Production of Advanced Products from Sargassum through Integrated Conversion

바다는 단순히 식량과 이동의 원천일 뿐만 아니라, 엄청난 양의 생물량을 생산하는 거대하고 살아있는 공장이기도 합니다. 최근 몇 년 동안, '사르가섬(Sargassum)'이라 불리는 특정 종류의 갈조류가 대서양과 카리브해 전역에서 전례 없는 강도로 번성하기 시작했습니다. 이러한 풍요로움은 거대한 유기물 저장고를 의미하기도 하지만, 대체로 문제로 여겨져 왔습니다. 이 해초 덩어리들이 해안가로 밀려오면 부패하며 악취를 풍기고 해안 생태계를 질식시키며, 지역 사회에 매년 수백만 달러의 비용을 발생시킵니다. 과학자들은 이 골칫거리를 어떻게 하면 유용한 무언가로 변모시켜, 폐기물 관리 위기를 에너지나 재료의 원천으로 바꿀 수 있을지 오랫동안 고민해 왔습니다. 이를 위해 연구자들은 먼저 육상 식물과는 확연히 다른 이 해초의 독특한 화학적 구성을 이해해야 하며, 그 후 미생물이 먹을 수 있는 단순한 구성 요소로 분해하는 방법을 개발해야 합니다.

미국 로키 국립 연구소와 푸에르토리코 대학교의 연구진은 이 질문에 답하기 위한 중요한 발걸음을 내디뎠습니다. 그들은 가공되지 않은 젖은 상태의 사르가섬을 유용한 당류의 흐름과 고체 잔여물로 변환하는 완전한 공정 시스템을 개발했습니다. 그들의 연구는 사르가섬이 연료용 지질과 같은 가치 있는 제품으로 전환될 수 있음을 보여주었지만, 이 공정의 경제성은 남겨진 고체 물질에 어떤 일이 일어나느냐에 크게 달려 있다는 점을 입증했습니다. 연구는 단순히 해초를 연료로 바꾸는 것만으로는 사업성을 확보하기에 충분하지 않으며, 성공의 핵심은 당 추출 후에 남는 고체 폐기물을 고부가가치 용도로 찾는 데 있다는 것을 시사합니다.

연구진은 푸에르토리코 해안에서 수 톤의 사르가섬을 수집하는 것으로 시작했습니다. 해초는 물을 많이 함유한 채 무겁고 젖은 상태로 도착했는데, 이는 가공 비용을 높이고 효율성을 떨어뜨리는 요인이 됩니다. 이를 해결하기 위해 그들은 먼저 거대한 짜는 기계인 스크류 프레스를 통해 생물량을 짜냈습니다. 이 단계는 상당 부분의 물을 제거하여 해초 고형물과 '만니톨(mannitol)'이라는 당 알코올이 풍부한 액체 흐름을 가진 두껍고 밀도 높은 케이크를 만들어냈습니다. 그들은 이러한 기계적 압착이 해초 내부의 귀중한 당을 파괴하지 않고 단순히 농축시켜 재료를 다루고 보관하기 쉽게 만든다는 것을 발견했습니다. 또한, 소량의 산(acid)으로 처리함으로써 이 짠 해초를 몇 달 동안 보존할 수 있으며, 이를 통해 해초 번성기가 아닐 때도 시설을 연중 내내 운영할 수 있다는 사실도 알아냈습니다.

다음으로, 연구팀은 해초의 단단한 세포벽 안에 갇힌 당을 해방시키는 어려운 과제에 도전했습니다. 육상 식물과 달리, 사르가섬은 분해하기 어려운 복합 폴리머를 포함하고 있습니다. 연구진은 열과 희석된 황산을 사용하여 이 세포벽을 부드럽게 만들고 당을 방출했습니다. 그들은 온도, 시간, 산의 강도에 대한 다양한 조합을 테스트하여 최적의 지점을 찾았습니다. 그들은 단단한 저장용 당을 분해하기 위해서는 더 높은 온도와 더 많은 산이 필요하지만, 이러한 조건이 오히려 더 섬세한 산성 당을 파괴할 위험이 있다는 것을 발견했습니다. 세심한 실험을 통해, 그들은 해초에 갇혀 있던 당의 절반 이상을 액체 흐름으로 방출하여 다음 단계의 공정을 위한 먹이원을 만들어냈습니다.

당이 방출되자, 연구진은 다양한 종류의 당을 섭취하여 지방으로 변환하는 능력이 있는 단세포 균류인 특수 효모를 투입했습니다. 그들은 해초에서 짠 액체와 산 처리된 당 흐름을 혼합하여 효모에게 먹였습니다. 효모는 잘 자라며 당을 소비하고 세포 내부에 지방을 축적했습니다. 이 지방, 즉 지질은 재생 가능한 연료와 화학 물질을 만드는 데 귀중한 전구체입니다. 그러나 효모는 해초에 들어있는 특정 당들을 섭취하는 데 어려움을 겪었으며, 전체적인 지방 생성량은 당 흐름이 얼마나 희박하냐에 따라 제한되었습니다. 이를 극복하기 위해, 그들은 효모 세포를 반응기 안에 계속 머물게 하면서 사용된 액체는 제거하고 신선한 먹이를 추가하는 여과 시스템을 사용하였고, 이를 통해 세포가 더 오래, 더 효율적으로 작동할 수 있도록 했습니다.

연구의 가장 결정적인 부분은 연구진이 거시적인 관점에서 비용을 검토했을 때 나타났습니다. 그들은 매일 이 단계들을 수행하는 대규모 공장의 상세한 컴퓨터 모델을 구축했습니다. 모델은 놀라운 진실을 드러냈습니다. 효모가 생산한 지방을 판매하여 얻는 수익은 해초를 수확하고 공장을 운영하는 높은 비용을 충당하기에 부족했습니다. 이 공정이 재정적으로 타당하려면 당 추출 후 남은 고체 잔여물을 상당한 금액에 판매할 수 있어야 했습니다. 연구진은 이 고체 잔여물이 전체 운영의 수익성을 맞추기 위해서는 톤당 거의 1,000달러에 육박하는 가격에 판매되어야 한다고 계산했습니다. 해초 고형물이 잠재적으로 비료, 동물 사료 또는 플라스틱의 성분으로 사용될 수는 있지만, 현재 이러한 제품들의 시장 가격은 요구되는 수준보다 훨씬 낮습니다.

이 연구는 사르가섬을 바이오 연료로 만드는 것이 기술적으로는 가능하지만, 경제적으로는 매우 취약하다는 결론을 내립니다. 기술은 작동하지만, 지속 가능한 산업으로 가는 길은 잔류 고체 문제를 해결하는 데 달려 있습니다. 만약 과학자들이 남겨진 해초 케이크를 고부가가치 제품으로 바꿀 방법을 찾아내거나, 해초 수확 비용을 획기적으로 줄일 수 있다면, 이 해안의 골칫거리는 진정한 자원이 될 수 있습니다. 그때까지 사르가섬의 전환은 경제적 퍼즐의 마지막 조각이 맞춰지기를 기다리고 있는 유망한 개념으로 남아 있습니다.