박철환 교수 연구팀(화학공학과), 바이오매스로 고기능성 바이오신소재 생산 구현

- Global Change Biology Bioenergy 과학전문지 게재-

(JCR Rank No. 1 in Agronomy & JCR JIF Percentile 상위 0.55%)

- 목질계 바이오매스 유래 물질의 저해영향 규명하며, 미생물 기반 고기능성 친환경 바이오신소재 생산 방향 제시 -

<화학공학과 생물화공연구실, 바이오신소재팀(좌)와 공정최적화팀(우)>

본교 화학공학과 박철환 교수 연구팀(사진)은 농업, 삼림업, 산업 및 건축업 등 다양한 경로로 발생하는 폐기물을 포함한 목질계 바이오매스를 원료로 하여 미생물 배양을 통해 바이오신소재로서의 고부가가치 물질인 Bacterial cellulose를 생산하는 기술을 성공적으로 구현하였다. 일반적으로 벌목을 통해 생산되는 Plant cellulose와는 달리 Bacterial cellulose는 미생물 배양만으로 생산이 가능하다.

본 연구팀은 목질계 바이오매스 전처리 과정 중 발생하는 미생물에 독성을 미치는 다양한 물질들의 영향을 규명함과 동시에, 폐기물을 포함한 바이오매스를 이용하여 생산 비용 절감과 수율 향상이라는 두 가지의 목적을 동시에 달성하였다.

상세하게는 목질계 바이오매스 전처리 과정 중 생성되는 유기산, 퓨란계 및 페놀계 물질들이 Bacterial cellulose 생산 미생물인 Gluconacetobacter xylinus에 미치는 영향을 파악하고, 정치 발효 기술을 적용하여 억새, 보릿짚, 소나무에 해당하는 바이오매스 전처리 가수분해물을 이용한 Bacterial cellulose 생산 수율을 이론값의 최대 범위인 73.50%-97.86%를 달성하였다.

학문적으로는 목질계 바이오매스를 원료로 미생물에 미치는 독성물질의 영향 규명하며 고기능성의 바이오신소재의 생산성과 환경친화성 확보하였으며, 기술적 측면으로는 목질계 바이오매스를 기반 대장균이나 효모를 이용한 Bioenergy와 Biochemical 생산 중심의 기존 연구들을 Biomaterial 생산 연구로의 확장가능성을 제시하였다. 또한, 연구에서 생산한 Bacterial cellulose는 우수한 내구성과 수분함유량, 생체적합성을 지니고 있어, 다이어트 식품, 화장품 마스크팩, 인공장기, 전지 재료 등 다양한 산업 분야로의 적용이 가능하여 활용성이 무한한 장점을 지니고 있다.

본 연구 결과 도출을 위해 복잡한 실험 과정들을 해결해 나가면서 제1저자로 참여한 김하은(화학공학과 석사과정) 학생은 졸업 후 현재 삼성바이오로직스에서 근무하고 있다. 공동저자로 참여한 화학공학과 이택 교수(메커니즘 분석), 환경공학과 장민 교수(친환경 컨셉 제시), 전자재료공학과 오종민 교수(복합재료로의 적용 시도)의 역할들을 조율하며 본 연구를 기획한 화학공학과 박철환 교수는 “‘Nano to Centimeter’와 ‘Mechanism to Production’의 융합 연구의 의미 있는 결실을 맺은 것으로 보인다”라며, “융합 연구의 후속 결과물이 금년 상반기에 또 다른 결실을 맺을 예정”이라고 전했다.

한편, 본 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받은 중견연구사업과 바이오·의료기술개발사업을 통해 수행되었으며 연구 결과는 세계 최고의 Agronomy 및 Energy&Fuels 분야의 전문저널인 WILEY 출판의 Global Change Biology Bioenergy (JCR Rank No. 1 in Agronomy & JCR JIF Percentile 상위 0.55%) 2021년 1월 12일자 온라인판에 “Improved production of bacterial cellulose through investigation of effects of inhibitory compounds from lignocellulosic hydrolysates”의 제목으로 게재되었다.

* Web link : https://doi.org/10.1111/gcbb.12800

<바이오매스를 이용한 미생물 기반 Bacterial cellulose 생산 및 응용 개략도>