이상엽 카이스트 특훈교수팀, AI 이용 바이오제조 산업화 전략 제시

구글에서 서울신문 먼저 보기

세줄 요약

• 바이오제조 상용화 난제와 데스 밸리 분석
• 숙신산·PHA 사례로 단계적 산업화 전략 제시
• AI·디지털 트윈 활용한 공정 최적화 전망

미국-이란 전쟁으로 전 세계 석유 수급이 불안정하다 보니 많은 나라가 석유를 대체할 에너지원 확보에 적극 나서고 있다. 그러나 현재 우리 주위의 수많은 플라스틱, 섬유, 의약품 원료 등 대부분 화학제품은 석유에서 생산된다. 하지만 탄소배출과 환경오염 문제가 커지면서 미생물을 이용해 화학물질을 만드는 바이오제조가 차세대 제조 기술로 주목받고 있다. 문제는 실험실 연구가 실제 공장에서 대량 생산으로 이어지지 않는다는 것이다.

상용화 수준의 바이오제조를 위한 통합 공정 프레임워크

카이스트 제공

카이스트 생명화학공학과 이상엽 특훈교수팀은 이런 바이오제조 상용화의 핵심 과제를 종합 분석하고 이를 극복하기 위한 산업화 전략과 미래 발전 방향을 제시했다고 14일 밝혔다. 이 연구 결과는 기초과학 및 공학 분야 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 실렸다.

바이오제조의 핵심 기술인 시스템대사공학은 미생물의 대사 경로를 설계, 최적화해 원하는 화학물질을 생산하는 미생물 세포공장을 만드는 기술이다. 이 개념은 이상엽 교수가 세계 최초로 창안한 것으로 전 세계적으로 활발히 연구되고 있다. 문제는 연구실에서는 높은 생산성을 보인 기술이 산업 현장에서는 생산성이 떨어지고 생산비가 증가하거나 가격 경쟁력을 확보하지 못해 상용화에 실패하는 경우가 적지 않다는 것이다.

연구팀은 흔히 ‘데스 밸리’라고 불리는 연구실과 산업 현장 사이의 간극을 대표적으로 보여주는 사례로 바이오 기반 화학원료인 숙신산과 생분해성 플라스틱 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)를 분석했다.

숙신산은 친환경 플라스틱과 다양한 화학소재를 만드는 핵심 원료다. 연구팀은 숙신산이 기존 석유화학 제품과 경쟁하기 위해서는 생산량뿐 아니라 원료 가격, 발효 공정, 분리·정제 비용, 시장 규모까지 함께 고려해야 하며 의약품, 화장품, 식품 소재 등 고부가가치 시장부터 단계적으로 진입하는 전략이 현실적인 해법이 될 수 있다고 제시했다.

또 PHA는 미생물이 세포 안에 축적하는 생분해성 플라스틱으로 사용 후 자연에서 분해되는 친환경 소재로 주목받는 소재지만 생산비와 회수 비용이 높아 기존 플라스틱과 비교하면 가격 경쟁력이 낮다. 이에 연구팀은 생산 공정을 단순화하고 의료용과 식품 포장재 등 고부가가치 분야부터 적용한 뒤 범용 시장으로 확대하는 단계적 접근이 필요하다고 분석했다.

또 연구팀은 인공지능(AI)이 바이오제조 산업화의 핵심 열쇠가 될 것이라고 전망했다. AI는 효소와 미생물 설계는 물론 생산 공정을 가상으로 구현하는 디지털 트윈, 경제성과 환경성을 동시에 분석하는 기술 등을 통해 바이오제조 전 과정을 최적화할 수 있으며 이를 통해 개발 기간과 생산 비용을 줄이고 상용화 성공 가능성을 높일 수 있다는 것이다.

연구를 이끈 이상엽 특훈교수는 “이번 연구는 바이오제조 산업화의 성공 조건을 종합적으로 분석하고 원료 확보부터 미생물 설계, 발효, 분리·정제, 시장 진입까지 전 주기를 아우르는 산업화 로드맵을 제시했다는 점에서 의미가 크다”고 밝혔다. 이 특훈교수는 “바이오제조 상용화는 원료-균주-발효-정제-시장으로 이어지는 전 과정이 유기적으로 연결돼야 가능하다”며 “시스템대사공학과 AI의 융합은 이러한 병목을 해결하고 바이오제조 시대를 앞당기는 핵심 기술이 될 것”이라고 덧붙였다.

이번 연구를 수행한 이상엽 카이스트 생명화학공학과 특훈교수, 김지연·유혜은·김민호 박사과정 연구원(왼쪽부터).

카이스트 제공

유용하 과학전문기자