산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2025.11 (p.42-46)

‘기름을 만드는 조류’, 엑스포 일본관의 주역으로
발전소의 CO₂로 대량 배양 추진

2025년 7월, 오사카 간사이 엑스포. 순환을 테마로 한 일본관에서 유독 눈길을 끄는 전시가 있었다. 여러 개의 튜브가 겹쳐진 포토바이오리액터다. 튜브 안에는 단백질 생성에 뛰어난 남세균(시아노박테리아)인 스피룰리나가 배양되고 있다.

일본관의 별도 공간인 ‘보이지 않는 수족관’에서는 녹조류인 보트리오코쿠스가 배양되고 있다. 모두 크기 1mm 미만의 미세조류다. 이들이 일본관의 주역이 된 배경에는, 조류가 석유를 대체할 수 있는 ‘바이오 제조’로 발전할 가능성을 지니고 있다는 점에 있다.

-- 조류의 기름이 PET로 --
보트리오코쿠스는 생체 내에 기름을 축적하는 조류다. 광합성으로 이산화탄소(CO₂)를 흡수해, 중유와 같은 긴 탄소 사슬이 특징인 탄화수소(보트리오코센)를 분비하고, 이를 세포외 매트릭스(구조체)에 유막처럼 저장한다.

이 조류가 만들어내는 탄화수소가 바로 석유 대체 원료로 기대를 모으고 있다. 배양조에서 얻은 고농도의 조류 용액을 건조한 뒤, 여기서 발생한 조체를 압착해 유분을 추출한다. 이후 촉매를 통한 열분해로 파라자일렌으로 변환하고, 이를 산화해 테레프탈산으로 만든다. 여기에 에틸렌글리콜과 중합하면 페트병 등 소모품의 원료인 PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트)를 제조할 수 있다.

오사카 간사이 엑스포의 일본관 전시를 감수한 곳은 치토세그룹의 치토세연구소(가와사키시)다. 2025년 6월에는 조류 유래 PET를 세계 최초로 제조했다. 일본 바이오 제조의 선진 사례로서 치토세연구소의 시도를 살펴보자.

-- 태양광 에너지의 0.015%로 충당 가능 --
미세조류 기반 바이오 제조의 강점은 환경 부하가 작다는 점이다. 우선 배양에 포도당 등의 당액이 필요 없다. 효모를 이용한 바이오에탄올 생산 등에서는 대부분 사탕수수 등 식용 자원 유래 당액을 사용한다. 그러나 조류의 경우는 물에 넣고 태양광을 쬐며 CO₂를 공급하면 된다. 세부적으로는 인이나 질소 등 영양염도 필요하지만, 미량이기 때문에 비용 요인으로는 크지 않다.

치토세연구소를 포함한 치토세그룹의 후지타(藤田) CEO는 “지구에 쏟아지는 태양광은 연간 4000ZJ(제타줄, 1줄의 10²¹배)인데, 인류가 사용하는 총에너지 소비량은 0.6ZJ에 불과하다. 즉 태양광 에너지의 0.015%만 광합성 등으로 활용할 수 있다면, 인류는 총에너지 소비에 상당하는 에너지량을 대체할 수 있어 에너지 절약을 강요할 필요가 없어진다”라고 강조한다.

-- 바이오 제조의 3계층과 과제 --
다만 바이오 제조는 크게 세 단계로 나뉘며, 각 단계마다 과제가 있다. 첫 번째는 미생물이나 세포의 ‘설계·개발’이다. 상용화를 위해서는 저렴한 영양원으로 증식하면서 목적 물질을 고속 생산할 수 있는, 수율이 높은 미생물이 필수가 된다.

두 번째는 제품화를 위한 대량 생산 단계인 ‘배양·생산’ 기술이다. 안정적 공급이 가능하지 않으면 석유를 대체할 수 없다. 만일 실험실 수준의 30L 배양조에서 효율적으로 생산이 가능했는데, 3kL로 스케일업 하면 수율이 악화되는 경우도 자주 발생한다.

세 번째는 실제로 플라스틱이나 화학섬유 등을 만드는 ‘정제·제품화’ 공정이다. 조류나 효모 유래 생성물은 제조 원료로 사용되기까지 여러 화학적인 변환 공정을 거친다. 이 공정이 많을수록 최종 제품의 생산 비용은 상승한다.

이 바이오 제조의 3단계 구조 가운데, 치토세연구소가 특히 강점을 가진 영역은 미생물의 ‘설계·개발’과 ‘배양·생산’ 영역이다. 특히 의약품이나 비료용 미생물 연구에서 실적을 쌓아 왔다. 후지타 CEO는 “우리의 뿌리는 미생물의 품종 개량이다. 미생물로 의약품을 만드는 것도, 화학품으로 만드는 것도, 정제 수준만 다를 뿐 본질적인 기술은 같다. 조류 기반 바이오 제조에도 응용할 수 있다”라고 설명한다.

-- AI 활용한 귀납적 개발 --
바이오 제조에서 미생물의 설계·개발과 관련해 흔히 언급되는 것이 ‘스마트 셀’이다. 유전자 조작이나 편집으로 생산 능력이 높은 미생물을 인공적으로 만드는 방법이다. 합성생물학이라고도 불리며, 물질 생산의 원리를 해명해 연역적으로 개발한다.

반면에 치토세연구소의 접근법은 다르다. 결과가 좋다면 인과관계는 불분명(블랙박스)해도 괜찮다는 입장이다. 즉, “이유는 모르지만 이 조건에서는 결과가 좋다”라는 상관관계를 축적해 귀납적으로 개발하는 방법을 선호한다.

다만, 상관관계를 도출하기 위한 데이터는 AI 기반의 기계학습을 전제로 수집한다. 배양 중에 수집되는 데이터는 온도, pH, 용존 산소, 냄새 등의 기존 데이터는 물론, 산화환원에 따른 전위 변화, 광학적 파장 정보 등도 포함한다. 인과관계는 AI의 블랙박스에 맡겨도, 상관관계에 관련되는 ‘결과가 좋아지는 조건’은 놓치지 않는다.

최적의 배양 조건을 AI로 자동 제어하는 기술도 실용화되고 있다. 치토세연구소는 2025년 6월, 아지노모토와의 공동연구 결과를 발표했다. 사상균이 단백질을 생산할 때의 조건을, 인간 설계안과 AI 설계안으로 비교했더니 AI 설계안이 2배의 생산량을 기록했다.

후지타 CEO는 이 AI 활용을 번역·생성 AI에 비유한다. “(번역 AI나 생성형 AI도) 초기에는 문법을 모두 이해시킨 뒤에 언어를 생성하는 방향이었다. 하지만 실제로는 방대한 학습 데이터에서 패턴을 추출하는 방향으로 성공했다”. 미생물의 설계·개발 역시 대량의 파라미터 데이터를 바탕으로 귀납적으로 승리 조건을 탐색한다.

-- 가와사키시 지하에 구축한 연구 공간 --
조류는 광합성을 전제로 하기 때문에 금속제 배양조로는 연구가 어렵다. 그래서 치토세연구소는 대규모 배양을 염두에 둔 투명 배양조를 개발했다. 가와사키시에 위치한 본사 기능 거점의 지하에 전용 연구 공간을 만들어, 일조 시간에 맞춰 점등·소등을 반복하면서 효율적인 광합성을 위한 연구를 하고 있다.

치토세연구소는 미세조류 농도가 높은 ‘진한 배양액’을 만들 수 있지만, 농도가 높을수록 투명도가 떨어져 유광층이 5cm 정도까지 떨어진다. 과거에는 깊이 20㎝의 배양조를 연못처럼 수평으로 펼치는 방안을 검토했지만, 토목 비용이 비싸고 생산 효율도 좋지 않았다.

그래서 배양조를 세로형으로 변경했다. 두께 5~10cm 정도의 비닐 풀장과 비슷한 얇은 배양조라면, 비스듬한 태양광도 투과돼 효율적으로 광합성을 할 수 있다. 높이를 키우면 수율은 증가하지만, 바람에 견디기 위한 건축 비용도 들어가기 때문에 1.5m 전후로 제한했다. 배양조 바닥에는 CO₂를 주입하는 튜브가 설치돼 있어 항상 기포가 올라온다.

여기서 선발 육종이나 개량한 미세조류를 대상으로, 어느 균주가 높은 수율을 보이는지, 더 효율적인 배양 기술은 없는지 검증하고 있다. 보트리오코쿠스와 스피룰리나뿐 아니라 기름과 단백질 모두 생산할 수 있는 클라미도모나스, 불포화지방산을 축적할 수 있는 난노클로롭시스 등 다른 종류도 폭넓게 연구하고 있다.

-- 화력발전의 CO₂ 활용한 대량 배양 목표 --
조류 유래 PET의 대량 생산을 염두에 둔 배양 스케일업도 추진하고 있다. 2023년에 NEDO 사업의 지원 아래, 말레이시아 사라왁주(보루네오섬)에 5ha 규모의 배양 시설을 설치했다. 화력발전소 인접 부지에서 배기가스인 CO₂ 활용해 보트리오코쿠스 등의 미세조류를 배양하고 있다.

말레이시아에 설치한 가장 큰 이유는 태풍이 없기 때문이다. 세로형 배양조는 바람에 취약해 일본에서는 강풍으로 인한 연쇄 전도 위험이 있다. 일조량도 동남아시아가 더 많아 광합성 배양에 적합하다.

치토세연구소는 1ha당 연간 건조 중량 70톤 생산을 목표로 제시, 그 가운데 30%인 21톤을 유분으로서 전망하고 있다. 2027년에는 현재의 20배인 100ha 규모로 확대할 계획이며, 이미 부지 선정도 진행하고 있다. 2030년에는 다시 20배인 2000ha 규모를 목표로 하면서, 조류 기반 산업 구축을 추진한다.

-- 정제 프로세스의 효율화가 가능할까? --
CO₂를 흡수하면서 석유를 대체하는 제조가 가능한 미세조류 바이오 제조. AI 활용 육종과 배양 기술의 개선, 스케일업과 생산 비용 절감이 착실하게 진전되고 있지만 과제는 여전히 산더미다.

후지타 CEO는 “배양조 하나만 놓고 봐도 해결해야 할 과제가 400줄 정도 된다”라고 말한다. 예를 들면 CO₂가 배양액에 녹는 효율의 향상이나, 배양조 높이와 건축 비용을 동시에 만족시키는 구조 개선 등, “바이오테크놀로지가 아닌 영역에서 과제가 많다”라고 말한다.

정제 공정 개선도 필수다. 현재는 조류에서 PET를 얻기까지 7개 공정이 필요하다. 치토세연구소의 가사하라(笠原) CIO(최고 이노베이션 책임자)는 “조류의 건조 중량에서 최종 제품이 되는 비율은 몇 퍼센트에 불과하다. 대략적으로 공정 하나를 거칠 때마다 0.6배가 되는 수준이다. 이 수율도 한 공정당 0.8~0.9 수준까지 끌어올리고 싶다”라고 말한다.

초기에는 아무리 낮게 잡아도 석유의 2~3배 가격이 된다. 단순한 비용 비교에서는 가격 경쟁력이 떨어져 도입이 지연될 수 있어 좌절한다. 이에 증산 초기에는 기존의 석유 플랜트에서도 처리 가능한 수준으로 변환한 뒤, 일부 원료로 혼합하는 ‘매스 밸런스 방식’ 판매도 검토하고 있다. 물론 고객에 따라서는 바이오 100%를 원하는 요구도 있을 수 있기 때문에 산업계와의 조율은 필수다.

그래서 치토세연구소는 2021년에 조류 산업 구축을 목표로 한 ‘MATSURI’ 프로젝트를 시작했다. ENEOS나 혼다, 미쓰이화학, 소니, 시세이도 등 100여 개 기업이 참여하고 있으며, 그 중에는 자동차용 수지 제조나 윤활제, 도료 등의 소재 업체도 많다. 다양한 업계의 기업을 끌어들이며, 조류 기반 바이오 제조 실현을 목표로 하고 있다.

 -- 끝 --
 

Copyright © 2025 [Nikkei Monozukuri] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.

Nikkei Monozukuri_2025.11 목차

도전자
과제 설정부터 해결까지가 연구개발
사카모토 고이치(고베제강소 이사집행임원 전사기술개발총괄)

뉴스의 심층
・오사카가스, e-메탄 상용화 위한 신규 거점 -- 인접 시험 설비로 비용 절감에 주력

・핵융합용 초전도 케이블 검증 막바지 -- Helical Fusion, 고자기장 시험으로

・일본의 양자 스타트업 5곳을 미국 유럽 VC가 지원 -- 나와라 차세대 유니콘

・NVIDIA, 신규 임베디드 모듈 공개 -- 성능 7.5배로 휴머노이드 로봇과 생성형 AI도 커버

・거울 같은 알루미늄포일이나 종이에 부품 구현 등 -- 특기 기술과 기대의 신사업 집결
‘모노즈쿠리 파트너 포럼 오사카 2025’ 보고

REPORT
・도카이도 신칸센 고다마 764호의 연기 발생 사고 -- 과거 손상 이력 있는 2개 부품

・노벨 화학상에 ‘MOF’ 개발자 -- 교토대학 기타가와(北川) 교수, 연구에 더욱 의욕적

・일본 시장에서 수소나 원자력에 도전하는 3M -- 에너지 관련 재료에 주력

특집1
일하는 미생물, 바이오 제조 도약의 전야

Part 1. 높아지는 기대
‘기름을 만드는 조류’, 엑스포 일본관의 주역으로 -- 발전소의 CO₂로 대량 배양

Part 2. 수소산화균
미개척 가스 발효로 만드는 생분해성 플라스틱 -- 가네카, 닛키HD와 시마즈제작소와 협업

Part 3. 미도리무시
인장강도 30MPa의 접착제 실현 -- 200℃에서 간단 분해해 유럽 폐차 규제 대응

Part 4. 스마트 셀
미생물의 품종 개량 불과 1~2년 -- 로봇과 양자계산으로 초고속 개발

Part 5. 스케일업
대형 배양을 유체 해석으로 철저 재현 -- 3000L급에서 생산성 3배 실증

Part 6. 아카데미아
남세균(시아노박테리아)에서 에틸렌 등 -- 대학 기술 전시회의 주목 기술 4선

Part 7. 앙케트, 제조 조사 랩
50% 이상이 ‘석유 대체’ ‘순환 사회’에 기대 -- 소모품용 원료로서 수요 강세

사고는 말한다
엡실론S 로켓의 연소 시험에서 폭발 -- 원인은 열 방호재 소손 가능성

니치아화학공업, 청색반도체 레이저 개발 이야기
확대가 확실한 시장에는 관심 없다
제4회 레이저 연구자가 다음으로 노린 것

PICK UP
‘연결 상대가 사라졌다?’ 도호쿠 신칸센 야마비코 63호의 긴급 제동 작동 외

서플라이 체인 신상식 걸작선
금형 보관 비용은 문서로 명시 -- ‘양산 단가에 포함’은 통하지 않는다

제7회

도요타 방식의 인재양성, 당신의 고민에 응답합니다
제137회: 제조에서 이익을 내려면

EDITORS' ROOM
디지털로 효율화는 정말 가능한가 외

편집부 추천 도서
모터 제어 해설서의 결정판

 -- 끝 --
 

Copyright © 2025 [Nikkei Monozukuri] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.