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신소재공학부
권인찬 교수
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“산업용 폐가스에 함유된 수소를 고부가가치 화합물로”
GIST, 정제 과정 필요 없는 다중 효소 반응기 개발
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신소재공학부 권인찬 교수 연구팀, 수소 자원 이용한 물질 전환(과당→ 약물) 시스템 활용 기대… 
실제 폐가스와 성분 유사한 모사가스 통해 폐가스에서의 사용 가능성 확인, 최소 6번 재사용 가능
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“저렴한 비용으로 부가가치 물질 생산함으로써 친환경적이고 지속 가능한 산업 구조 
형성에 기여할 것”… 국제학술지《Chemical Engineering Journal』》 게재
□ 폐가스에 포함된 수소를 별도로 분리하지 않고 그대로 이용하여 고부
가가치 화합물로 만드는 기술이 개발됐다.
  ∘ 광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 신소재공학부 권인찬 교수 연구
팀이 저렴한 수소 자원을 이용해 약물과 같은 고부가가치의 화합물을 
산업적으로 생산할 수 있는 다중 효소 반응기를 개발했다고 밝혔다.
□ 에너지를 발생시킬 때 부산물로 물만 배출하는 수소는 매우 친환경적
인 자원으로 각광받고 있다. 특히 탄소중립 시대에 접어들면서 산업 현
장에서 발생하는 폐가스와 가스화된 고형 폐기물 등에 존재하는 수소
는 생산 비용이 저렴하여 지속 가능한 발전을 위한 고에너지 자원으로 
주목받고 있다.
   그러나 산업용 폐가스처럼 생산 비용이 적게 드는 수소 자원에는 촉
매의 효율을 감소시키는 기체가 포함되어 있어 별도의 수소 정제 과
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정이 필요한데 여기에는 많은 비용이 소요된다는 단점이 있다.
□ 이를 해결하기 위해 연구팀은 별도의 정제 과정 없이 수소 자원을 이
용할 수 있는 친환경 다중 효소 생촉매를 개발했다.
□ 연구팀은 폐가스에 포함된 다양한 성분에 접하면 기능이 크게 감소하
는 무기물 촉매와는 달리 기능이 유지되는 생촉매를 개발하였다. 수소
화효소*와 만니톨 환원 효소* 사이를 보조인자*로 연결하여 폐가스와 
과당으로부터 의약품인 만니톨을 생산하는 생촉매를 설계하였다.
   * 수소화효소(Hydrogenase) :  수소의 산화-환원을 촉매하는 효소
   * 만니톨 환원 효소 : 과당과 만니톨 사이의 산화-환원 반응을 촉매하는 효소
   * 보조인자 : 효소의 활성을 위해 필요한 유기 또는 금속 화합물 
□ 이와 같이 설계된 효소 반응기는 매개 효율이 200% 이상 향상되었다. 
매개 효율을 높이기 위해 두 효소와 엘라스틴 유사 폴리펩타이드에 연
결된 보조인자를 동일 수지 내에 고정하고, 보조인자가 연결된 폴리펩
타이드의 길이와 수지 내 구성요소의 농도를 조절한 것이다.
  ∘ 실제 폐가스와 성분이 유사한 모사가스를 통해 폐가스에서의 사용 가
능성을 확인한 결과, 순도 높은 수소를 자원으로 사용했을 때의 생산
량과 비교했을 때, 폐가스 모사 조건에서 80% 이상 유사한 생산효율
을 보였다.
 이번 연구 성과는 수소를 생산하는 과정에서 촉매의 효율 저하를 극복
함으로써 더 친환경적이고, 지속 가능한 물질 전환 시스템에 활용될 수 
있을 것으로 기대된다. 
   효소 반응 시스템은 고체상에 고정되어 있고 생성물은 수용액 상에 
존재하기 때문에 단순한 필터를 통해 용이하게 두 상을 분리할 수 있
다. 효소 반응 시스템과 생산물과의 분리를 반복하는 실험을 진행하
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여 생산효율이 최소 6회 유지됨을 확인하였다. 이를 통해 해당 시스
템이 재사용 가능하다는 것이 증명되었다. 
□ 권인찬 교수는 “이번 연구 성과는 폐가스에 함유된 수소 자원을 활용
함으로써 지속 가능한 산업 공정을 위한 효소 반응기 활용의 가능성을 
보여 준다”면서, “산업적으로 별도의 정제 과정 없이 폐가스의 수소
를 이용하여 저렴한 비용으로 부가가치 물질을 생산함으로써 산업 구
조가 더 친환경적이고 지속 가능한 방식으로 발전하는 데 이바지할 것
으로 기대된다”고 밝혔다. 
□ GIST 신소재공학부 권인찬 교수가 지도하고 박현선 통합과정생이 수행
한 이번 연구는 한국연구재단 선도연구센터 사업의 지원을 받았으며, 
화학공학 분야 상위 5% 국제학술지 《Chemical Engineering Journal》
에 2024년 8월 3일 온라인 게재됐다.  <끝>
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용 어 설 명
1.
수소화효소(Hydrogenase) :  
  ○ 수소의 산화-환원을 촉매하는 효소
2.
만니톨 탈수소효소: 
  ○ 과당과 만니톨 사이의 산화-환원 반응을 촉매하는 효소
3. 스윙 암: 
  ○ 고체 지지체에 보조인자의 유동성을 확보한 상태로 고정화시키기 
위한 수~수십 나노미터(nm) 길이를 갖는 지지체. 
4. 엘라스틴 유사 폴리펩타이드: 
  ○ 엘라스틴 유사 폴리펩타이드는 엘라스틴이라는 단백질에서 유래된 인공 
단백질로, 고도로 유연하면서도 기계적 강도를 가진 특성을 가지고 있다. 
이러한 특성으로 인해 바이오의학 및 재료과학 등 다양한 분야에서 
유용하게 활용되고 있다.
5. 만니톨: 
  ○ 알코올성 당분으로 다양한 식품에 사용되는 천연 감미료이다. 소화기 및 
기관지 질환에 대한 치료제이며, 치과 치료 시에도 사용된다.
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사 진 설 명
[사진] (왼쪽부터) 신소재공학부 권인찬 교수, 박현선 통합과정 학생
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그 림 설 명
[그림1] 저렴한 수소자원을 이용할 수 있는 재사용 가능한 생촉매 반응기.  
동일 수지에 고정화된 두 효소와 보조인자 스윙암. 
[그림2] 폐가스 모사조건에서의 만니톨 생산 효율.  정제 수소 
조건(검은색), 폐가스 모사조건(빨간색), 가스화된 고형 폐기물 
조건(파란색)에서 개발한 생촉매 시스템에 의한 만니톨 생산량 
비교. 세 조건에서 유사하게 생산됨을 확인. 
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[그림3] 개발된 시스템의 재사용 생산 유지.  반응기를 6번 반복 사용하는 
동안 생산량이 유지됨을 확인. 
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논문의 주요 정보
1. 논문명, 저자정보 
 - 저널명 : Chemical engineering journal (IF:13.3, 2023 기준)
 - 논문명 : Hydrogen-powered enzymatic valorization using multi-enzyme 
co-immobilization reactor with polypeptide-based cofactor 
swing-arm
 - 저자 정보 : 박현선 (제1저자, GIST 신소재공학부), 차재현 (제1저자, 
한국에너지기술연구원), 권인찬 (교신저자, GIST 
신소재공학부)