플라스틱 원료 생합성 성공, 산업 화학물질 대량생산 가능성 열어 폴리에스터 섬유, PET병 등의 주원료로 쓰이는 범용 화학물질 테레프탈산 현재 산업계는 주로 테레프탈산의 주 원재료이며 폴리에스테르 등 합성섬유, PET(PET병 원료) 등 합성수지의 원료인 파라자일렌 산화 화학공정을 통해 제조(95mol% 이상의 전환 효율) 테레프탈산을 제조하고 있다. 유독성 금속 촉매(망간, 코발트 등) 사용 및 고온 고압의 환원반응을 통해 정제하는 것이다. 이처럼 테레프탈산은 산업적으로 화학공정을 통해 제조(생산 효율 95mol%)되고 있으나 이러한 공정은 에너지 소모가 많고 유독성 촉매를 사용함으로써 환경 친화적이지 못한 단점이 있다. 정부의 글로벌프론티어사업(지능형바이오시스템설계및합성연구단)을 수행한 한국과학기술원(KAIST) 이상엽 교수팀은 세계 최초로 대장균을 이용, 폴리에스터 섬유 등의 주원료로 사용되는 테레프탈산을 생합성하는 데 성공했다. 이번에 개발된 대장균을 통한 테레프탈산 생산은 친환경적 방법으로 현 생산효율 이상(생산 효율 97mol%)의 생산이 가능하다.미래창조과학부에 따르면 이번 연구결과는 섬유에서 PET병, 자동차 부품까지 폭넓게 사용되는 테레프탈산을 미생물을 활용한 친환경적인 방법으로 대량생산할 수 있다는 점에서 큰 의미를 갖는다. 연구팀은 파라자일렌을 테레프탈산으로 전환시킬 수 있는 야생형 균주에 관한 초기 연구를 기반으로 해 파라자일렌을 테레프탈산으로 생체전환하기 위한 합성 대사경로를 설계했다. 새로 제작 된 경로를 통해 파라자일렌으로부터 테레프탈산을 생산하는 데에는 성공했으나, 부산물이 축적되는 문제점(생산효율 저하)을 확인 하고 이를 해결하기 위해 대사 경로내에 인위적으로 도입된 새로운 유전자의 발현 정도를 다르게 조절 해 가장 효율적으로 생산 할 수 있는 시스템을 개발 했다.연구팀은 발효액을 유기층과 세포층으로 나누는 이상발효 시스템의 최적화로, 세계 최초로 유기층에 공급되는 8.8 g의 파라자일렌으로 부터 13.3 g의 테레프탈산을 유가식 배양을 통해 생산하는데 성공했다. 파라자일렌으로부터 테레프탈산의 전환 수율은 97mol%로, 화학공정이 파라자일렌으로부터 95mol%의 전환 수율을 가지는 것과 비교 할 때 매우 높은 생산 수율을 달성했다.생물학기반 테레프탈산 생산 기술은 망간, 납사(naphtha), 제올라이트, 고체 인산과 같은 중금속 촉매 또는 독성 화학 물질을 사용하지 않고 생산이 가능하며, 제거 가능한 부산물 형성 (균주 및 공정 최적화를 통해 100 % 전환 효율 달성도 가능할 것으로 전망됨) 및 100 % 환경 친화적인 기술이라는 점에서 다양한 이점을 제공한다. 이 연구는 대사공학을 이용해 조작한 대장균의 발효를 통해 파라자일렌으로 부터 테레프탈산을 생산한 미생물 생명공학응용의 성공적인 사례다.이상엽 교수는“이번 연구는 대장균을 이용해 폴리에스터 섬유, PET 제조 등에 사용되는 테레프탈산을 생합성 함에 따라 생물학적 방법을 통한 산업 화학물질의 대량생산 가능성을 보여 주었고, 이는 탄화수소를 화학공정 없이 친환경적으로 전환할 수 있는 획기적 돌파구가 될 것이라는 점에서 큰 의미를 가진다”고 말했다.

플라스틱 원료 생합성 성공, 산업 화학물질 대량생산 가능성 열어

폴리에스터 섬유, PET병 등의 주원료로 쓰이는 범용 화학물질 테레프탈산

기사입력 2017-06-06 08:15:59

[산업일보]

현재 산업계는 주로 테레프탈산의 주 원재료이며 폴리에스테르 등 합성섬유, PET(PET병 원료) 등 합성수지의 원료인 파라자일렌 산화 화학공정을 통해 제조(95mol% 이상의 전환 효율) 테레프탈산을 제조하고 있다. 유독성 금속 촉매(망간, 코발트 등) 사용 및 고온 고압의 환원반응을 통해 정제하는 것이다. 이처럼 테레프탈산은 산업적으로 화학공정을 통해 제조(생산 효율 95mol%)되고 있으나 이러한 공정은 에너지 소모가 많고 유독성 촉매를 사용함으로써 환경 친화적이지 못한 단점이 있다.

대장균을 이용한 파라자일렌으로부터 테레프탈산 바이오전환 전체 개념도

정부의 글로벌프론티어사업(지능형바이오시스템설계및합성연구단)을 수행한 한국과학기술원(KAIST) 이상엽 교수팀은 세계 최초로 대장균을 이용, 폴리에스터 섬유 등의 주원료로 사용되는 테레프탈산을 생합성하는 데 성공했다.

이번에 개발된 대장균을 통한 테레프탈산 생산은 친환경적 방법으로 현 생산효율 이상(생산 효율 97mol%)의 생산이 가능하다.

미래창조과학부에 따르면 이번 연구결과는 섬유에서 PET병, 자동차 부품까지 폭넓게 사용되는 테레프탈산을 미생물을 활용한 친환경적인 방법으로 대량생산할 수 있다는 점에서 큰 의미를 갖는다.

연구팀은 파라자일렌을 테레프탈산으로 전환시킬 수 있는 야생형 균주에 관한 초기 연구를 기반으로 해 파라자일렌을 테레프탈산으로 생체전환하기 위한 합성 대사경로를 설계했다.

새로 제작 된 경로를 통해 파라자일렌으로부터 테레프탈산을 생산하는 데에는 성공했으나, 부산물이 축적되는 문제점(생산효율 저하)을 확인 하고 이를 해결하기 위해 대사 경로내에 인위적으로 도입된 새로운 유전자의 발현 정도를 다르게 조절 해 가장 효율적으로 생산 할 수 있는 시스템을 개발 했다.

연구팀은 발효액을 유기층과 세포층으로 나누는 이상발효 시스템의 최적화로, 세계 최초로 유기층에 공급되는 8.8 g의 파라자일렌으로 부터 13.3 g의 테레프탈산을 유가식 배양을 통해 생산하는데 성공했다. 파라자일렌으로부터 테레프탈산의 전환 수율은 97mol%로, 화학공정이 파라자일렌으로부터 95mol%의 전환 수율을 가지는 것과 비교 할 때 매우 높은 생산 수율을 달성했다.

생물학기반 테레프탈산 생산 기술은 망간, 납사(naphtha), 제올라이트, 고체 인산과 같은 중금속 촉매 또는 독성 화학 물질을 사용하지 않고 생산이 가능하며, 제거 가능한 부산물 형성 (균주 및 공정 최적화를 통해 100 % 전환 효율 달성도 가능할 것으로 전망됨) 및 100 % 환경 친화적인 기술이라는 점에서 다양한 이점을 제공한다. 이 연구는 대사공학을 이용해 조작한 대장균의 발효를 통해 파라자일렌으로 부터 테레프탈산을 생산한 미생물 생명공학응용의 성공적인 사례다.

이상엽 교수는“이번 연구는 대장균을 이용해 폴리에스터 섬유, PET 제조 등에 사용되는 테레프탈산을 생합성 함에 따라 생물학적 방법을 통한 산업 화학물질의 대량생산 가능성을 보여 주었고, 이는 탄화수소를 화학공정 없이 친환경적으로 전환할 수 있는 획기적 돌파구가 될 것이라는 점에서 큰 의미를 가진다”고 말했다.

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김인환 기자 kih2711@kidd.co.kr

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