▲ 세계적으로 저명한 학술지인 Scientific Reports에 게재된 SK이노베이션 환경과학기술원의 ‘이산화탄소 저감과 관련된 연구’ 논문과 그 주역들. (왼쪽부터) 김태완 PL(Water task 리더), 송재양 PM, 라연화 PM, 이기성 PM

우리가 발 딛고 살아가는 지구의 평균 기온은 매년 점점 더 오르고 있다. 이로 인해 지구의 환경은 우리의 생존에 위협이 되는 심각한 변화를 겪을 수밖에 없다. 이처럼 지구온난화 문제는 이 시대에 해결해야 할 가장 중요한 문제 중 하나이며, 이를 위해 온실가스 중에서도 배출량이 가장 많은 이산화탄소를 저감하는 연구가 전세계적으로 활발하게 진행되고 있다.

지난 28일, SK이노베이션 환경과학기술원에서 진행한 이산화탄소 저감과 관련된 논문이 세계적으로 저명한 학술지인 Scientific Reports*에 게재됐다. 해당 연구는 석유화학 공정 부산물인 황으로부터 얻은 화학적에너지를 미생물을 이용해 이산화탄소는 저감하고, 친환경적 비료로 생산하는 기술에 대한 연구다.

(*)Scientific Reports : Nature 자매지로, 세계적으로 저명한 학술지 중 하나

SK이노베이션이 사업의 다방면에서 ‘그린 트랜스포메이션(Green Transformation)’이라는 대항해를 순항 중인 가운데, 환경과학기술원의 이산화탄소 저감을 위한 노력이 세계적으로 저명한 학술지에 실린 것은 기술적인 측면은 물론, 탄소 감축에 대한 진정성 측면에서도 주목할 만한 성과라 할 수 있다. 이 연구를 진행한 SK이노베이션 환경과학기술원의 연구진 중 라연화 PM(박사)의 인터뷰를 통해 논문의 내용과 연구 과정에 대한 이야기를 더 자세하게 들어보자.

Q1. 해당 논문을 진행하게 된 배경은 무엇인가요?

SK이노베이션 환경과학기술원은 그린 트랜스포메이션을 실현해 나가야 할 막중한 임무를 맡고 있습니다. 그 실천의 일환으로 이산화탄소 포집/활용/저장 사업을 진행 중인데요. 환경과학기술원은 저에너지(low energy)로 안정한 물질인 이산화탄소를 포집/전환하는 기술을 찾던 중 당사 석유화학 공장의 부산물인 황을 이용할 수 있는 미생물 기반의 저감 기술에 주목하게 됐습니다.

지구상에는 다양한 미생물들이 있는데, 그 중에서 황산화미생물은 황으로부터 화학적에너지를 얻어 이산화탄소를 먹으면서 미생물 자체가 성장 및 번식합니다. 이 과정에서 황은 황산화 물질로 변환되는데, 미생물 성장의 최적 PH 환경을 만들기 위해선 암모니아수 투입이 필요하며 두 물질의 반응으로 비료인 황산암모늄이 생산됩니다.

기존의 황산암모늄은 고온·고압 조건에서 황으로부터 황산을 생산한 후, 수소와 질소로 생산한 암모니아와 반응시켜야 하는 복잡한 공정입니다. 하지만, 미생물을 이용하는 공정은 석유화학산업의 부산물인 황과 암모니아로 생산할 수 있어 친환경적인 기술 적용이 가능할 것으로 예상돼 연구를 시작했습니다.

Q2. 이번 논문의 핵심 내용 및 의의에 대해 말씀해주신다면?

석유화학 공정 부산물인 황으로부터 얻은 화학에너지를 미생물이 이용해 이산화탄소를 저감하고 친환경적인 비료를 생산하는 새로운 자원순환 시스템에 관한 연구입니다. 신규 황산화박테리아종(Acidithiobacillus sp.)은 완전 혼합 흐름 반응기(Continuous Stirred Tank Reactor)에서 8.8~10.4 kg/m3/D의 속도로 이산화탄소를 저감할 수 있으며, 이와 동시에 비료(ammonium sulfate)를 28~65 kg/m3 생산할 수 있습니다. 저희 연구진은 이 기술의 적용 예시로 석유화학산업과 유기성 자원화 산업(혐기소화)에서 발생하는 오염물질인 환원성질소 및 황의 자원 순환 Concept을 제시했습니다.

본 연구에서 신규 종으로 발굴된 황산화박테리아는 현재까지 보고된 미생물 중에서 이산화탄소 고정화 속도가 가장 우수하며 나무 대비 약 300배, 미세조류 대비 약 7배 빠른 수준입니다. 나무나 미세조류등은 이산화탄소의 고정화를 위해서 빛에너지를 이용하다 보니 자연환경적인 제약이 있으나, 본 연구에서 개발한 공정은 화학에너지원을 이용해 이러한 한계를 극복할 수 있었습니다.

또한, 대기배출 시설에서 이산화탄소와 같이 나오는 유독성 가스(SOx, NOx)에 대한 내성도 우수해 실제 공장 배기가스에 직접 적용도 가능할 것으로 기대됩니다. 본 연구를 통해서 개발된 기술은 총 5개의 특허를 출원해 기술적 차별화를 위해서 지속적으로 노력 중입니다.

Q3. 이번 연구 내용이 저명한 학술지인 Scientific Reports에 게재될 수 있었던 이유는 무엇이라고 생각하시나요?

환경과학기술원의 ‘과감하고 치열하게 도전하는 R&D 문화’가 이루어 낸 성과라고 생각합니다. 본 기술은 새로운 컨셉으로서 참고문헌도 많지 않았지만, 이슈가 생길 때마다 여러 기술 역량을 가진 구성원들이 함께 머리를 맞대고 치열하게 고민하여 해결해 나갈 수 있었습니다. 또한 과제 수행하는 내내 멘토 역할을 해 주신 이성준 원장님과 김태진 소장님의 지원도 큰 힘이 됐습니다. 기술적으로 어려운 이슈에 직면했을 때 같이 고민해주시고 방향을 제시해 주셔서 우수한 결과를 얻었으며 학술지에 게재하여 인정도 받게 됐습니다.

▲ 석유화학 공정 부산물인 황으로부터 얻은 화학적에너지를 미생물을 이용해 이산화탄소는 저감하고, 친환경적 비료로 생산하는 기술에 대한 연구를 진행한 SK이노베이션 환경과학기술원 연구진들. (왼쪽부터) 송재양 PM, 라연화 PM, 이기성 PM, 김태완 PL(Water task 리더)

Q4. 이번 연구를 준비하며 가장 뿌듯했던 순간은 언제인가요?

가압연속반응기 제작이 완성되고 시운전이 끝났을 때 가장 뿌듯했습니다. 시중에 판매하는 미생물 반응기는 상압 및 마일드한 PH 조건에서 진행되어 본 기술에 적용이 불가했습니다. 또한 본 기술은 기체, 액체, 고체의 복합적인 반응으로 물질전달 향상을 위해서 특별한 반응기와 펌프의 선정이 필요했습니다. 과제 참여 구성원들, 특히 정재흠 PM(박사)님과 김태완 PL(박사)님의 치열한 고민 끝에 반응기가 제작됐으나, 코로나로 입고가 지연되고 방역체제에 의해 시운전마저 지연되며 수개월 동안 마음 고생을 하기도 했습니다. 하지만 여러 시행착오 끝에 정상운전을 시작했을 때 결과도 궁금하고 마음도 무척 설렜던 기억이 남아있습니다.

Q5. 마지막으로, 앞으로 환경과학기술원이 이산화탄소 저감을 위해 나아가고자 하는 궁극적인 목표에 대해 말씀해주신다면?

이성준 원장님이 말씀하신 바와 같이 Carbon Net Zero 달성을 위해 환경과학기술원은 기존 Carbon 사업의 비즈니스 모델을 혁신하는 그린 트랜스포메이션을 통해 탄소배출 이슈를 해결하는 한편, 그린 앵커링을 통해 글로벌 탄소중립을 주도해 나가는 것이 목표입니다. 이에 환경기술연구센터는 추진 중인 플라스틱 재활용 신규 성장 사업을 성공시키는 데 최선을 다하는 것은 물론, 기존 SK이노베이션 계열 자회사 사업에 항상 탄소중립을 염두에 두고 효과적인 기술지원을 수행해 나갈 것입니다.

Scientific Reports에 게재된 논문은 아래에서 확인할 수 있다.

석유화학 공정 부산물인 황으로부터 얻은 화학에너지를 미생물이 이용하여 이산화탄소를 저감하면서 친환경적으로 비료(ammonium sulfate)를 생산하는 기술
[참여 연구원: 김태완, 송재양, 이기성, 라연화 (교신저자)]

그린 트랜스포메이션을 향해 나아가고 있는 SK이노베이션과 환경과학기술원의 행보를 응원한다.