“이중 탄소” 목표에 따라 일련의 이행 지침이 도입되면서, 신흥 블루오션 분야에서 막대한 잠재력이 드러나고 있습니다. 탄소 중립 달성은 에너지 생산, 에너지 소비, 자원 재활용이라는 세 가지 주요 방향에서 접근할 수 있습니다. 예를 들어, 비재생 에너지인 석유를 청정 에너지로 대체하고, CO₂ 배출량이 적은 생산 공정과 장비를 도입하며, 기존 플라스틱 제품을 재활용 및 재사용하는 것이 있습니다. 이러한 다양한 경로 중에서도 합성 생물학은 특히 유망한 분야로 주목받고 있습니다.
합성 생물학의 새로운 블루오션
전 세계 탄소 배출은 주로 에너지 소비와 자재 사용에서 비롯됩니다. 매년 약 5억 톤의 고분자 소재가 소비되며, 1톤당 8~9톤의 CO₂가 배출됩니다. 이는 인류가 고분자 소재에서만 무려 40억~50억 톤의 CO₂를 배출하고 있음을 의미하며, 이는 환경적 지속가능성과 세계적 발전에 중대한 과제를 제기하고 있습니다. 합성생물학은 에너지 생산과 소비 양측면에서 저탄소 이점을 제공합니다. 합성생물학을 활용하여 미생물 세포 공장을 구축함으로써, 당류와 같은 재생 가능한 생물 자원을 다양한 범용 화학물질로 전환할 수 있습니다. 이를 통해 대량 화학 물질을 친환경적이고 깨끗하게 생산할 수 있어, 석유 자원에 대한 의존도를 낮추고 석유화학 제조와 관련된 높은 에너지 소비 및 오염 문제를 해결할 수 있습니다. 또한, 생화학적 또는 생물학적 방법을 이용한 화학 물질 생산은 새로운 제조 분야로 부상하며, 비즈니스 전략을 재편하고 소비자 인식에 영향을 미치고 있습니다.
일련의 합성생물학 기업들(예: Ginkgo, Amyris, Zymergen, Beam 등)이 급속한 성장을 보이고 있다. Transparency Market Research의 데이터에 따르면, 전 세계 합성생물학 시장은 2018년 $4.96억에 달했으며, 2027년까지 $40억(2,600억 위안)을 넘어설 것으로 전망된다.
유전체 편집, 다중 유전자 조절, 단백질 스캐폴딩, 고처리량 스크리닝과 같은 기술을 활용해 구축된 세포 공장은 다양한 대량 화학물질의 생산을 가능하게 했습니다. 자본의 유입으로 인해 더 많은 합성생물학 서비스 기업들이 생산 규모를 확대하고, 상당한 잠재력을 지닌 제품을 시장에 출시할 수 있게 되었습니다.
합성생물학은 바이오 기반 화학물질, 생체재료, 바이오에너지와 같은 분야에서 폭넓은 응용 가능성을 가지고 있습니다. 그중에서도 대량 화학물질인 유기 아민(예: 카다베린, 푸트레신, 카프로락탐), 유기산(예: 숙신산, 젖산, 말론산, L-말산, 아디핀산), 유기 알코올(예: 1,3-프로판디올, 1,4-부탄디올, 이소부탄올) 등 세 가지 범주의 대량 화학물질이 특히 광범위한 용도로 활용되고 있다.
기술의 발전에 따라 세포 공장 구축 및 발효 공정을 위한 대사 경로 설계 분야에서 획기적인 진전이 이루어졌다. 그러나 생합성 산물의 분리 및 정제는 여전히 합성생물학의 산업화를 가로막는 병목 현상으로 남아 있다. 업계 전문가들은 대량 화학물질 생산을 위해 “화학적 방법을 생물학적 방법으로 대체”하는 데 있어 난제는 전환 과정이 아니라 “정제”에 있다고 지적한다. 발효 후 세포 내부에는 수많은 불순물이 남아 있습니다. 고분자 중합을 위해서는 원료가 매우 순수해야 합니다. 그러나 생물학적 세포는 극히 복잡하고 다양합니다. 화학적인 방법으로는 합성할 수 없는 우수한 성능의 특수 화학 물질을 생산할 수 있지만, 동시에 다양한 대사 산물을 생성하여 표적 제품의 수율을 낮추게 됩니다. 결국 발효 과정에서 일어나는 모든 변환 현상의 복잡한 세부 사항을 완전히 파악하는 것은 어려운 일이다. 표적 제품의 순도를 높이면 비용이 더욱 증가하게 되어, 유사한 제품을 화학적으로 생산하는 것보다 생물학적 제조 비용이 훨씬 더 높아진다.
적절한 분리 및 정제 방법을 선택하는 방법
합성 생물학적 화학 물질 제조업체의 경우, 고순도 제품을 생산해야만 하류 사용자에게 널리 채택될 수 있으며, 규모의 경제를 통해 수익성을 달성할 수 있습니다. 제조업체의 경우, 소규모로 고부가가치 제품을 생산할 때는 제품을 신속하게 시장에 출시하는 것이 우선이며, 이때 순도 요건을 충족하는 분리 방법이 최우선으로 고려됩니다. 제품이 대량 생산 가능해지면 비용 절감형 분리 방법을 우선적으로 적용해야 합니다. 수만 톤 규모로 생산되는 대량 화학물질의 경우, 일반적으로 여러 단위 공정을 조합하여 분리합니다. 아래 도표는 증류, 흡수, 결정화, 막 분리, 크로마토그래피 등 다양한 분리 기술의 기술적 성숙도를 보여줍니다.
합성생물학 기법을 활용해 화학 물질을 생산하는 기업들의 경우, 기존의 분리 및 정제 장비에만 의존할 경우 고순도 분리 요건을 충족하기 어렵습니다. 또한, 열에 민감한 물질은 고온에서 분해되는 경향이 있으며, 고온 공정과 관련된 에너지 소비 및 운영 비용은 이러한 기업들에게 큰 우려 사항입니다. 예를 들어, 카다베린을 분리하는 전통적인 방법은 추출-증류 방식을 사용하며, 이를 통해 99.19%[1]의 순도를 달성합니다. 반면, 새로운 분리 방법인 용융 결정화는 결정화, 발한, 용융 과정을 통해 카다베린을 분리하여 99.92%[2]의 제품 순도를 달성함으로써 폴리머 등급 요건을 효과적으로 충족시킵니다. 또한 용융 결정화는 저온에서 진행되므로 열에 민감한 물질의 화학적 변화를 방지하고 에너지 소비를 크게 줄일 수 있습니다.
[1] 재조합 대장균 Bl-DAB에 의해 촉매되는 L-라이신에서 카다베린으로의 합성 및 그 정제에 관한 연구 [D]
[2] 카다베린 용융 결정화 공정 [P]
발효 효율은 높지만 분리 및 정제 과정에서 병목 현상이 발생하는 또 다른 예로는 폴리젖산(PLA) 생산을 들 수 있습니다. 젖산의 순도는 비용에 상당한 영향을 미치며, 이는 궁극적으로 PLA의 가격을 결정짓습니다. 차세대 젖산 정제 기술을 개발하는 것이 이러한 병목 현상을 극복하는 열쇠입니다. DODGEN은 PLA 비용을 $2,000 미만으로 낮추기 위해 여러 분리 기술을 결합한 방식을 채택했습니다. 닝샤에 위치한 당사의 파일럿 모듈식 플랜트는 다양한 결합 분리 기술에 대한 산업 규모 검증 작업을 수행하여, 국내외 여러 합성생물학 기업들의 기술적 돌파구에 기여했습니다.
공정 및 장비 혁신을 위한 가속기 활용
합성생물학은 화학 제품 생산에 혁명을 일으켰으며, 국내외 관련 기업의 급속한 발전은 시장의 신뢰를 높여주었습니다. 제품의 산업화를 가속화하는 것이 시급한 과제이며, 분리 분야에서 첨단 기술을 보유하고 풍부한 경험을 갖춘 파트너들은 이 과정에서 핵심적인 촉진제 역할을 합니다.
DODGEN은 생산 공정 및 장비 분야의 혁신을 주도하는 촉매 역할을 합니다. 분리 분야의 포괄적인 솔루션을 바탕으로, 고객이 신뢰할 수 있는 분리 방법을 선택할 수 있도록 비용 효율적이고 효과적인 솔루션을 제공합니다. 미래 지향적인 당사의 R&D 센터는 탄탄한 과학 및 기술 역량을 바탕으로 여러 분리 기술을 결합하여 분리 효율을 높이는 한편, 합성 생물학적 화학 물질의 요구 사항에 맞춘 혁신적인 공정 장비를 개발하고 있습니다.합성 생물학 기반 대량 화학물질 분야에서 당사는 다운스트림 분리 및 정제 단계에 대한 풍부한 경험을 보유하고 있습니다. 첨단 분리 솔루션을 제공하는 것 외에도, 고객의 제품 산업화를 가속화할 수 있도록 파일럿 규모의 산업 검증 서비스를 제공합니다. 이는 고객의 시장 경쟁력을 강화할 뿐만 아니라, 미래의 발전 기회를 포착할 수 있도록 지원합니다.
저희의 친환경 분리 기술에 관심이 있으시다면, 그리고 화학 분리 장비, 자세한 내용을 확인하시려면 아래 QR 코드를 스캔해 주세요.
저희의 제품에 관심이 있으시다면 용융 결정화 기술, 자세한 내용을 확인하시려면 아래 QR 코드를 스캔해 주세요.
