박철환 교수(화학공학과) 연구팀, 미세조류에서 바이오연료와 고부가 화학물질 통합 생산을 위한 지능형 바이오 제조 공정 제시

- 국제 저명 학술지 Bioresource Technology 게재 (JCR JIF Percentile 상위 2.5%, IF 9.0) -

- 미세조류 바이오매스로부터 바이오연료와 고부가 화합물 동시 생산 공정 제안 -

- 지능형 공정 시뮬레이션 및 기술경제성 분석 기반 스마트 바이오 제조 전략 제시 -

(좌)김보경(제1저자) (우)박철환(지도교수/교신저자)

본교 화학공학과 박철환 교수 연구팀이 미세조류를 활용해 바이오연료와 고부가 화학물질을 동시에 생산할 수 있는 통합 공정을 제안하고, 이를 통해 공정의 경제성을 크게 향상시킬 수 있음을 입증했다.

연구팀은 미세조류 바이오매스를 활용해 바이오디젤, 루테인, 2,3-부탄디올을 동시에 생산할 수 있는 통합 바이오리파이너리 공정을 제안하고, 해당 공정의 산업적 경제성을 검증하는 연구를 수행했다. 공정 시뮬레이션과 기술경제성 분석을 기반으로 다양한 공정 시나리오를 비교 분석했으며, 다중 생산 전략(multiproduct strategy)이 미세조류 기반 바이오리파이너리의 경제성을 크게 향상시킬 수 있음을 정량적으로 입증했다. 지능형 공정 모델링과 데이터 기반 분석을 활용하여 향후 AI 기반 공정 최적화 및 스마트 바이오 제조 시스템으로 확장 가능한 연구 기반을 제시했다.

미세조류는 높은 생산성과 이산화탄소 고정 능력을 지니며, 농경지를 필요로 하지 않아 차세대 친환경 바이오리파이너리 원료로 주목받고 있다. 또한 미세조류에는 지질, 탄수화물, 카로티노이드 등 다양한 유용 성분이 포함되어 있어 바이오연료와 기능성 화합물을 동시에 생산할 수 있는 잠재력이 크다. 그러나 기존 연구에서는 특정 단일 제품 생산에 초점이 맞춰져 있어 공정 경제성 확보의 필요성이 대두되고 있다. 이를 해결하기 하나의 바이오매스에서 여러 제품을 동시에 생산하는 다중 생산 바이오리파이너리 모델을 본 연구에 적용했다.

이번 연구에서는 미세조류로부터 지질과 루테인을 동시에 추출한 뒤, 지질은 바이오디젤로 전환하고, 추출 후 남은 바이오매스를 활용해 2,3-부탄디올을 생산하는 통합 공정을 설계했다. 연구팀은 공정 설계 소프트웨어 SuperPro Designer를 활용해 전체 생산 공정을 모델링하고 경제성 분석을 수행했다. 특히 추출 과정에서 사용되는 용매를 재활용하는 공정을 도입함으로써 생산 비용을 크게 절감할 수 있음을 확인했다. 또한 민감도 분석을 통해 주요 제품 가격과 미세조류 탄수화물 함량이 공정 경제성에 가장 큰 영향을 미치는 핵심 요인임을 확인하였다. 이러한 결과는 향후 AI 기반 공정 데이터 분석 및 바이오 제조 공정 최적화 연구의 기초 데이터로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

미세조류 바이오매스 기반 다중 제품 생산 공정의 설계 및 기술경제성 분석

본 연구의 실험 디자인 및 전략을 제시하며 제1저자로 참여한 김보경(화학공학과 석사과정) 학생은 석사과정 재학 중 ‘2024년 WISET 여대학원생 공학연구팀제 지원사업 심화과정’에서 우수상(한국여성과학기술인육성재단 이사장-한국생물공학회장상)을 수상한 바 있다. 또한, 학부 4학년 시절 본교에서 주최한 ‘제17회 공과대학 학술제(화학공학 분야)’와 ‘2023 MY(Multi-Y) 캡스톤디자인 경진대회’에서 각각 장려상을 수상했으며, 같은 해 한국생물공학회 주관 2023년 ‘알려 바이오!’ 온라인 기자단에서 최우수상을 받았다. 이러한 창의적이고 도전적인 연구 활동을 인정받아 지난 11월 2024년 광운인재상을 수상하기도 했다.

지도교수인 박철환 교수는 현재까지 SCI(E) 논문 280편, 국내 학술논문 57편, 특허등록 52건 및 학술발표 411건 등의 활발한 연구 활동(총 인용 12,492회, h-index 53, i10-index 231)을 수행하고 있으며, 광운대학교 창업패키지사업단장, 한국생물공학회 총무이사, 한국화학공학회 기술정보지 부편집장, 아시아생물공학연합체 한국지회 이사, 바이오 분야의 SCIE 저널 Editor 등의 대내외 활동도 활발히 수행 중에 있다.

본 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구자지원사업(RS-2025-00514404)의 지원을 받아 수행되었다. 본 연구 결과의 우수성을 인정받아 국제 저명 학술지인 ‘Bioresource Technology’에 ‘Techno-economic feasibility assessment of integrated microalgal biorefinery for coproducing biofuel and high-value chemicals’의 2026년 3월 4일 자 온라인판에 게재되었으며, 2026년 6월 정식 출판 예정이다. 해당 학술지는 JCR(Journal Citation Reports) Agricultural engineering 분야 최상위 2.5%에 해당하는 권위있는 국제 학술지다.

Web link: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2026.134350