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대장균의 대사 과정을 이용하여 개발한 친환경적 PET 합성 기술
수득률 낮추는 불필요한 부산물과 환경에 유해한 중금속 생성되는 기존 합성 방식 … 대장균과 효소를 이용하는 방식으로 해결해
[436호] 2017년 08월 16일 (수) 곽지호 기자 jim9611@kaist.ac.kr

생명화학공학과 이상엽 교수 연구팀이 대장균을 이용하여 폴리에틸렌 테레 프탈레이트(Polyethylene Terephthalate, PET)를 합성하는 기술을 개발했다. 새로 개발한 기술은 PET를 합성할 때 발생했던 기존의 문제점들을 해결해 주목을 받고 있다. 이번 연구는 지난 5월 31일 자 <네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)>에 게재됐다.
기존에는 경제, 환경적으로 문제 많아
석유를 PET로 합성하기 위해선 중간 산물인 파라자일렌(p-Xylene, pX)과 테레프탈산(Terephthalic Acid, TPA)을 거쳐야 한다. 기존에는 pX에서 TPA를 합성하기 위해 높은 온도와 압력이 필요했고, 반응 용기를 티타늄으로 코팅해야 하는 등 조건이 까다로워 부수적인 비용이 많이 발생했었다. 또한, 합성 과정 중 4-카르복시벤즈알데히드(4-Carboxybenzaldehyde, 4-CBA)와 이산화탄소 등 부산물*이 발생하여 수득률**이 떨어질 뿐만 아니라, 코발트, 팔라듐과 같은 중금속과 브롬화물이 생성되어 환경에 악영향을 끼친다는 한계도 존재했다.

대장균의 대사 과정을 이용한 합성
이를 해결하기 위해 연구팀은 새롭게 생체 기반 기술을 적용했다. 연구팀은 서로 다른 두 가지 세포들로부터 효소를 가져와 대장균에 삽입하는 방식을 사용했다. 이 두 가지 효소는 각각 pX를 TPA의 전구체인 고순도 테레프탈산(Purified Terephthalic Acid, PTA)으로 합성하고, PTA를 TPA로 합성하는 역할을 한다. 대장균의 대사 과정을 이용하기 때문에 실온과 대기 압력에서도 pX를 반응시킬 수 있고, 추가적인 조건이 필요하지 않아 기존 방법보다 더 쉽게 TPA를 합성할 수 있게 됐다. 또한, 합성 이후에도 사용했던 물질을 재사용할 수 있고, 부산물도 발생하지 않아 기존의 기술보다 경제적이라는 평가를 받고 있다.
올레일 알코올 이용해 문제점 해결해
하지만 이와 같은 방식도 연구 초기에는 문제점이 존재했다. pX가 휘발성과 독성을 띌 뿐만 아니라 용매인 물에 잘 녹지 않았기 때문이다. 특히 pX의 독성은 대장균 세포를 죽이는 등 실험에 큰 영향을 끼쳤다. 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 올레일 알코올과 물을 함께 사용했다. 물 위에 올레일 알코올층을 형성한 뒤, 올레일 알코올에 pX를 합성함으로써 용해도와 휘발성 문제를 해결했다. 확산을 이용하여 물에 pX를 조금씩 용해해 독성 문제도 해결하였다. 합성이 끝난 뒤에도 PTA가 남아 있다는 문제점도 존재했는데, 이는 PTA를 TPA로 합성하는 효소를 늘림으로써 해결했다.
이번 연구 논문의 제1 저자인 지 웨이 루오(Zi Wei Luo) 박사 과정 학생은 대장균의 대사 경로를 설계하여 TPA를 합성한 것이 이번 연구가 가지는 중요한 의의라 설명했다. 또한, “현재는 pX를 석유로부터 얻고 있지만 화석 연료로부터 물질을 얻는 것에는 한계가 있다”며 바이오매스로부터 물질을 얻는 것이 중요하다는 것을 강조했다. 이어 “지금도 생물질로부터 pX를 합성하는 기술이 있지만, 그 과정에도 여러 문제점이 존재한다”며, “앞으로는 박테리아를 이용하여 바이오매스에서 pX를 얻을 수 있는 기술을 개발한 후, 바이오매스로부터 TPA를 바로 얻을 수 있는 기술을 개발할 것”이라고 전망을 밝혔다.

부산물*
반응에서 얻고자 하는 생성물이 아닌 부수적으로 생기는 물질.

수득률**
반응을 통해 얻을 수 있는 이론적인 생성물의 양과 실제로 얻은 생성물 양의 비.

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