위스콘신-매디슨 대학(University of Wisconsin-Madison)의 연구진은 리그닌(바이오매스 폐기물)을 간단한 화학 물질로 변환시킬 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이런 혁신은 석유 기반의 연료와 화학물질을 재생 가능한 생체 재료로 대체하는데 중요한 역할을 할 것이다.

리그닌은 나무와 옥수숫대로 만들어진 물질이고, 이것은 생물계에 존재하는 유기 탄소의 거의 30%를 차지한다. 리그닌은 제지 산업의 폐기물이다. 여기서 셀룰로오스는 가치 있는 제품이다. “리그닌은 낮은 수준의 연료로 사용될 수 있지만, 바이오연료가 실제로 사용된다면, 우리는 리그닌에서 더 가치 있는 것을 얻을 수 있을 것”이라고 Stahl은 말했다.

리그닌은 6개의 탄소 고리 사슬을 함유하는 복합 재료이다. 이런 고리는 “방향족”이라고 불리고, 리그닌의 사슬이 개별 단위로 나누어질 수 있다면 유용한 화학물질의 지속 가능한 공급을 위한 기초가 된다.

“리그닌은 방향족 화합물을 포함하는 재생 가능한 원료”라고 Stahi가 말했다. “방향족 화합물은 플라스틱 음료수 병에서부터 농약, 의약품, 방탄복까지 많은 분야에 적용될 수 있다. 현재, 방향족 화합물은 석유에서 거의 추출된다. 우리는 리그닌을 고부가가치 재료로 전환시킬 수 있는 경제적인 방법을 찾으려고 노력하고 있다”고 Stahl은 덧붙였다.  

불운하게도, 리그닌은 유용한 서브유닛(subunit)을 비용 효율적인 방식으로 부수는 것을 어렵게 한다. “사람들은 다음과 같은 격언을 떠오를 것이다: 당신은 리그닌으로 돈을 제외하는 모든 것을 만들 수 있다”고 그가 말했다.

이 연구결과는 이런 인식을 변경시킬 수 있다. 오대호 바이오에너지연구센터(Great Lakes Bioenergy Research Center)로부터 자금이 지원된 이 연구에서, 이번 연구진은 온화한 조건 하에서 약산으로 처리하고 산소에 리그닌을 노출함으로써 높은 수율의 방향족 화합물을 달성할 수 있다는 것을 증명했다.

“산화 단계는 리그닌 사슬 속의 연결을 약화시킨다”고 이 논문의 제 1 저자인 Alireza Rahimi가 말했다. 초기 산소 처리 단계는 작년에 Rahimi와 Stahl에 의해서 보고되었다. “산은 이런 연결을 부순다.” 이번 연구진은 리그닌을 분해하기 위해서 다양한 방법을 모색했다. “예를 들어, 과산화수소는 리그닌을 잘 분해하지만, 방향족 화합물의 일부도 분해한다.”

산성 조건 하에서 다양한 시도를 했다. “이런 조건 하에서, 방향족 화합물은 이전에서 관찰된 것보다 상당히 더 높은 수율로 형성되었다”고 Rahimi가 말했다.

모든 프로세스는 경제적이지만, 금속에 이 프로세스를 사용하지 못하는 것은 몇 개의 단점 중 하나이다. 상당히 낮은 온도(110℃/230℉)와 낮은 압력을 가진 온화한 조건들은 고가의 금속 촉매의 필요성을 결여시키고, 이것은 이 프로세스가 많은 다른 분야에 적용할 수 있게 한다.

이번 연구진은 이 프로세스로 달성한 화학물질이 실제 시장에서 가치를 가지기 전에 추가적인 조작이 필요할 것이라고 말했다. "리그닌은 복잡한 폴리머이고, 우리는 이 프로세스의 제품들을 확인하는 것이 얼마나 쉬운지를 알지 못했다”고 Josh Coon이 말했다. 이번 연구진은 특정 화학물질을 파악할 수 있는 기술을 가졌고, 제조된 혼합물이 천연 리그닌 속의 서브유닛의 분포와 일치한다는 것을 증명했다.

이번 연구진은 환경적인 영향을 감소하면서 연료 또는 화학물질을 제조하기 위한 원재료로서 석유보다 재생 가능한 바이오매스를 사용하는 차세대 “바이오정제(biorefineries)”의 핵심으로 리그닌을 제시했다. “이 분야의 대부분의 관심은 셀룰로오스이지만, 나는 리그닌의 가치를 재조명하지 않으면 석유와 경쟁할 수 없을 것이라고 생각한다.” 이 연구결과는 저널 Nature에 “Formic-acid-induced depolymerization of oxidized lignin to aromatics”라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/nature13867).

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』