[논문]글리세롤의 생물전환

김옥빈

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문제 정의

이 글에서는 글리세롤을 고부가가치 산물로 생물전환 시킬 수 있는 가능성에 대하여 살펴보고자 한다. 여기에는 대량의 과잉 글리세롤로부터 글리세롤 유도체를 생산하는 경우와 새로운 화합물로 전환시키는 적용가능성이 있을 것이다.

대상 데이터

바이오 촉매의 적용가능성은 수많은 연구노력에도 불구하고 저가 생산품 (<1000 =#/t)을 위한 경쟁력 있는 효소처리방안을 개발하지 못함으로 인해 매우 제한된다. Diglyceride는 일본의 ADM Kao사가 Enova oil 이라는 상품명으로, 이어서 한국의 CJ가「라이트라」라는 상품명으로 다이어트 식용유를 시장에 선보였었는데 (그림 3), 여기에는 Triglyceride (Triacylglycerol)를 리파아제-촉매로 처리하여 Diglyceride를 생산하는 기술을 사용하였다. 이들 다이어트 식용유는 가열을 이용한 탈취공정과정에서 인체에 해로운 glycidyl fatty acid ester가 형성되었음이 밝혀지면서 현재 판매가 중단된 상태이다.

후속연구

이에 따라 바이오디젤 생산공정인 트랜스에스테르화 과정에서 발생하는 폐기물로서의 글리세롤도 2005년의 250,000 tons/year에서 2007년 500,000 tons/year 이상으로 증가하였다. 화석연료의 고갈이 예상되는 가운데, 여러 나라에서 기존의 디젤에 바이오디젤을 첨가하는 법률의 제정으로 인하여 이러한 경향은 향후 지속될 것으로 전망된다. 유럽의회는 명령2003/30/EC 3조 b항에서 “2005년 12월 31일부터 모든 디젤연료에 바이오연료가 2% 함유”하도록 명령하였으며, 바이오연료의 함량 비율은“2010년 12월 31일까지 5.
반면에, 글리세롤 가격 하락은 글리세롤로부터 파생되는 새로운 화합물에 대한 대안적인 응용가능성을 연구할 기회를 제공하고 있다. 특히나 하락하는 글리세롤가격이 바이오디젤 생산설비의 채산성을 떨어뜨려, 바이오디젤 기업뿐만 아니라 전체 oleochemical 산업이 글리세롤 가격의 안정화에 관심을 기울이고 있다.
이 글에서는 글리세롤을 고부가가치 산물로 생물전환 시킬 수 있는 가능성에 대하여 살펴보고자 한다. 여기에는 대량의 과잉 글리세롤로부터 글리세롤 유도체를 생산하는 경우와 새로운 화합물로 전환시키는 적용가능성이 있을 것이다.
이는 기존의 화학적 합성으로 생산되기는 하지만, 그 생산량이나 분리, 또는 산물의 순도면으로 볼 때 한계가 있다. 그러므로 glycerol acrylate를 높은 생산성과 높은 선택성으로 합성하는 리파아제나 에스터라제 등의 효소를 동정하고, 더불어 아크릴 공여체로 아크릴산 이외에 아크릴산 에스터 화합물도 연구해야 할 것이다. 또한 glycerol acrylate를 다양한 성질을 가진 지방산과의 유도체화시키는 연구를 통하여 새로운 폴리머를 얻을 수 있을 것이다.
그러므로 glycerol acrylate를 높은 생산성과 높은 선택성으로 합성하는 리파아제나 에스터라제 등의 효소를 동정하고, 더불어 아크릴 공여체로 아크릴산 이외에 아크릴산 에스터 화합물도 연구해야 할 것이다. 또한 glycerol acrylate를 다양한 성질을 가진 지방산과의 유도체화시키는 연구를 통하여 새로운 폴리머를 얻을 수 있을 것이다.
글리세롤 폴리에스터는 글리세롤과 타르타르산, 숙신산, 말론산, 아디픽산 등의 디카르 복시산을 효소촉매로 처리하여 생성해야 할 것이다. 기존의 고온, 고압하에서 중합시키는 화학적 합성에 반하여, 효소 즉, 리파아제를 사용한 경우에는 1,3-연결된 글리세롤 폴리에스터의 순수한 활성이성질체(regioisomer)를 생성하는 것이 가능할 것이다.
또 다른 방법으로는 우리가 원하는 화합물의 합성에 필요한 효소들을 지정하는 유전자들을 대사공학적 기법을 사용하여 재조합하여 발효조건에 적절한 미생물로 도입한다. 이러한 균주들을 발효공정에 투입하여 글리세롤이 생물전환하는 각각의 조건을 최적화하여 산물을 생산하게 될 것이다. 다음 표 1에는 현재까지 글리세롤로부터 생산하는 산업적으로 유용한 몇 가지 산물들과 그의 가능한 용도 그리고 생산자 내지는 생산방법을 요약하였다.
예를 들어 1,3-Bisphosphoglycerate, 2-Phosphoglycerate, 3-Phospho-glycerate 등이 그것이다. 변형된 해당 과정을 갖고 있는 미생물에선 글리세린이 불완전 산화과정을 거쳐 글리세린산으로 산화시킬 수 있을 것이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

글리세롤을 소재로 바이오 시스템을 이용한 부가가치가 높은 화합물을 생산할 때 그 방법으로 무엇이 있는가?

글리세롤은 생물에 대해 독성이 없어서 바이오 시스템을 이용하여 부가가치가 높은 화합물을 생산할 수 있다. 이것은 원하는 화합물의 합성에 필수적인 특정한 대사경로가 밝혀진 새로운 미생물의 투입으로 이루어진다. 또 다른 방법으로는 우리가 원하는 화합물의 합성에 필요한 효소들을 지정하는 유전자들을 대사공학적 기법을 사용하여 재조합하여 발효조건에 적절한 미생물로 도입한다. 이러한 균주들을 발효공정에 투입하여 글리세롤이 생물전환하는 각각의 조건을 최적화하여 산물을 생산하게 될 것이다. 다음 표 1에는 현재까지 글리세롤로부터 생산하는 산업적으로 유용한 몇 가지 산물들과 그의 가능한 용도 그리고 생산자 내지는 생산방법을 요약하였다.

C3-플랫폼 케미칼인 글리세롤로부터 생산할 수 있는 상업적으로 잠재력이 높은 물질은 어떤 것이 있는가?

주요한 C3-플랫폼 케미칼인 글리세롤로부터 상업적으로 잠재력이 높은 1,3-propandiol, 3-Hydroxypropionic acid, glycerol carbonate, dihydroxyacetone, epichlorohydrin, glycerol halogen derinatives, glycerol amino derivatives, glycidol 등의 다양한 중간생성물이나 building block을 생산할 수 있다. 글리세롤은 생물에 대해 독성이 없어서 바이오 시스템을 이용하여 부가가치가 높은 화합물을 생산할 수 있다.

3-Hydroxypropionic acid의 특징은 무엇이며, 어디에 활용될 수 있는가?

3-HP는 ω -hydroxyl fatty acid로써 폴리에스터에 물리적성질뿐 아니라 생분해능력과 안정성에 특별한 성질을 부여할 것이다. Lactate (2-Hydroxypropionate)로 이루어진 폴리에스터에 비해 3-HP로 이루어진 폴리에스터는 기본적으로 안정적이다. 또한 이 폴리에스터의 경우, 에스터라제나 리파제의 접근이 용이하다. 만일 생분해능력이 폴리에스터를 사용하는 주 목적이고, PHA의 원래의 분해효소인 PHA-Depolymerase 를 사용하지 못할 경우에는, 3-HP로 이루어진 이 폴리에스터의 의학적 또는 기술적 사용은 매우 유용할 것이다.

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