해양바이오산업신소재연구단
Date 2017-10-09 21:26:49 페이스북으로 보내기 트위터로 보내기 hit 700
차 형 준
연구단장
해양바이오산업신소재연구단
hjcha@postech.ac.kr

연구단 개요


해양바이오산업신소재연구단(Marine BioMaterials Research Center; MBMRC)은 2009년 해양바이오 연구개발 활성화 대책에 근거하여, 2010년 해양신소재 등 고부가가치 핵심기술개발 실용화 연구 강화로 녹색성장의 견인을 추진하고자 국토해양부(현 해양수산부) 지원으로 2010년 12월에 신설되어 2019년 12월까지 해양유래의 바이오산업 원천신소재 연구개발을 통한 실용화 연구를 수행하고 있다.
육상 석유 자원의 고갈과 환경오염 및 기후변화는 인류의 생존에 매우 중요한 문제로 부각되고 있다. 이 문제를 해결하기 위해 육상자원인 화석연료 기반의 산업에서 해양자원인 바이오매스 기반 산업으로 전환하기 위한 많은 연구들이 활발히 진행 중이다. 이는 해양이 지구의 71%에 해당하는 면적 뿐 만 아니라 풍부한 자원의 보고이기 때문이다. 특히 해양생명체의 상업적 이용률은 단지 1% 미만에 그치고 있어서 앞으로 개발 가능성이 매우 높다.

 

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이에 해양바이오산업신소재연구단은 차세대 고부가가치 원천소재 기술 선점 및 확보를 위하여 해양생명체 또는 이들의 생체분자들을 활용하여 인류생활에 유용한 고부가가치, 고기능성 인체용, 화학산업용 소재의 탐색/생산/실용화기술을 개발하는 것을 목표로 하고 있다. 이는 수십만에서 수백만 배의 부가가치 상승이 가능하여 육상자원, 화석원료 기반 산업의 위기를 극복하고, 국가 경쟁력을 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다. 특히, 마지막 단계인 3단계 사업에서는 제4세대 기술혁명이라 불리는 “바이오 시대”로의 산업화 전환 가속화에 능동적으로 대처하고, 고령화 사회 진입과 육상생물자원의 한계를 극복할 수 있는, 미래의 “마린 헬스케어” 및 “마린 바이오리파이너리” 분야의 산업화 원동력으로써의 핵심 실용화 기술을 개발하여, 글로벌 원천산업소재 선진강국으로 도약하기 위한 견인차로서 산업신소재 분야 국가경쟁력 향상을 선도하는 원천소재 실용화 기술을 개발하고자 한다.


연구 필요성
산업화 이후 육상자원의 소비량이 급증하면서, 육상자원 고갈이 중요한 국가적, 경제적, 사회적 이슈로 대두되고 있다. 세계적으로 유용한 자원을 선점하고자 하는 갈등이 점차 심화되고 있는 것이다. 우리나라는 2007년 기준 세계 11위의 무역 강국이다. 하지만 자원의 절대적 부족으로 대부분의 원자재를 수입에 의존하고 있어 리스크가 크다. 또한 화학산업소재의 원료 및 에너지원으로 사용되는 석유, 석탄, 천연가스 등의 화석원료는 연소 시 황산화물, 질소산화물,일산화탄소 등 다양한 환경유해물질을 배출하고 있다. 이는 대기오염, 오존층 파괴, 수질 및 토양 오염을 유발해 많은 사회적 비용을 야기하고 있다.


해양자원/바이오매스 기반 신산업을 통한 기존 산업의 위기 극복
지구 표면의 약 71%를 차지하고 있는 바다는 인류가 필요로 하는 다양한 자원을 가지고 있다. 특히 거대해조류, 미세해조류를 이용한 바이오 에너지 생산은 육상자원, 화석원료의 고갈에 따른 에너지 위기 및 지구온난화를 극복하는 대안이 될 수 있다. 해수에는 엄청난 양의 염분과 더불어, 금, 백금, 우라늄, 몰리브덴, 리튬 등 대부분의 유용한 원소가 막대하게 용존돼 있고, 해저에는 망간, 니켈, 코발트, 철, 구리, 아연 등의 엄청난 양의 광물자원이 매장돼 있다. 이와함께 국가산업의 견인차 역할을 하는 고부가가치 원천소재의 확보가 해양에서 용이할 것으로 판단되며, 현재까지 해양자원으로부터의 제품화 성공률(1/6000)은 육상자원의 두 배에 달하고 있다. 또한 지금껏 전체 지구 생명체의 80%를 차지하고 있는 해양생명체의 상업적 이용은 단지 1% 미만에 그치고 있는 실정이어서, 기술개발 성공 시 원천 기술 확보에 의한 그 경제적 가치는 매우 높다고 할 수 있다.

 

해양자원/바이오매스 이용한 해양바이오신소재 기술 개발
최근 바다를 신의약 및 신소재 개발을 위한 원천소재 확보의 장으로 활용하기 위한 연구가 세계적으로 활발히 진행 중이다. 우리나라도 해양수산부를 중심으로 해양생명공학 관련 연구개발이 본격적으로 추진되고 있지만 해양바이오소재 실용화의 필수조건인 원천 기술이 부족한 상황이다. 지금까지 식품, 화장품, 의약품, 에너지용 해양 소재개발을 중심으로 연구를 진행해 왔으나, 인체용 및 화학산업용으로 활용 가능한 바이오신소재에 대한 연구와 정부 지원은 상대적으로 매우 미흡했다고 볼 수 있다.

 

해양바이오산업신소재 기술의 특성
해양바이오산업신소재 기술은 높은 기술성숙도와 자본이 요구되는 대표적인 하이리스크 하이리턴(High-Risk,High-Return) 연구개발 분야다. 그렇기에 해양생물의 특성, 즉해양생물 확보를 위한 접근의 제한성, 해양생물의 다양성, 해양환경 및 해양생태계의 특이성 등에 기초해 기존 생명공학 연구와 차별화된 전략적 연구 추진이 필요하다. 해양생물은 육상생물과 기본적인 구조나 기능은 비슷하지만 수중환경에 적응하기 위한 독특한 특징을 갖고 있다. 해양에서는 친냉성, 빈영양성, 친압성, 호염성 등의 특성을 지닌 해양미생물이나 해조류, 해양동물 등이 존재한다. 또한 해양생물에는 지금까지 알려지지 않았던 유용한 유전자원이 존재할 것으로 판단돼, 다양한 고부가가치 기능성 소재의 자원이 될 것으로 예상된다.


국내 해양바이오산업신소재 기술의 현주소
우리나라의 해양바이오산업신소재 개발기술은 2007년 기준 선진국 대비 약 51% 기술수준이다. 미국, 일본, 유럽 등 해양선진국의 경우, 해양자원의 단순가공소재 개발을 포함한 의약품 및 고부가가치 산업용 소재 개발에 연구 영역을 확장하고 있다. 이에 반해, 우리나라의 해양바이오산업신소재 개발기술은 주로 효소 및 해양 유래 다당류 분야에 치우쳐 있으며, 다른 소재들에 대한 연구는 기초적인 수준의 활용에 머물러 있는 경우가 많다. 문제는 해양 유래 다당류 연구의 경우에도 건강보조식품이나 향장 제품 등의 저부가가치 소재에 치우쳐 있다는 것이다. 또한 해양바이오산업신소재의 효율적 개발을 위한 다학제적 우수 연구 인력 및 기술이 부족해 협력·융합 연구와 인프라 구축이 선진국에 비해 상대적으로 취약하다. 이에 최근 정부는 해양자원에 대한 중요성을 인식, ‘해양생명공학육성기본계획’을 수립하는 등 육성의지를 표명하고 있다. 결론적으로, 우리나라의 해양바이오산업신소재 연구는 ‘기술개발의 도입 및 발전 단계’에 위치한다고 볼 수 있다.


해양신소재 원천기술 선점 나설 때
최근 국가 간 산업 경쟁력의 원천이 부품/완제품 위주에서 원천소재 확보로 변경되고 있다. 미국, 일본 등의 선진국들은 핵심소재의 개발과 확보에 국가역량을 집중시키고 있는 추세이다. 우리나라는 현재 선진국 대비 기술력 및 전문인력 등의 부족으로 소재 산업이 상대적으로 취약한 것이 사실이다. 그러나 기술 진입 장벽이 낮은 해양신소재 원천 기술개발을 통해 차세대 고부가가치 원천소재기술을 선점할 수 있는 돌파구는 아직 열려 있다. 2010년 말 출범한 해양바이오산업신소재연구단은 본격적으로 해양생명체 유래의 산업바이오 원천소재 및 원천생산기술 개발 연구를 수행하고 있다.

 

연구 분야
해양바이오산업신소재연구단에서는 해양바이오신소재 해양선진강국으로의 도약을 위하여 크게 ‘해양섬유·복합소재’와 ‘해양바이오플라스틱소재’라는 두 개의 분야로 나누어 중점적으로 연구하고 있다.

해양섬유·복합소재 분야에서는 지난 2단계 연구성과인 해양 실크단백질, 해양 접착단백질, 해양 키틴 나노섬유, 해양 바이오미네랄을 기반으로 마린 헬스케어 제품인 지혈제, 차폐막, 골이식재를 개발하는 연구를 수행하는 중이다.

 

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그림 1. 본 기술개발 사업을 통한 해양섬유복합소재 연구 개발 모식도

 

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 그림 2. 본 기술개발 사업을 통한 해양바이오플라스틱소재 연구 개발 모식도

 

해양바이오플라스틱소재 분야에서는 해양바이오매스 또는 해양생명체의 생물전환 및 대사·발효공정을 이용하여 얻어지는 바이오플라스틱 단량체 및 이로부터 화학적 또는 생물학적 방법에 의해 생산되는, 의료 및 화학산업용 고분자물질인 장쇄 폴리에스터/나일론을 개발하는 연구를 수행하는 중이다.


연구 성과
해양바이오산업신소재연구단은 지금까지 △SCI급 국제학술지 150여편 △국내·외 특허출원 120여건 △국내·외 특허등록 50여건, △기술이전 8건의 성과를 달성하였으며, 2건의 기술사업화에도 성공한 바가 있다.


활용과 기대효과
해양바이오산업신소재연구단의 성공적인 수행은 차세대 고부가가치 원천소재 및 기술의 선점으로 이어지며, 관련산업은 고부가가치 거대 인프라 산업으로서 지속가능한 신성장 동력확보를 통해 국가경쟁력 향상에 크게 기여할 것이다. 또한, 성공적인 원천기술 개발은 고부가가치 인체용 및 화학산업용 기능성 소재로의 폭넓은 활용이 기대되어 멀지않은 미래에 우리의 삶의 질을 바꾸어 놓을 것으로 기대한다.

 

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그림 3. 해양바이오산업신소재의 미래 실생활에의 활용 전망