왜 Bioprocess연구가 필요한가?

헨리 포드의 예언 (석유화학시대 이전의 산업바이오) 

1925년 Henry Ford는 이렇게 말한 바 있습니다.

Ford Says Fuel of the Future is in vegetation, New York Times, 09.20. 1925

사실 포드의 기념비적인 모델 T는 처음부터 ‘멀티 연료’ 차량으로 설계되었습니다. 운전자가 상황에 따라 가솔린, 에탄올, 또는 그 둘의 혼합물을 선택할 수 있었습니다. 자동차의 역사는 효모가 생산하는 바이오연료와 함께였던 것이지요.

효모가 만드는 또 다른 화학 제품이 있었습니다. 바로 글리세롤(glycerol)입니다.

독일의 생화학자 Carl Neuberg는 효모 배양 시 sulfite를 추가하면 알데히드가 고정되어 에탄올 생산이 방해되고, 효모는 대신 글리세롤을 생산한다는 것을 발견합니다. 그는 이렇게 설명합니다.

James A. Barnett, A history of research on yeast 5: the fermentation pathway, Yeast 2003

Neuberg의 발견을 이용해 1차 세계대전에서 독일은 화약 생산에 필요한 글리세롤을 한 달에 약 1,000톤 생산할 수 있는 대규모 플랜트를 건설합니다.

1차 세계대전에서 독일과 싸웠던 영국도 막대한 양의 화약이 필요했습니다. 당시 영국은 칠레산 초석 수입이 막히자 초석 없이 화약을 만드는 방법을 모색하였고, 이 과정에서 cordite 제조에 필요한 아세톤이 대량으로 필요하게 되었습니다. 이 때 영국의 미생물학자 Chaim Weizmann은 Clostridium acetobutylicum으로부터 ABE 발효를 통해 아세톤을 대량 생산하는 기술을 개발했습니다.

Preben Krabben, "Acetone production during the first World War, Microbial Today 2014

Weizmann 공정은 이후 7,000갤런 규모까지 스케일업되었고, 영 연방 내 국가들에 플랜트가 세워지면서 대량 생산이 가능해집니다. 꼭 이것때문은 아니겠으나, 영국은 'shell crisis'를 해결하고 탄약 생산에 성공하여 전쟁에 승리합니다. 이후 Chaim Weizmann은 (여러 다른 활동을 포함하여) 1차 세계대전 승리에 기여한 공로로 벨푸어 선언을 이끌어내고 결국 이스라엘의 초대 대통령에까지 오르게 됩니다.

의외로 20세기 초까지도 바이오기술은 식품이나 의약품은 물론, 화학제품 생산에도 활용되고 있었습니다. 앞서 이야기하였던 세가지 사례 이외에 미생물이 생산하는 초산, 젖산 등도 용매 등의 목적으로 대량으로 사용되고 있었습니다. 석유가 본격적으로 발굴되고 활용되기 전까지는요.

왜 생물공정은 석유화학기술에 패배하였는가? (석유시대의 개막)

20세기초, Henry Ford가 "미래의 연료는 Biomass에서 올 것"이라고 예언했을 때만 해도, 생물공정의 시대가 바로 열릴 것 같았습니다. 하지만, 결국 역사는 '석유'의 손을 들어주었습니다. 경제적, 산업적, 기술적 측면에서 패배의 원인을 복기해봅니다.

1. 땅을 파봐라. 돈이 나오나. 네.. 돈이 되네요. 가격경쟁력

1920년대 기준으로 동일 열량을 얻기 위한 비용($/MMBtu)을 비교하면, 원당(sugar)은 원유보다 무려 29.2배나 비쌌습니다.

2. 인프라의 차이: 석유 하이웨이의 독점 (Lock-in 효과)

2차 세계대전 이후 전 세계는 석유를 중심으로 한 거대 인프라를 구축하며 시스템의 관성을 만들어냈습니다. 파이프라인, 정유탑, 표준화된 부품들이 석유에 최적화되었고, 이미 수조 원이 투입되어 감가상각이 끝난 석유 인프라의 가격 경쟁력을 새로운 바이오 플랜트가 넘기엔 초기 진입 장벽이 너무나 높았습니다.

3. 물 문제: 희석의 저주 (The Water Problem)

미생물은 정교한 선택도를 가졌지만, 항상 '물'이라는 거대한 완충재 속에서만 움직입니다. 발효액의 90% 이상은 물입니다. 10%의 산물을 건져내기 위해 나머지 90%의 물을 증류하고 처리하는 데 드는 막대한 에너지는 석유화학의 효율을 당해낼 수 없었습니다.

4. 시스템적 효율성: 석유의 Rigid Verbund

석유화학의 진정한 무기는 **Verbund(통합 생산 체계)**라 불리는 완벽한 수직계열화였습니다. 원유 한 방울에서 나온 모든 부산물이 옆 공장의 원료가 되어, 버릴 게 없는 구조입니다. 이 시스템은 매우 강력하지만, 한 번 구축되면 경로를 바꿀 수 없는 '경직된(Rigid)' 구조를 가집니다. 당시의 시장은 유연성보다는 이러한 압도적인 '규모의 효율'을 선택했습니다.

5. 공정의 복잡성: 비선형성과 시변성

생명체는 기계와 달리 투입한 만큼 결과가 나오지 않는 **비선형성(Non-linearity)**과, 시간에 따라 상태가 변하는 **시변성(Time-variance)**을 가집니다. 입력값에 따라 결과가 수시로 변하는 살아있는 시스템은 공학적 제어와 예측을 극도로 어렵게 만들었습니다. 그 결과, 안정적인 금속 촉매 기반의 석유화학 공정에 비해 생물공정은 운영 안정성과 재현성 면에서 신뢰를 얻지 못하며 산업의 주류에서 밀려나게 되었습니다.