목질계 바이오화합물, AI 기술로 생산성 높인다

다음은 대한민국 정부 부처인 국립산림과학원에서 발표한 보도자료 "목질계 바이오화합물, AI 기술로 생산성 높인다"에 대한 상세하고 포괄적인 요약입니다.

1. 핵심 요약

국립산림과학원은 한국화학연구원, ㈜에이아이바이오틱스와 협력하여 인공지능(AI) 기술을 활용해 목질계 바이오화합물인 바닐린의 생산성을 획기적으로 높이는 데 성공했습니다. 이 공동 연구는 산림청 R&D 과제의 일환으로, 목재 부산물인 리그닌을 활용하여 고부가가치 화학물질을 생산하는 친환경 기술을 개발하고 있습니다. 2024년 현재 AI 적용을 통해 초기 대비 1.5배 높은 생산성을 달성했으며, 2026년까지 상업화 수준의 생산성 확보를 목표로 하여 국내 바이오경제 활성화와 탄소중립 실현에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.

2. 주요 내용

• AI 기반 바닐린 생산성 향상 성공: 국립산림과학원은 한국화학연구원, ㈜에이아이바이오틱스와의 협력을 통해 AI 기술을 목질계 바이오화합물 생산 공정에 도입하여, 고부가가치 물질인 바닐린의 생산성을 초기 AI 적용 시점 대비 1.5배 향상시키는 데 성공했습니다. 이는 복잡한 미생물 전환 공정의 최적화를 AI가 가속화했음을 의미합니다.
• 고부가가치 바이오화합물 '바닐린' 집중: 연구팀은 목재의 주요 구성 성분 중 하나인 리그닌(lignin)을 원료로 사용하여 바닐린(vanillin)을 생산하는 기술에 집중하고 있습니다. 바닐린은 식품, 향료, 의약품 등 다양한 산업에서 활용되는 고부가가치 화학물질로, 전 세계 시장 규모가 약 1조 원에 달합니다.
• 산림청 R&D 과제 추진: 본 연구는 산림청의 R&D 과제인 "AI 기반 목질계 바이오화합물 생산성 향상 기술 개발"의 일환으로 진행되고 있습니다. 이는 정부 차원에서 산림 바이오매스(생물 자원)의 활용도를 높이고 친환경 산업을 육성하려는 의지를 보여줍니다.
• 협력 기관별 역할 분담: 국립산림과학원은 전체 연구를 총괄하며 리그닌 추출 및 미생물 전환 공정 개발을 담당하고, 한국화학연구원은 바닐린 생산에 최적화된 미생물 균주(예: 코리네박테리움 글루타미쿰) 개발 및 개량을 맡고 있습니다. ㈜에이아이바이오틱스는 미생물 배양 조건 최적화를 위한 AI 모델 개발 및 데이터 분석을 수행합니다.
• 2026년 상업화 수준 생산성 목표: 연구팀은 현재의 성과를 바탕으로 2026년까지 바닐린 생산성을 상업화가 가능한 수준인 리터당 100그램(100g/L) 이상으로 끌어올리는 것을 목표로 하고 있습니다. 이는 실제 산업 현장에서 경제성을 확보할 수 있는 중요한 기준이 됩니다.
• 친환경 산림 바이오매스 활용: 이 기술은 기존에 주로 폐기되거나 저가로 활용되던 목재 부산물인 리그닌을 원료로 사용함으로써, 산림 자원의 고부가가치화를 실현하고 자원 순환 경제에 기여합니다. 이는 화석 연료 기반 화학 산업을 대체하는 친환경적인 대안을 제시합니다.
• 탄소중립 및 바이오경제 기여: 목질계 바이오매스를 활용한 바이오화합물 생산은 탄소 배출량을 줄이고 지속 가능한 자원 활용을 촉진하여 국가 탄소중립 목표 달성에 기여합니다. 또한, 새로운 고부가가치 바이오산업을 창출하여 국내 바이오경제 활성화에 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.

3. 배경 및 목적

전 세계적으로 기후 변화와 자원 고갈 문제에 대한 인식이 높아지면서, 화석 연료 기반의 산업 구조를 친환경적이고 지속 가능한 바이오 기반 산업으로 전환하려는 움직임이 가속화되고 있습니다. 이러한 흐름 속에서 '바이오경제(Bioeconomy)'는 미래 성장 동력으로 주목받고 있으며, 생물 자원을 활용하여 고부가가치 제품을 생산하는 기술 개발이 필수적입니다.

우리나라는 산림 면적이 국토의 63%를 차지할 정도로 풍부한 산림 자원을 보유하고 있습니다. 특히 목재를 가공하는 과정에서 발생하는 리그닌은 셀룰로스, 헤미셀룰로스와 함께 목재의 3대 주요 성분 중 하나이지만, 그동안 주로 에너지원으로 소각되거나 저가 제품의 원료로 활용되어 왔습니다. 리그닌은 방향족 화합물 구조를 가지고 있어 다양한 고부가가치 화학물질로 전환될 잠재력이 매우 큼에도 불구하고, 복잡한 화학적 구조와 전환 과정의 어려움으로 인해 그 활용이 제한적이었습니다.

기존의 바이오화합물 생산 공정, 특히 미생물을 이용한 생물 전환(bioconversion) 과정은 미생물 배양 조건(온도, pH, 영양분 농도 등)과 반응 조건이 매우 복잡하고, 최적의 조건을 찾기 위해 수많은 실험과 시행착오를 거쳐야 하는 비효율적인 방식이었습니다. 이는 연구 개발 기간을 장기화하고 상업화에 필요한 비용을 증가시키는 주요 원인이었습니다.

이러한 배경 속에서 본 연구의 핵심 목적은 크게 세 가지입니다. 첫째, 국내에 풍부한 산림 바이오매스, 특히 미활용되던 리그닌을 활용하여 고부가가치 바이오화합물인 바닐린을 생산하는 친환경 기술을 개발하는 것입니다. 둘째, 복잡하고 시간 소모적인 미생물 전환 공정에 인공지능(AI) 기술을 접목하여 최적의 생산 조건을 신속하게 찾아내고, 이를 통해 생산 효율성과 경제성을 획기적으로 향상시키는 것입니다. 셋째, 이러한 기술 개발을 통해 국내 바이오산업의 경쟁력을 강화하고, 새로운 고부가가치 산업을 창출하여 국가 바이오경제 발전에 기여하며, 궁극적으로는 화석 연료 의존도를 낮춰 탄소중립 사회로의 전환에 이바지하는 것입니다.

4. 세부 추진 내용

본 연구는 2023년부터 산림청의 지원을 받아 "AI 기반 목질계 바이오화합물 생산성 향상 기술 개발" 과제로 추진되고 있으며, 국립산림과학원, 한국화학연구원, ㈜에이아이바이오틱스 세 기관의 전문성을 결합한 유기적인 협력 체계로 진행됩니다.

각 기관은 명확한 역할 분담을 통해 연구의 효율성을 극대화하고 있습니다. 국립산림과학원은 전체 연구 과제를 총괄하며, 목재로부터 리그닌을 효과적으로 추출하는 기술과 추출된 리그닌을 바닐린으로 전환하는 미생물 생물 전환 공정의 전반적인 개발을 주도합니다. 이는 원료 확보부터 최종 제품 생산까지의 핵심 공정을 아우르는 역할을 합니다. 한국화학연구원은 바닐린 생산에 특화된 고성능 미생물 균주를 개발하고 개량하는 데 집중합니다. 특히, 바닐린 생산 효율이 높은 코리네박테리움 글루타미쿰(Corynebacterium glutamicum)과 같은 미생물을 유전적으로 조작하거나 최적화하여 생산 능력을 극대화하는 연구를 수행합니다.

이러한 공정 및 균주 개발의 핵심적인 효율 향상은 ㈜에이아이바이오틱스가 개발한 AI 모델에 의해 이루어집니다. AI 모델은 미생물 배양 및 전환 공정에서 발생하는 방대한 실험 데이터를 학습하고 분석합니다. 구체적으로, 미생물의 성장과 바닐린 생산에 영향을 미치는 다양한 인자들, 예를 들어 배양 온도, pH(산성도), 산소 공급량, 영양분 및 기질(리그닌 유래 화합물)의 농도, 배양 시간 등을 종합적으로 고려하여 최적의 조합을 예측합니다. AI는 기존의 수많은 시행착오를 거쳐야 했던 실험 과정을 대체하거나 대폭 단축시키며, 가장 효율적인 생산 조건을 제시함으로써 연구 시간을 단축하고 자원 소모를 줄입니다.

이러한 AI 기반 최적화 노력의 결과로, 2024년 현재 연구팀은 AI 기술 적용 초기 대비 바닐린 생산성을 1.5배 향상시키는 유의미한 성과를 달성했습니다. 이는 AI가 복잡한 생물학적 시스템의 최적화에 얼마나 효과적인지를 입증하는 구체적인 사례이며, 향후 상업화 가능성을 높이는 중요한 진전으로 평가됩니다.

5. 기대 효과

이 AI 기반 목질계 바이오화합물 생산 기술 개발은 경제적, 환경적, 기술적 측면에서 매우 광범위하고 긍정적인 파급 효과를 가져올 것으로 기대됩니다.

경제적 측면에서, 가장 큰 기대 효과는 새로운 고부가가치 바이오산업의 창출입니다. 전 세계 바닐린 시장은 약 1조 원 규모로 추정되며, 현재 대부분 수입에 의존하고 있는 상황입니다. 국내에서 리그닌을 활용한 바닐린 생산 기술이 상업화되면, 수입 의존도를 크게 낮추고 국내 산업의 자립도를 높일 수 있습니다. 또한, 고부가가치 바이오화합물 생산을 통해 산림 자원의 활용 가치를 극대화하고, 관련 산업 생태계(원료 공급, 생산, 유통 등) 전반에 걸쳐 새로운 일자리 창출과 경제 활성화에 기여할 것입니다. 이는 국내 바이오산업의 경쟁력을 강화하고 글로벌 시장에서 선도적인 위치를 확보하는 데 중요한 발판이 될 것입니다.

환경적 측면에서, 이 기술은 탄소중립 사회로의 전환에 핵심적인 역할을 합니다. 목재 부산물인 리그닌은 바이오매스 기반의 재생 가능한 자원으로, 이를 활용하여 화학제품을 생산하는 것은 화석 연료 사용을 줄이는 효과를 가져옵니다. 이는 온실가스 배출량 감소로 이어져 국가 탄소중립 목표 달성에 직접적으로 기여합니다. 또한, 기존에 폐기되거나 저가로 처리되던 산림 부산물을 고부가가치 자원으로 재활용함으로써 자원 순환 경제를 촉진하고 환경 부하를 줄이는 데도 큰 도움이 됩니다.

기술적 측면에서, AI와 바이오 기술의 융합은 미래 산업의 핵심 동력이 될 것입니다. 이 연구를 통해 축적된 AI 기반 미생물 전환 공정 최적화 기술은 바닐린뿐만 아니라 다른 다양한 고부가가치 바이오화합물 생산에도 적용될 수 있는 범용성을 가집니다. 이는 국내 바이오 기술 수준을 한 단계 끌어올리고, 글로벌 바이오 기술 혁신을 선도하는 데 기여할 것입니다. 궁극적으로는 산림 바이오매스를 활용한 지속 가능한 바이오리파이너리(biorefinery, 바이오매스를 원료로 다양한 제품을 생산하는 복합 공정) 시스템 구축의 기반을 마련하여, 미래 바이오경제 시대에 대비하는 중요한 기술적 역량을 확보하게 될 것입니다.

6. 향후 계획

국립산림과학원과 협력 기관들은 현재의 성공적인 연구 성과를 바탕으로 목질계 바이오화합물 생산 기술의 상업화를 위한 구체적인 로드맵을 수립하고 있습니다. 가장 시급한 목표는 2026년까지 바닐린 생산성을 상업화가 가능한 수준인 리터당 100그램(100g/L) 이상으로 끌어올리는 것입니다. 이를 위해 AI 모델의 정교함을 더욱 높이고, 실제 산업 현장에 적용 가능한 대규모 생산 공정(스케일업) 기술을 개발하는 데 집중할 예정입니다.

장기적으로는 바닐린 외에 리그닌으로부터 생산 가능한 다른 고부가가치 바이오화합물(예: 페놀 유도체, 방향족 아민 등)로 연구 범위를 확장할 계획입니다. 이는 산림 바이오매스의 활용 가치를 더욱 높이고, 다양한 산업 분야에 적용될 수 있는 제품 포트폴리오를 구축하는 데 기여할 것입니다. 또한, 산림 바이오매스 전반을 활용하여 에너지, 연료, 화학제품 등 다양한 제품을 생산하는 '바이오리파이너리' 시스템 구축을 위한 기반 기술을 지속적으로 연구 개발할 예정입니다.

이러한 노력은 궁극적으로 국가 바이오경제 전략의 핵심 축을 담당하며, 국내 산림 자원을 활용한 지속 가능한 산업 생태계를 조성하고, 글로벌 바이오 시장에서 대한민국의 경쟁력을 강화하는 데 중요한 역할을 할 것입니다. 국립산림과학원은 앞으로도 산림 바이오매스를 활용한 친환경 기술 개발에 매진하여 탄소중립 사회 실현과 국민 삶의 질 향상에 기여할 것입니다.