US Patent 11427537B2 (2022)

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10. 박우형, 홍순원, 황인석, 홍석빈, 김준우, 아세트산을 발효액 또는 발효 폐액으로부터 회수 및 재사용하는 방법, 한국특허 출원번호 10-2023-0018840 (2023)

11. W. H. Park, C. Park, J. Lee, I.-J. Choi, D.-H. Kim, J.-W. Kim, Comparative analysis of multi-effect evaporators in an ammonium acetate concentration process for L-methionine production, Sep. Purif. Technol., 354 (3) (2025) 128938

12. 김준우, 김재익, 김일출, 이인성, 강승훈, 김민섭, 이강훈, 이승제, 이충권, 정준영, 인산을 발효액 또는 발효 폐액으로부터 회수 및 재사용하는 방법, 한국특허 등록번호 10-2025867 (2019)

13. H. S. Choi, C. K. Lee, J. Y. Jung, W. H. Park, K. Kim, H. Han, S. T. Park, G.-S. Park, Y. S. Lee, J.-W. Kim, Operational strategy of reconfigurable membrane process for bio-based amino acid production, Sep. Purif. Technol., 336 (2024) 126272

14. J.-W. Kim, W. H. Park, C. Park, J. S. Rim, G. H. Kim, J. Y. Jung, J.-K. Kim, Operational strategy of reconfigurable multi effect evaporation processes for bio-based amino acid production, Ind. Eng. Chem. Res. 63 (29) (2024) 12902−12915

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