공기와 물로 만드는 합성 버터: 실험 가이드

 

공기와 물로 만드는 합성 버터: 실험 가이드

1. 물과 공기를 기반으로 지방 합성하기

공기 중 이산화탄소(CO₂)와 물(H₂O)로부터 식용 지방(중성지방, 트리글리세라이드)을 합성하는 것은 최근 식품과 기후기술 분야의 혁신적인 도전 과제입니다. 합성 버터란 소나 식물에 의존하지 않고, 대기 중 탄소와 수소 등으로 만든 지방을 말합니다. 이를 위해 크게 두 가지 접근 방법이 있습니다: 화학적 합성 경로와 생물학적 합성 경로입니다. 화학적 경로는 CO₂와 수소(H₂) 기체를 직접 반응시켜 지방산이나 탄화수소 사슬을 만드는 방법이고, 생물학적 경로는 미생물이나 조류(藻類, algae)의 광합성 또는 발효 대사를 활용해 공기와 물로부터 지방을 생산하는 방법입니다. 아래에서는 이 두 접근에 대한 원리와 방법을 자세히 설명합니다.

1.1 화학적 합성 접근법 (CO₂ + H₂ → 지방)

화학적 접근에서는 이산화탄소에 포함된 **탄소(C)**와 물로부터 얻은 **수소(H₂)**를 이용해 탄화수소 사슬을 만들고, 이를 지방 형태로 전환합니다 (Bill Gates-backed startup makes 'butter' out of water and carbon dioxide). 예를 들어, 물을 전기분해하여 수소 기체를 얻은 후, 이 수소를 이산화탄소와 함께 촉매 반응시켜 지방산과 같은 긴 사슬 화합물을 합성할 수 있습니다 (Bill Gates-backed startup makes 'butter' out of water and carbon dioxide). 이 과정의 핵심은 적절한 촉매와 반응 조건을 찾아 CO₂를 환원하여 탄소-수소 사슬을 만들어내는 것입니다. 합성된 탄화수소 사슬에 산소 원자를 도입하여 카복실산(지방산) 형태로 만들고, 이를 글리세롤(glycerol)과 에스터화 반응시켜 트리글리세라이드를 얻으면 식용 지방과 유사한 구조가 완성됩니다. 요약하면, CO₂에서 탄소를, 물에서 수소를 뽑아내어 **“탄소-수소 사슬 + 산소”**를 구성하면 버터의 주성분인 지방질을 화학적으로 만들 수 있다는 개념입니다 (Savor Successfully Develops Dairy & Plant-Free Butter From CO2 and Hydrogen - vegconomist - the vegan business magazine).

이론적으로는 **피셔-트롭슈 합성(Fischer–Tropsch)**과 유사한 공정을 이용할 수 있습니다. 피셔-트롭슈 공정은 원래 일산화탄소(CO)와 수소를 금속 촉매 하에서 반응시켜 탄화수소 연료나 윤활유를 만드는 과정으로, 150–300 °C 온도와 수 기압 이상의 압력에서 작동합니다 (Fischer–Tropsch process - Wikipedia) (Fischer–Tropsch process - Wikipedia). CO₂는 CO보다 안정하지만, 역수성 가스 전환(RWGS) 반응으로 CO₂를 CO로 바꾸거나 CO₂를 직접 환원하는 촉매를 사용하면 피셔-트롭슈와 연결시킬 수 있습니다. 이 방법으로 탄소 길이가 긴 왁스나 합성유를 얻을 수 있으며, 실제로 FT공정으로 식품 등급의 왁스를 생산한 사례도 있습니다 (Fischer–Tropsch process - Wikipedia). 합성된 파라핀 왁스 자체는 식용으로 영양을 주진 않지만, 적절히 산화시켜 지방산으로 전환하면 식용 지방의 재료로 활용 가능합니다. 현대의 한 스타트업 Savor는 이러한 열화학적 공정을 통해 CO₂와 H₂로 지방분자를 “빌드업”하여 버터를 만들었다고 보고하였습니다 (Savor Successfully Develops Dairy & Plant-Free Butter From CO2 and Hydrogen - vegconomist - the vegan business magazine). 이들은 약간의 열과 촉매를 이용해 수소와 CO₂로 탄소 사슬을 만든 뒤, 공기 중의 산소를 결합시켜 일반 지방과 동일한 구조를 얻었다고 합니다 (Bill Gates-backed startup makes 'butter' out of water and carbon dioxide). 즉 “CO₂ + H₂ → (탄화수소 사슬 형성) → 산소 첨가 → 지방산/중성지방”의 단계를 거친 것입니다.

이 화학 합성 접근의 구현에는 여러 단계가 필요합니다. 먼저 수소 제조 단계가 있습니다. 이는 물을 전기분해하여 고순도 수소 기체를 얻는 것으로, 실험실이나 가정에서도 소형 전기분해 장치를 통해 가능합니다 (예: 물+전자석, 스테인리스 전극, 512V 직류 전원 등). 다음으로 이산화탄소 공급이 필요합니다. 주변 공기 중 CO₂ 농도는 약 0.04%로 낮기 때문에, 직접 공기를 사용하는 것보다는 베이킹소다+식초 반응이나 드라이아이스, CO₂ 소화기 등에서 CO₂를 모아 사용하는 편이 효율적입니다. 수소와 CO₂를 반응시키기 위해서는 내열성 용기(예: 소형 압력 용기나 스테인리스 배관)와 가열 장치가 필요하며, 내부에 촉매를 장착해야 합니다. 촉매로는 비교적 저렴하고 구하기 쉬운 철(Fe) 기반 촉매를 활용할 수 있습니다. 예를 들어 녹슨 철판이나 철가루, 또는 철 산화물(마그네타이트, Fe₃O₄) 등이 원시적인 촉매 역할을 할 수 있습니다 (Generation of long-chain fatty acids by hydrogen-driven bicarbonate reduction in ancient alkaline hydrothermal vents | Communications Earth & Environment). 연구에 따르면 철이 풍부한 촉매(마그네타이트)와 수소를 90 ℃ 정도의 비교적 낮은 온도에서 CO₂(bicarbonate 형태)와 반응시켜 탄소 개수가 18개까지 되는 지방산을 생성한 사례도 있습니다 (Generation of long-chain fatty acids by hydrogen-driven bicarbonate reduction in ancient alkaline hydrothermal vents | Communications Earth & Environment). 이러한 촉매 반응은 일반적으로 고온·고압에서 수 시간 반응을 진행해야 하며, 생성물로 다양한 길이의 탄화수소 및 산소화합물이 얻어집니다. 생성된 혼합물 중에서 원하는 지방산을 얻었다면, 이를 회수하여 글리세롤과 반응시켜 트리글리세라이드를 합성합니다. 글리세롤은 약국 등에서 쉽게 구할 수 있는 무색 점액질 액체로, 식용으로도 안전합니다. 지방산과 글리세롤의 에스터화는 산 촉매(예: 소량의 황산) 존재 하에 가열하면 진행되며, 물이 부산물로 생성됩니다. 실험적으로는 비커나 플라스크에 지방산과 글리세롤, 촉매를 넣고 150200 ℃로 가열하여 몇 시간 유지하면 일부 트리글리세라이드가 형성될 수 있습니다. 이 과정을 통해 최종적으로 **“합성 버터 오일”**이 만들어지며, 냉각 시 고체 또는 반고체 형태의 지방으로 얻을 수 있습니다.

요약하면, 화학적 경로를 통해 CO₂ + H₂ → 합성 탄화수소 → 지방산 → 트리글리세라이드의 순서로 지방을 만들 수 있습니다. 그러나 이 경로는 높은 에너지 투입과 특수한 반응기구, 안전 관리가 필요하여 가정 실험 수준에서는 구현이 어렵거나 제한적입니다 (자세한 내용은 아래 3번 섹션에서 논의).

1.2 생물학적 합성 접근법 (미생물/조류 이용)

자연에서는 식물과 미생물이 이미 공기와 물로부터 유기물과 지방을 합성하고 있습니다. 광합성을 통해 식물성 기름이 만들어지는 과정이 대표적입니다. 식물의 경우 공기 중 CO₂와 물, 태양광을 이용해 포도당 등의 탄수화물을 만들고, 이를 변환하여 지방을 축적합니다. 예를 들어 해바라기나 올리브 나무는 광합성 산물을 지방산으로 전환해 씨앗에 기름을 저장합니다. 이와 비슷하게 미세조류(마이크로알gae) 또한 광합성을 통해 자신의 세포 내에 기름방울 형태의 **지질(lipid)**을 축적할 수 있습니다. 따라서 미세조류 배양은 물과 CO₂만으로 지방을 얻는 한 가지 생물학적 대안입니다. 조류 중에는 건조 중량 대비 20~50% 이상의 오일을 축적하는 종도 알려져 있으며, 배양 조건(빛, 영양염 제한 등)에 따라 지방 합성량을 조절할 수 있습니다. 예를 들어, 녹조류 Chlorella 나 규조류 Nannochloropsis 등은 질소 공급을 제한하면 더 많은 중성지방을 축적하는데, 이러한 현상을 이용해 바이오디젤을 생산하는 연구가 진행되어 왔습니다. 가정 실험으로도 스피루리나(spirulina)나 클로렐라 분말을 배양하거나, 연못 물에서 채취한 조류를 투명한 병에 배양하면서 CO₂를 공급해 지방 함량을 높이는 실험을 시도할 수 있습니다. 수 주에 걸쳐 생물량을 키운 뒤, 세포를 수확하여 말리고 용매 추출 등을 통해 지방 성분을 분리하면 식용 가능한 오일을 얻을 수 있습니다.

또 다른 생물학적 접근은 미생물 발효를 활용하는 것입니다. 이는 이산화탄소를 직접 고정하는 미생물을 이용하거나, 또는 공기에서 유래한 간단한 화합물을 먹이로 주어 지방을 만들게 하는 방법입니다. 예를 들어 수소 자가영양균(hydrogenotroph)이라 불리는 일부 미생물은 CO₂와 H₂로만 생장을 할 수 있습니다. 이러한 박테리아(예: Ralstonia eutropha, Clostridium 종 등)는 CO₂를 고정하여 세포 성분을 합성하고, 일부는 에너지 저장물질로 지방이나 왁스 에스터를 만들기도 합니다. 그러나 많은 박테리아는 지방보다는 다당류나 폴리머(예: PHB 같은 생분지)를 합성하는 경우가 많아, 이를 식용 지방으로 직접 활용하기엔 한계가 있습니다. 대신, 두 단계로 나누어 발효할 수도 있습니다. 1단계로는 Clostridium 같은 혐기성 균주를 이용해 H₂+CO₂로 아세트산(초산) 등을 생산하고 (Microbial conversion of carbon dioxide into premium medium-chain fatty acids: the progress, challenges, and prospects | npj Materials Sustainability), 2단계로는 이 아세트산을 먹이로 주어 효모나 곰팡이 등 지방생성 미생물을 배양하여 지방을 축적하게 할 수 있습니다 (Microbial conversion of carbon dioxide into premium medium-chain fatty acids: the progress, challenges, and prospects | npj Materials Sustainability). 예를 들어 일부 효모(예: Yarrowia lipolytica, Rhodosporidium 등)은 당이나 초산을 주면 세포 내에 60%까지 지방을 축적하는데, 이런 **올레진적 미생물(oleaginous microbes)**을 활용하는 것입니다. 다만 이러한 발효 경로는 가정에서 구현하기에는 균주 확보나 무균 환경 유지 등의 난도가 있습니다.

좀 더 손쉬운 생물학적 접근은 일반적인 식품 미생물을 활용하는 것입니다. 예를 들어 베이커리 효모(맥주효모, Saccharomyces cerevisiae)는 보통 탄수화물을 소비하여 알코올을 만들지만, 산소를 충분히 주고 질소원을 제한하면 세포 성분 중 지방 비율을 다소 높일 수 있습니다. 효모 자체의 지방 함량은 높지 않지만 대량 배양 후 세포를 모아 추출하면 일부 지방을 얻을 수 있습니다. 또한 식용 균류인 붉은 효모(Rhodosporidium toruloides)는 붉은 색소와 함께 지방을 만들고, 몰드 균사체(예: Mortierella 속)는 특정 지방산(예: 오메가-3 등)을 다량 생산하기도 합니다. 이러한 미생물을 당분이나 글리세롤 등으로 발효시켜 **Single Cell Oil(단세포 기름)**을 얻는 기술은 이미 식품 산업에서 연구되고 있습니다 (Melt&Marble Eyes 2025 US Launch for Precision-Fermented Fat) (Melt&Marble Eyes 2025 US Launch for Precision-Fermented Fat). 예를 들어 스웨덴의 스타트업 Melt&Marble은 유전자편집 효모를 이용해 정밀발효로 우지(牛脂)나 코코아버터와 유사한 지방을 생산하고 있으며 (Melt&Marble Eyes 2025 US Launch for Precision-Fermented Fat), 미국의 Yali Bio사는 효모로 우유 지방산 조성과 유사한 오일을 만들어 아이스크림에 활용하는 시연을 한 바 있습니다 (Yali Bio Debuts Revolutionary Dairy Fat Alternative with Showstopping Ice Cream | Yali Bio). 이들 미생물 발효 방식은 기본적으로 미생물이 필요로 하는 탄소원을 공급해야 하는데, 그 탄소원이 포도당 등의 농축된 유기물이라는 점에서 “공기와 물만”으로 보긴 어렵습니다. 하지만 만약 그 탄소원을 공기 중 CO₂로부터 얻을 수 있다면 이상적일 것입니다. 현재 연구 중인 방법으로는 전기에너지로 물과 CO₂를 변환한 **포름산(HCOOH)**이나 **메탄올(CH₃OH)**을 중간 매개체로 사용하여, 이를 미생물의 먹이로 주는 방식도 거론됩니다. 일부 합성생물학 연구에서는 포름산 대사 경로를 지닌 E. coli 등을 개발하여, 전기로 생성한 포름산을 먹여 지질을 생산하는 실험도 보고되고 있습니다 (2019년 Cotroneo 등). 이러한 방식이 발전하면 미래에는 태양광->전기->화학물->미생물로 이어지는 공정으로 CO₂에서 직접 지방을 얻는 것도 가능할 것으로 보입니다 ( Synthetic biology promotes the capture of CO2 to produce fatty acid derivatives in microbial cell factories - PMC ).

정리하면, 생물학적 접근은 자연의 광합성 또는 미생물 대사를 이용하여 공기(이산화탄소)와 물, 약간의 영양소로부터 세포 내 지방을 축적하게 한 뒤, 그것을 추출하여 식용 유분을 얻는 방법입니다. 이 방식은 화학적 방법에 비해 실온, 상압에서 진행되고 전문 장비가 덜 필요하다는 장점이 있지만, 충분한 양의 지방을 얻는 데 시간이 오래 걸리고 수율이 낮을 수 있습니다. 다음 절에서는 이러한 방법들을 실행하기 위해 요구되는 장비와 가정 내에서의 구현 가능성을 평가합니다.

2. 필요한 화학 반응 및 촉매 (CO₂로부터 지방산 합성)과 생물학적 대안

위에서 개괄한 두 접근법을 실현하려면 각각 어떤 화학 반응과 촉매가 필요한지, 그리고 생물학적 대안 경로에는 무엇이 있는지 좀더 구체적으로 살펴보겠습니다.

2.1 CO₂ + H₂를 이용한 지방산 합성의 화학 반응과 촉매

이산화탄소(CO₂)를 탄소 원료로, 수소(H₂)를 환원제로 사용하는 대표적인 반응으로는 앞서 언급한 **피셔-트롭슈 합성(FT 합성)**과 메탄화 반응 등이 있습니다. 일반적인 메탄화(Sabatier 반응)는 CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O로 메탄을 만들지만, 이는 탄소 사슬 길이가 1인 가장 간단한 연료일 뿐입니다. 탄소 길이를 늘이기 위해 FT 합성을 이용하면, 일산화탄소(CO)와 H₂로부터 (CₙH₂ₙ₊₂) 형태의 긴 알칸 사슬(탄화수소)을 만들 수 있습니다 (Fischer–Tropsch process - Wikipedia) (Fischer–Tropsch process - Wikipedia). 이를 위해 필요한 촉매로는 철(Fe), 코발트(Co), 루테늄(Ru) 등이 사용되며, 철촉매는 가격이 저렴하고 물성상 CO₂의 일부 수소화에도 유효하여 많이 연구되었습니다. FT 반응은 주로 200250 ℃, 수10기압 조건에서 촉매 표면에서 진행되며, 생성물로 가솔린 범위 탄화수소부터 왁스까지 다양한 분포가 생깁니다 (Fischer–Tropsch process - Wikipedia) (Fischer–Tropsch process - Wikipedia). 실험실 수준에서 철 촉매는 철분말, 철 산화물, 또는 지지체에 담지된 철 형태로 준비할 수 있습니다. 예를 들어 활성탄에 질산철 용액을 적셔 구우면 간이 철촉매를 만들 수 있습니다. 코발트 촉매는 효율이 높지만 비싸고, 수소공급이 풍부한 조건에서 주로 작동합니다.

CO₂를 직접 사용하려면 일단 CO₂를 CO로 전환하는 RWGS (Reverse Water Gas Shift) 반응이 필요합니다: CO₂ + H₂ ⇌ CO + H₂O. 이 반응은 300℃ 이상에서 촉매(예: Cu-Zn 계통, 철계통)로 촉진되며, 생성된 CO와 추가의 H₂가 FT 반응으로 넘어가게 됩니다. 최근에는 CO₂를 바로 올레핀이나 액체연료로 전환하는 촉매공정도 연구되고 있지만, 여기서는 FT 유사 경로가 이해하기 쉬운 모델입니다. FT 합성으로 나온 **장쇄 탄화수소 (왁스)**는 산화 반응을 통해 지방산으로 바꿀 수 있습니다. 예컨대 합성된 파라핀 왁스를 촉매 존재 하에 산소(공기)와 반응시키면 말단에 카복실산기를 가진 지방산으로 변환되는데, 코발트 또는 망간 등의 산화 촉매를 써서 100~150 ℃에서 공기 산화하면 지방산과 조금의 알코올 등이 생성됩니다 (이 과정은 산업적으로 *“합성 지방산 제조”*에 사용된 바 있습니다). 이러한 지방산 혼합물을 얻으면, 앞서 언급한 에스터화로 트리글리세라이드를 만들 수 있습니다. 촉매로는 황산이나 염산 같은 강산을 수분 제거 조건에서 촉매량 사용합니다. 에스터화 반응은 가역반응이라, 수분을 제거하면서 진행해야 수율이 좋습니다. 실험실에서는 디칸터나 분별 깔때기를 이용해 반응 혼합물에서 수층과 유기층을 분리하면서 진행하기도 합니다.

만약 메탄올이나 에탄올과 같은 간단한 액체 연료를 CO₂로부터 만들 수 있다면, 이를 이용해 지방산으로 연장하는 방법도 있습니다. 예를 들어 카프로산(C₆) 등의 중간 사슬 지방산은 에탄올과 아세트산을 클로스트리디움 균으로 사슬 연장 발효하여 만들기도 하는데 (Microbial conversion of carbon dioxide into premium medium-chain fatty acids: the progress, challenges, and prospects | npj Materials Sustainability), 화학적으로도 유사한 원리를 적용할 수 있습니다. 그러나 이러한 경로는 매우 복잡해지므로, 화학적 합성 접근에서는 FT 합성 → 왁스 산화 → 에스터화 정도가 현실적인 루트입니다. Savor社와 같은 기업에서는 구체적인 공정을 모두 공개하지는 않았지만, “CO₂와 H₂로 탄소-수소 사슬을 만들고 산소를 첨가하여 지방과 동일한 분자를 만든다”고 언급하였습니다 (Bill Gates-backed startup makes 'butter' out of water and carbon dioxide). 이는 결국 위에 서술한 반응들을 최적화 조합한 것으로 추정되며, 빌 게이츠 등 시험 단에서는 “화학적으로 실제 버터와 동일하기 때문에 맛도 같다”는 평을 받았습니다 (Bill Gates-backed startup makes 'butter' out of water and carbon dioxide).

저비용 촉매 관점에서 보면, 가정 실험자는 구하기 쉬운 철 계통 촉매(철가루, 녹슨 못 가루 등)를 사용할 수 있습니다. 또한 니켈(Ni) 촉매는 동전이나 니켈 촉매용 담배 여과기(화학 실험 키트) 등에서 얻어 시도해볼 수 있습니다. 니켈은 CO₂를 메탄으로 바꾸는 Sabatier 반응에 유효하며, 메탄을 일단 만든 후 고온에서 니켈 촉매 상에서 추가 탄소부가 반응을 일으켜 에틸렌 등으로 변환시키는 연구도 있습니다. 그러나 니켈 촉매는 식용 최종물에 잔존하면 중금속 오염이 될 수 있어, 최종 식용 제품에는 철분처럼 비교적 인체에 무해한(적은 양일 경우) 촉매를 사용하는 것이 바람직합니다.

마지막으로, 수소 공급에 전기분해를 사용하면 전기에너지가 많이 드는데, 태양광 패널 등 재생에너지원을 활용하면 지속가능성을 높일 수 있습니다. CO₂ 공급도 직접 공기 포집하는 방법(예: 수산화나트륨 용액에 공기 통과시켜 탄산나트륨으로 흡수한 후 CO₂ 방출) 등이 있지만 가정에서는 오븐에서 베이킹소다 가열로 CO₂를 얻거나, 효모 발효로 CO₂를 모으는 등 간단히 할 수 있습니다. 이런 반응에서 중요한 것은 안전으로, 수소는 폭발성이 있으므로 공기(산소)와 섞이지 않도록 별도 공급하고, 작업 공간을 환기하며, 가열 장치 주변에 불필요한 인화원이 없게 해야 합니다 (안전 사항은 아래 4번 섹션에서도 다룹니다).

2.2 사용 가능한 생물학적 대안 및 반응 메커니즘

생물학적 경로의 핵심 반응은 광합성 반응과 지방산 생합성 경로입니다. 광합성의 일반식은 유명한 바와 같이 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ (포도당 생성)이며, 조류나 식물은 생성된 탄수화물을 아세틸-CoA 경로를 통해 지방산으로 전환합니다. 지방산 합성효소(FAS)는 아세틸-CoA를 반복적으로 연결해 말로닐-CoA로 늘려가는 방식으로 C16, C18 등의 지방산을 만들고, 이를 ACP(acyl carrier protein)에 연결해 세포 내에서 여러 조합의 지질을 합성합니다 ( Synthetic biology promotes the capture of CO2 to produce fatty acid derivatives in microbial cell factories - PMC ). 미생물의 경우도 탄수화물 대사가 충분하면 남는 탄소로 지방합성을 시작하며, 특히 질소 인 등이 제한되면 세포 증대보다 저장물질 합성을 택하는 경향이 있습니다. 이러한 생화학적 경로를 강화하기 위해, 합성생물학 기법으로 특정 효소들을 과발현시키거나 조절하여 CO₂ 고정->지방합성 효율을 높이는 연구가 활발합니다 ( Synthetic biology promotes the capture of CO2 to produce fatty acid derivatives in microbial cell factories - PMC ). 그러나 미생물이 CO₂를 직접 고정하려면 루비스코(Rubisco) 효소를 통한 탄소고정(캘빈회로)이나 아세틸-CoA 경로 같은 특별한 대사능력이 필요합니다. 일반 효모나 곰팡이는 CO₂ 고정능력이 없으므로, 이산화탄소로 직접 키우려면 남세균(cyanobacteria)이나 조류와의 공생, 혹은 수소 산화균 같이 CO₂를 섭취하는 종을 활용해야 합니다.

생물학적 저비용 촉매라 한다면 곧 미생물 세포 그 자체를 의미합니다. 미생물은 자체의 효소들이 촉매로서 작용하므로, 우리가 촉매를 별도로 공급할 필요는 없습니다. 대신 미생물에 공급해야 하는 것은 적절한 배양환경 (온도, pH, 영양)과 에너지원입니다. 광합성 미생물의 경우 에너지원은 빛이므로 태양이나 인공조명이 필요합니다. 수소 산화 미생물의 경우 화학에너지(수소의 연소 에너지)를 이용하므로, 수소와 약간의 산소를 함께 공급해줘야 합니다. 예를 들어 특정 고세균이나 박테리아는 4 H₂ + CO₂ → CH₄ + 2 H₂O (메탄생성고세균) 또는 H₂ + CO₂ → 유기물 형태의 대사를 합니다. 이런 생물은 일반 가정에서는 다루기 어렵지만, 이들을 대체하는 전략으로 2단계 발효가 있습니다. 첫 단계에서 Clostridium autoethanogenum 같은 균으로 CO₂+H₂ → 아세트산을 만들고, 둘째 단계에서 Yarrowia 같은 효모가 아세트산 → 지방으로 전환하게 하는 것입니다 (Microbial conversion of carbon dioxide into premium medium-chain fatty acids: the progress, challenges, and prospects | npj Materials Sustainability). 실제 연구에서 CO₂로부터 **중간사슬지방산(MCFA)**인 카프로산(C6) 등을 생산한 사례가 있으며, 이는 Clostridium과 Clostridium kluyveri 같은 사슬연장균의 공배양으로 가능함이 보고되었습니다 (Microbial conversion of carbon dioxide into premium medium-chain fatty acids: the progress, challenges, and prospects | npj Materials Sustainability). 이러한 **공생 배양(syngas fermentation)**은 산업적으로 주목받지만, 균주간 균형과 조건 제어가 까다로워 소규모 환경에서는 쉽지 않습니다.

보다 간단한 대안은, 간접적으로 공기와 물에서 유래한 기질을 쓰는 것입니다. 가령 설탕은 공기와 물로 자란 사탕수수나 사탕무에서 추출된 것이므로, 설탕을 탄소원으로 쓰는 것은 간접적으로나마 CO₂ 유래 탄소를 쓰는 셈입니다. 설탕, 에탄올, 메탄올, 심지어 이산화탄소로 배양한 조류 분말 등을 미생물 배양에 이용하여 지방을 얻는 방법도 고려할 수 있습니다. 이 접근은 완전히 “공기와 물만”은 아니지만 현실적인 타협입니다. 예를 들어 식용 버터맛 곰팡이 (예: Geotrichum candidum, 치즈 발효에 쓰이는 곰팡이)가 있습니다. 이런 미생물을 포도당 배지에 배양하면 지방과 향미 물질을 생성할 수 있는데, 일부 연구에서는 이들이 생성하는 디아세틸(버터 풍미 성분)과 유리지방이 버터 향을 내는 데 활용되고 있습니다 (Food grade microbial synthesis of the butter aroma compound ...). 이는 곧 미생물을 이용한 버터 아로마 합성으로 볼 수 있으며, 궁극적으로는 지방 + 풍미를 함께 만들 수 있는 경로입니다.

※ 화학 vs 생물 경로 요약 표

아래 표는 화학적 합성과 생물학적 합성의 주요 반응과 특징을 요약한 것입니다:

접근 방식 주요 반응 경로 및 식 촉매/생물 비고 (장단점)
화학적 합성 CO₂ + H₂ → CO + H₂O (RWGS)CO + H₂ → -(CH₂)- (FT 합성) (Fischer–Tropsch process - Wikipedia)탄화수소 + O₂ → 지방산 (산화반응)지방산 + 글리세롤 → 중성지방 (에스터화) 금속 촉매: Fe, Co, Ni 등 ([Generation of long-chain fatty acids by hydrogen-driven bicarbonate reduction in ancient alkaline hydrothermal vents Communications Earth & Environment](https://www.nature.com/articles/s43247-023-01196-4#:~:text=that%20the%20reaction%20of%20dissolved,rich%20early%20crust))산화 촉매: Co염 등에스터화 촉매: 산 (H₂SO₄ 등)
생물학적 합성 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ (광합성)C₆H₁₂O₆ → 지방산 → 중성지방 (생합성경로) ([ 
        Synthetic biology promotes the capture of CO2 to produce fatty acid derivatives in microbial cell factories - PMC
    ](https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10992411/#:~:text=green%2C%20safe%2C%20reliable%2C%20and%20efficient,of%20a%20microbial%20cell%20factory))<br>(또는 H₂ + CO₂ → 유기산 → 지방) | 광합성 미생물: 미세조류, 남세균 등<br>발효 미생물: 효모, 곰팡이, 박테리아 등 ([Melt&Marble Eyes 2025 US Launch for Precision-Fermented Fat](https://www.greenqueen.com.hk/melt-and-marble-precision-fermentation-fat-plant-based-meat/#:~:text=To%20produce%20the%20yeast,%E2%80%9D)) | - 장점: 실온에서 진행, 특정 장비 덜 필요<br>- 단점: 시간 오래 걸림, 수율 낮을 수 있음<br>- 예: 미세조류 배양 오일 생산, 효모 발효 지방 ([Melt&Marble Eyes 2025 US Launch for Precision-Fermented Fat](https://www.greenqueen.com.hk/melt-and-marble-precision-fermentation-fat-plant-based-meat/#:~:text=The%20yeast%20is%20grown%20in,%E2%80%9D)) |

이 표에서 보듯 화학적 경로는 여러 단계의 화학반응을 요구하고, 생물학적 경로는 자연계를 모방한 다단계 대사과정을 포함합니다. 다음으로, 이러한 과정을 가정 수준의 소형 실험으로 구현할 때 어떤 장비와 조건이 필요한지 알아보겠습니다.

3. 필요한 장비 및 소형 실험환경에서의 구현 가능성

합성 버터를 만들기 위한 실험을 가정이나 소형 실험실에서 시도하려면, 접근 방법별로 요구되는 장비와 환경이 크게 다릅니다. 이 절에서는 화학적 방법과 생물학적 방법 각각에 대해 필요한 도구와 구현 난이도를 설명합니다.

3.1 화학적 합성에 필요한 장비와 구현 조건

화학적 합성 경로를 소형 환경에서 구현하려면, 기본적으로 가스 취급 장치와 고온 반응기가 필요합니다. 구체적으로 필요한 장비/재료는 다음과 같습니다:

  • 수소 발생 장치: 물을 전기분해하기 위한 셋업이 필요합니다. 예를 들어 전원 공급장치(DC 아답터 또는 배터리), 전극(흑연 막대, 스테인리스 철판 등), 전해질 용액(물+베이킹소다 혹은 수산화나트륨 소량) 등이 있으면 수소 기포를 발생시킬 수 있습니다. 발생한 수소는 집합 용기(역류 방지 장치가 있는 풍선이나 가스주머니)에 모아서 사용합니다. 이때 같은 셋업에서 발생하는 산소는 점화 위험이 있으니 별도로 배출시키거나 수소와 섞이지 않게 해야 합니다. 풍선에 수소를 모을 경우, 정전기나 불꽃에 주의해야 합니다.

  • 이산화탄소 공급: 비교적 순수한 CO₂ 가스를 확보해야 합니다. 드라이아이스를 밀폐용기에 서서히 승화시키거나, 베이킹소다+식초를 큰 비이커에서 반응시켜 발생시키는 방법이 있습니다. 발생된 CO₂도 가능하면 가스백 등에 모아 두고 사용합니다. 완전히 순수하지 않아도 되나, 공기와 섞이면 희석되어 반응 효율이 떨어집니다.

  • 반응 용기: CO₂와 H₂를 섞어 가열할 수 있는 견고한 용기가 필요합니다. 소형 압력밥솥이나 스테인리스 스틸 파이프를 개조하여 한쪽을 마개로 막고, 가스를 주입할 수 있는 밸브를 단 간이 압력 반응기로 활용할 수 있습니다. 반드시 내열성과 기밀성이 확보되어야 하며, 압력계와 안전밸브가 있다면 더욱 좋습니다. 실험실용 Parr 반응기같은 것이 있으면 이상적이지만, 가정에서는 구하기 어려우므로, 소형 자동차 엔진 실린더나 소형 소화기 용기 등을 개조하는 사례도 있습니다 (이 경우 기술적 숙련과 안전조치 필요).

  • 촉매 준비: 앞서 언급한 철 촉매를 예로 들면, 철가루나 녹슨 철심을 반응 용기 안에 넣습니다. 담례로 철 촉매를 고정하려면 스틸 울(철 수세미)을 구겨 넣거나, 모래와 섞어 고정층을 만들 수도 있습니다. 촉매는 반응 전에 환원 처리(수소 분위기에서 가열)하여 활성화하면 좋습니다. 가정에서는 완벽히 하기 어렵지만, 수소를 천천히 주입하면서 버너로 용기를 달구는 식으로 환원시킬 수 있습니다.

  • 가열 장치: 부탄 버너, 전기 히터, 가스레인지 등의 열원이 필요합니다. 반응온도는 200~300 ℃ 정도가 적절하며 (Fischer–Tropsch process - Wikipedia), 이를 모니터링할 온도계(적외선 온도계 등)도 있으면 안전합니다. 압력은 밀폐된 용기 가열 시 자연스럽게 올라가는데, 너무 높아지면 위험하므로 5~10bar 이하에서 유지되도록 가스를 천천히 주입하거나 온도를 조절해야 합니다.

  • 냉각 및 가스 배출: 반응 후에는 용기를 식히고 내부 가스를 배출할 수 있어야 합니다. 배출되는 기체 중 일산화탄소나 미반응 수소 등이 있을 수 있으므로, 실외에서 안전히 방출합니다. 필요하면 비누물로 가스를 흘려보내 기포 발생을 통해 유출 여부를 확인합니다.

  • 제품 회수: 용기가 충분히 식은 후 개봉하면, 내부 벽이나 촉매 표면에 유분기가 있는 잔류물이 있을 수 있습니다. 이것이 합성된 탄화수소/지방산 등일 가능성이 있으므로, 헥산이나 에탄올 같은 용매로 씻어내 회수합니다. 회수액을 증발시키면 약간의 왁스状 물질이 얻어질 수 있습니다. 실험 규모에 따라 매우 소량일 수 있습니다.

  • 에스터화 장치: 회수한 지방산(또는 산화되지 않은 탄화수소라면 별도로 과산화수소 등을 이용해 산화시킬 수도 있습니다)과 글리세린을 반응시킬 작은 플라스크, 가열기, 교반기 등이 필요합니다. 저어주며 150~200 ℃로 가열할 수 있는 장치면 충분합니다. 산 촉매는 배출시 환경에 해로울 수 있으므로, 식초(아세트산)와 황산구리 등의 혼합 촉매 같은 약한 촉매로 시도해볼 수도 있습니다.

위에 나열된 장비 구성은 상당히 공학적이고 위험 요소가 있습니다. 특히 수소/일산화탄소의 폭발 위험, 고온·고압 장치의 파열 위험 등으로 인해 일반 가정 환경에서는 안전 확보가 어렵습니다. 따라서 이런 화학 합성 실험을 집에서 시도하는 것은 권장되지 않습니다. 그래도 소규모로 시연해보고 싶다면, 반드시 야외에서 보호장구를 착용하고 실험하며, 주변에 인적이 없어야 합니다. 또한 생산량이 극미량이어서, 많은 노력을 들여도 눈에 보이는 버터 한 덩이를 얻기는 어려울 것입니다. (Savor와 같은 전문 스타트업도 파일럿 통으로 진행하여 겨우 시제품을 얻는 수준입니다.)

결론적으로, 화학적 합성 접근은 가정 수준에서는 실험 자체의 교육적 시연은 가능할지 몰라도, 실질적인 “버터” 제품을 얻기는 상당히 어렵습니다. 대신 다음의 생물학적 접근이 현실적 대안이 될 수 있습니다.

3.2 생물학적 합성에 필요한 장비와 구현 조건

생물학적 접근법은 미생물을 키워 지방을 얻는 것이므로, 기본적으로 배양 용기와 배양 조건 제어가 중심이고, 복잡한 기계장치는 적습니다. 필요한 준비물은 다음과 같습니다:

  • 배양 용기 및 환경: 배양 대상에 따라 다르지만, 투명 용기(광합성 조류의 경우) 또는 발효조(효모/균류의 경우)가 필요합니다. 예를 들어 미세조류를 키울 때는 1.5ℓ PET병이나 유리병을 깨끗이 세척하여 사용하고, 효모를 발효시킬 때는 김치병 같은 밀폐 용기나 에어록(공기통하면서 오염방지 장치)을 단 병을 사용합니다. 온도는 대부분의 조류/효모가 잘 자라는 20~30 ℃ 수준으로 유지하면 되고, 특별한 온도조절 장치가 없어도 실내온도에서 진행 가능합니다 (겨울철에는 발열 패드 등을 이용). 광합성에는 햇빛이 가장 경제적이며, 실내에서는 강한 LED 조명을 12시간 이상 비추면 도움이 됩니다.

  • 배지 및 영양소: 물과 공기만으로라고 하지만, 생물에게 최소한의 영양 염류 (질소, 인, 미량원소)는 필요합니다. 조류 배양의 경우 **조류 배지(예: F/2 배지)**를 인터넷으로 구매하거나, 없으면 비료를 극미량 풀어서 사용할 수 있습니다. 예를 들어 질산칼륨, 인산나트륨, 황산마그네슘, 철염 등을 아주 희석해서 공급하면 조류가 잘 자랍니다. 효모나 곰팡이 배양에는 설탕물 + 이스트 영양염(아미노산 조금 등)이 필요하지만, 만약 탄소원을 외부 공급하지 않으려면 CO₂ 고정균을 써야 하므로 현실적으로는 약간의 당을 쓰는 편이 낫습니다. 하지만 문제의 취지를 살리려면 당 대신 CO₂ 공급을 최대화해야 하므로, 예컨대 조류를 선택하는 게 좋습니다.

  • CO₂ 공급: 광합성 조류 배양 시 공기 중 CO₂만으로도 성장하지만, 더 빠른 성장을 위해서는 농축 CO₂를 조금씩 공급하는 것이 효과적입니다. 방법으로는 에어펌프(어항용 기포발생기)에 공기를 통하게 하되, 중간에 발효병(물+설탕+이스트)에서 나온 CO₂를 섞어주는 식입니다. 혹은 2ℓ 탄산음료 페트병에 식초와 베이킹소다를 조금씩 떨어뜨려 CO₂를 생성하고, 뚜껑에 달린 튜브로 배양액에 기포를 넣는 장치를 만들 수 있습니다. 이러한 기포 공급은 조류의 교반도 돕고 CO₂도 공급하여 성장과 지방축적에 유리합니다.

  • 시간과 관리: 조류가 충분히 번성하여 기름을 만들려면 수일수주가 필요합니다. 스피루리나나 클로렐라 같은 종은 12주면 상당한 바이오매스를 만들 수 있습니다. 배양 기간 동안 매일 용액의 색 변화를 관찰하고, 증발한 물을 보충하며, 오염(다른 미생물 번식) 여부를 살핍니다. 오염을 줄이려면 배지를 만들 때 끓는 물로 소독하거나, 용기를 알코올로 닦는 등 위생에 신경써야 합니다 (후述할 식용 안전과도 연결됩니다).

  • 수확 및 건조: 일정 시간 후 배양액이 짙은 녹색(또는 해당 종의 색)으로 바뀌면 조류를 수확합니다. 가정에서는 큰 거름망이나 여과지를 사용해 조류를 거르거나, 없으면 침전시킨 뒤 윗물을 따라내고 농축된 조류 페이스트를 얻습니다. 효모의 경우 원심분리기가 없으므로, 냉장고에 하룻밤 두면 가라앉는 침전물을 모을 수 있습니다. 이렇게 모은 생물질은 건조를 해야 추후 기름을 추출하기 쉽습니다. 낮은 온도의 오븐(50℃)이나 햇볕에 말리거나, 물기를 짜내어 최대한 건조시킵니다.

  • 지방 추출: 건조된 조류나 미생물 바이오매스를 용매 추출하여 지방을 분리합니다. 식용 에탄올(곡물주정)이나 이소프로필 알코올을 사용할 수 있습니다. 분말화한 바이오매스에 알코올을 충분히 붓고, 몇 시간~하루 정도 두어 지방 성분을 녹여냅니다. 이후 여과하거나 짜내어 알코올 용액을 분리하고, 이 용액을 증발시킵니다. 알코올은 비교적 저온에서도 날아가므로, 안전한 공간에서 접시 등에 용액을 펼쳐두면 서서히 증발합니다. (빠르게 하려면 뜨거운 물 중탕으로 용액을 데워도 됨). 알코올이 모두 날아가고 나면 바닥에 기름 찌꺼기가 남게 되는데, 이것이 추출된 조류유/미생물유입니다. 때로 이 기름은 점도가 높고 검푸른 색(클로렐라의 엽록소 등 색소때문)일 수 있습니다. 색과 향을 정제하려면 활성탄을 섞어 흡착정제를 하거나, 물과 함께 흔들어 수용성 불순물을 씻어낸 후 기름층만 회수하는 방법이 있습니다.

  • 수소화/결정화 (선택사항): 얻어진 기름이 상온에서 액체라면, 버터처럼 고체로 만들기 위해 부분 수소화 또는 유지 배합을 고려합니다. 부분 수소화는 기름을 약 50~100 ℃로 가열하면서 앞서 생성해둔 수소 기체를 저압에서 통하고, 니켈 촉매 (니켈 분말이나 니켈 도금된 동전 등)를 넣어두면 서서히 이중결합을 포화시켜 더 단단한 지방으로 변환시킬 수 있습니다. 하지만 이는 가정에서 정확히 하기 어렵고, 자칫하면 트랜스지방 형성이 우려되므로, 대신 냉각에 의한 결정화를 활용할 수 있습니다. 예컨대 추출된 조류 오일을 냉장고나 냉동고에 넣어두면 일부 포화지방이 미세한 결정으로 석출됩니다. 이 고형분과 액체유를 분리하여 고형분만 쓰면 보다 버터와 가까운 질감을 낼 수 있습니다. 또는 식물성 경화유(예: 코코넛오일) 소량과 혼합해도 집에서는 현실적인 대안이 됩니다.

  • 제품화: 최종 얻어진 지방을 버터 형태로 만들려면, 단순히 그 지방만 쓰기보다는 버터엣지(버터처럼 보이도록 가공) 작업을 할 수 있습니다. 예를 들어 레시틴(해바라기 레시틴 등 식물성 유화제)을 약간 섞고, 10~20%의 물을 첨가한 후 잘 교반하면 유화 크림이 되어 실제 버터와 유사한 질감을 냅니다. 이 때 약간의 소금과 **색소(베타카로틴)**를 넣으면 맛과 색을 개선할 수 있습니다 (Bill Gates-backed startup makes 'butter' out of water and carbon dioxide). Savor 사도 합성한 지방은 흰색이어서 비타민 A원인 베타카로틴을 넣어 노란 버터색을 냈다고 합니다 (Bill Gates-backed startup makes 'butter' out of water and carbon dioxide). 가정 실험에서는 당근즙을 한 방울 넣거나 강황가루 아주 조금으로 색을 낼 수 있습니다.

以上의 생물학적 접근 장비와 과정은 화학적 합성보다 준비물은 익숙한 편이지만, 시간과 인내를 요합니다. 특히 조류를 이용하는 경우 눈으로 관찰되는 변화(물 색 짙어짐)는 빨리 나타나도, 실제 추출되는 기름 양은 수 리터 배양액에서 수 mL 정도에 불과할 수 있습니다. 효모 발효의 경우도 수 kg의 발효액이 있어야 버터 한 덩이 분량의 지방을 얻는 게 일반적입니다. 그럼에도 불구하고 이 접근은 비교적 안전하고 비용이 낮아, 과학 취미나 교육 목적으로 시도해볼 만합니다. 만약 가정에서 식용을 목표로 할 경우, 사용하는 배지와 용매 등이 식용등급이어야 함을 기억해야 합니다. 예를 들어 메탄올 같은 유독 용매를 쓰지 않고 에탄올을 사용하며, 배양에 농약이 들어있지 않은 비료나 식품첨가물만 쓰는 식의 주의가 필요합니다.

실험 난이도 평가: 전체적으로 볼 때, 합성 버터를 가정에서 만드는 것은 상당히 도전적인 작업입니다. 화학적 경로는 장치 공학 측면에서 어렵고, 생물학적 경로는 시간 대비 수율이 낮습니다. 가장 현실적인 방안은 생물학적 경로로 작은 양이나마 지방을 얻고, 부족한 부분은 시판 식물성 기름과 혼합해 비슷한 제품을 만들어 보는 것입니다. 예를 들어 조류유나 효모유 몇 mL에 코코넛유나 올리브유를 섞고 가공하여 “우리 집 공기버터”로 시연할 수 있을 것입니다.

다음 장에서는 이렇게 얻어진 지방이 식용으로 안전한지, 또 이를 정제하고 보관하는 방법 및 위생상의 주의점을 다루겠습니다.

4. 식용 가능성을 위한 안전 기준, 정제 및 위생 처리

실험적으로 합성한 지방이라 해도 먹을 수 있을 만큼 안전하고 깨끗해야 진정한 식용 “버터”로 부를 수 있습니다. 이 섹션에서는 식용 안전을 확보하기 위한 기준과 정제 방법, 위생적인 처리에 대해 설명합니다.

화학 합성산물의 안전성: 화학적 경로로 얻은 지방산이나 합성유는 화학적 순도와 촉매 잔류물 측면에서 점검이 필요합니다. 우선 합성 과정에서 사용된 촉매 금속(예: 철, 니켈, 코발트 등)이 최종 지방에 남아있지 않도록 해야 합니다. 이를 위해 생성물을 회수할 때 여과지로 거르거나, 물로 여러 번 세척하여 금속 이온을 제거해야 합니다. 철의 경우 미량은 인체에 큰 해가 없지만, 코발트나 니켈은 다량 섭취 시 유해할 수 있으므로 주의합니다. 만약 강산 촉매를 쓴 경우, 중화 반응을 통해 남은 산을 제거해야 합니다. 예를 들어 에스터화 후 잔여 황산이 있을 수 있는데, 이를 5% 탄산수소나트륨 용액으로 씻어내고 다시 지방층만 분리하는 식으로 중화/세척합니다. 마지막으로, 합성유 속에 예상치 못한 유해부산물(예: 벤젠, 톨루엔 등의 탄화수소) 존재 가능성을 고려해야 합니다. FT 합성으로 생성된 물질에는 다양한 종류가 포함될 수 있으므로, 냄새나 색깔로 판단해보아야 합니다. 만약 휘발성이고 자극적인 냄새가 난다면 증류나 재결정 과정을 통해 제거하거나, 식용을 포기하는 것이 좋습니다. 식품 등급으로 만들고자 한다면, 모든 시약과 기구를 식품용으로만 사용하고 금속 용기에서 중금속 용출이 없게 해야 합니다. (스테인리스는 비교적 안전하지만, 아연도금된 용기는 아연 용출 가능성 등 유의해야 함.)

미생물 유래 지방의 안전성: 미생물을 통해 얻은 지방은 그 자체로는 식물성 기름과 유사하므로 비교적 안전합니다. 다만 배양 과정의 위생이 중요합니다. 배양액이 식중독균이나 다른 곰팡이에 오염되었다면, 그 미생물이 만든 독소가 지방에 섞일 수 있습니다. 예를 들어 어떤 남세균은 간독성 물질(마이크로시스틴)을 생산하거나, 곰팡이는 미코톡신을 분비하기도 합니다. 따라서 단일 종 순수배양을 유지하거나, 식용으로 승인된 종을 활용하는 것이 좋습니다. 스피루리나(Arthrospira)는 인간이 식용으로도 먹는 조류이고, 일반 제빵용 효모나 막걸리 효모 등은 식품 미생물로 인정된 것들입니다. 이런 종들을 사용하면 비교적 안전하나, 그래도 섭취 전 살균을 권장합니다. 살균 방법으로는 추출한 지방을 약 100 ℃에서 가열(튀김유 데우듯이)하여 혹시 있을 수 있는 세균을 죽이거나, 추출 전에 생물질을 건조 가열하여 멸균하는 방식이 있습니다. 실제 식용유 제조 공정에서도 마지막에 고온 처리로 살균을 합니다.

정제 및 여과: 미생물에서 뽑은 기름에는 색소나 불순물이 남을 수 있습니다. 식용을 위해서는 활성탄 여과나 탈검(gumming) 공정을 고려할 수 있습니다. 탈검은 인지질 등을 제거하는 과정으로, 80 ℃ 정도로 유지를 가열하면서 23%의 물을 넣고 섞은 뒤, 잠시 두면 인지질이 수화되어 침전됩니다. 상층의 맑은 기름을 따라내면 인지질과 일부 불순물이 제거됩니다. 이어서, 활성탄 가루를 소량 넣고 30분1시간 가열 교반하면 색소와 냄새 성분이 흡착됩니다. 이를 거름지로 걸러내면 훨씬 밝은 색의 무취 기름을 얻을 수 있습니다. 이때 활성탄은 식품첨가물용(코코넛껍질 유래 등)을 쓰는 것이 안전합니다. 정제된 기름은 실온에서 밀폐 보관하면 비교적 안정하지만, 산패를 막기 위해 항산화제(비타민 E 토코페롤이나 로즈마리 추출물 등)를 극미량 섞어두면 오래 보존할 수 있습니다. 가정에서는 비타민 E 캡슐 오일 한 방울을 넣는 식으로 대체할 수 있습니다.

독성 및 영양평가: 합성 버터가 실제 영양적으로 안전한지 평가해야 합니다. 천연 버터에는 포화지방, 단가·다가불포화지방, 소량의 콜레스테롤과 지용성 비타민 등이 있습니다. 반면 우리가 합성/배양으로 만든 지방은 콜레스테롤이 없고, 지방산 조성도 사용한 생물이나 공정에 따라 다릅니다. 만약 불포화도가 높은 오일이라면 산패에 취약하고 섭취 시 콜드드링크 맛을 낼 수 있고, 포화 지방 위주라면 너무 딱딱할 수 있습니다. 하지만 대체로 지방산 구성 자체는 인체가 소화할 수 있는 범위라면 (C4~C18의 일반적인 지방산) 영양적으로 문제없습니다. 주의할 것은 Trans 지방 여부인데, 화학 합성 중 수소화 단계에서 반응조건이 부적절하면 트랜스 지방이 생길 수 있습니다. 가능하면 완전 수소화(트랜스 생성 최소화)하거나, 생물유에서는 애초에 트랜스지방 함량이 낮으므로 큰 문제는 없습니다.

관능적 품질과 첨가물: 식용으로서 맛과 향도 고려됩니다. 버터 특유의 풍미는 디아세틸과 락톤류 화합물에 기인합니다. 합성 버터에는 이러한 풍미가 부족할 수 있으므로, 발효 향미 첨가를 할 수 있습니다. 예를 들어 약간의 요구르트나 치즈를 지방에 섞어두면 유산발효가 일어나 디아세틸 향이 배일 수 있습니다. 혹은 시중의 버터향 에센스를 한두 방울 넣어도 됩니다. 물론 이는 안전과는 별개로 품질 향상 측면입니다.

법적/윤리적 고려: 가정에서 자신이 소비할 소량을 만드는 것은 문제가 없지만, 만약 이를 판매하거나 나눔하려면 식품위생법을 준수해야 합니다. 합성 버터가 아직 상용화된 적 없는 새로운 식품이라면 신Novel 식품 인증이 필요할 수도 있습니다. 그러나 Savor 등의 사례를 보면, 최종 분자가 기존 버터와 동일하다면 동등성 원칙에 따라 안전하다고 간주될 가능성이 높습니다 (Bill Gates-backed startup makes 'butter' out of water and carbon dioxide).

정리를 하면, 식용 안전을 확보하려면 (1) 유해물질 제거 – 촉매, 용매, 오염균, 독소 등을 없애고, (2) 정제 – 색소나 이물질을 걸러내 깨끗이 만들고, (3) 저장 – 산패나 오염 없이 보관하는 것이 중요합니다. 무엇보다 실험 전후 위생관리를 철저히 해야 합니다. 실험 기구는 식초나 알콜로 소독하고, 손도 비닐장갑을 끼고 작업하며, 완성된 버터는 냉장보관하면서 일주일 내로 섭취하는 것이 안전합니다. 시식 시에는 혹시 모를 알러지나 이상반응에 대비해 소량만 먼저 맛보기를 권합니다.

5. 유사 프로젝트 사례 및 접근 방법

최근 전 세계적으로 공기와 물로 음식 만들기에 대한 연구와 스타트업들의 도전이 활발합니다. 합성 버터와 유사한 개념 또는 이를 구현하려 한 사례들을 몇 가지 소개합니다.

(Bill Gates-backed startup makes 'butter' out of water and carbon dioxide) 공기에서 탄소를 추출해 합성한 Savor 사의 실험실 배양 버터 프로토타입. 화학적 합성으로 얻은 지방에 소량의 베타카로틴을 첨가하여 천연 버터와 흡사한 색과 질감을 구현했다.

  • Precision Fermentation Fats (정밀발효 지방): 소에서 얻는 젖이나 고기에는 지방 성분이 핵심인데, 이를 미생물 발효로 재현하려는 시도가 많습니다. 예를 들어 Perfect Day와 Remilk 등은 미생물로 우유의 카제인 단백질을 만들고, 거기에 식물성 지방을 섞어 우유를 만드는 기술을 개발했습니다. 그러나 지방 자체도 발효로 만들 수 있습니다. 스웨덴의 Melt&Marble은 효모에 지방산 합성 경로를 개량하는 유전자를 도입하여 소고기 지방과 유사한 프로필의 지방을 생산했습니다 (Melt&Marble Eyes 2025 US Launch for Precision-Fermented Fat). 이들은 현재 1000ℓ 규모 발효조에서 수 kg 단위로 지방을 수확하는 단계까지 발전시켰고, 2025년경 상용 출시를 목표로 하고 있습니다 (Melt&Marble Eyes 2025 US Launch for Precision-Fermented Fat) (Melt&Marble Eyes 2025 US Launch for Precision-Fermented Fat). 미국의 Yali Bio는 효모를 이용해 인간 모유 지방과 유사한 구성의 오일을 만들었고, 이를 이용해 아이스크림을 선보이기도 했습니다 (Yali Bio Debuts Revolutionary Dairy Fat Alternative with Showstopping Ice Cream | Yali Bio) (Yali Bio Debuts Revolutionary Dairy Fat Alternative with Showstopping Ice Cream | Yali Bio). 이러한 정밀발효 지방은 아직까지는 설탕 등 농산물을 먹이로 쓰고 있지만, 장기적으로는 셀룰로오스 폐기물이나 CO₂ 유래 화합물로 전환하는 연구도 하고 있습니다 (Melt&Marble Eyes 2025 US Launch for Precision-Fermented Fat). 정밀발효의 장점은 미생물 균주만 확보되면 기존 양조장 설비를 써서 지방을 만들 수 있다는 것이며, 조합을 바꾸어 팜유 대체, 코코아버터 대체 등 다양한 지방 프로필을 맞춤 생산할 수 있다는 점입니다 (Melt&Marble Eyes 2025 US Launch for Precision-Fermented Fat). 단점은 규모의 경제와 규제 승인인데, 이미 GRAS(Generally Recognized as Safe) 승인을 받은 균주 (예: 식품 효모)라 비교적 문턱이 낮습니다. 이러한 접근은 가정 실험자에게도 시사점이 있습니다. 즉, 만약 적절한 균주만 있다면 가정용 발효로도 지방을 만들 수 있다는 것입니다. 오픈소스로는 예를 들어, 일부 DIY 생물학자들이 오메가3 생산 조류를 발효시켜 기름을 추출하거나, Geotrichum 곰팡이로 치즈향 오일을 만든 실험 기록들이 커뮤니티에 공유되기도 합니다 (주로 온라인 포럼 등에서). 아직 대중화된 레시피는 없지만, 향후 홈브루잉 패트(홈브루잉 맥주처럼 지방을 집에서 양조하는 콘셉트)도 상상해볼 수 있습니다.

  • 공기 단백질 및 영양소 (Air-based Food): 비록 지방에 국한되진 않지만, 공기와 전기만으로 식량을 생산하려는 프로젝트로 Solar Foods(핀란드)와 Air Protein(미국)이 있습니다. Solar Foods는 수소 산화 미생물을 배양하여 단백질 가루 “Solein”을 만들고 있고, Air Protein은 유사한 개념으로 단백질+지질을 함유한 미생물 분말을 생산하고 있습니다. 이들 제품은 주로 단백질 공급원으로 홍보되지만, 세포 구성물질이기에 어느 정도 지질(지방)도 포함됩니다. 즉, 완전히 공기와 물에서 자란 세포를 가공하면 단백질 식품뿐 아니라 지방 성분도 추출할 수 있을 것입니다. NASA도 과거에 폐쇄 생태계 우주식량 연구에서 Candida나 Ralstonia 같은 미생물로부터 **단세포유(SCO, Single Cell Oil)**를 얻는 연구를 수행한 바 있습니다. 이러한 공기 식량 기술은 아직 가정에서 재현하기에는 고압가스 취급 등의 어려움이 있지만, 머지않아 소형화된 키친 바이오리액터 형태로 개인에게도 제공될 가능성이 논의되고 있습니다.

  • 세포 배양 지방 (Cultured Fat): 동물의 지방세포를 시험관에서 키워 식용 지방을 얻는 방법도 있습니다. 이는 배양육의 한 분류로 볼 수 있는데, 미국의 Mission Barns사는 돼지 지방세포를 대량 배양하여 진짜 돼지비계와 똑같은 지방을 만들고, 이를 식물성 단백과 섞어 베이컨 등의 맛을 개선하는 실험을 했습니다. Peace of Meat라는 유럽 회사도 조류(닭) 지방을 배양하는 기술을 개발했습니다. 이러한 세포배양 지방은 실제 동물유래 지방이라 풍미가 뛰어나지만, 배양액에 값비싼 성장인자가 필요하고 아직 가격이 높습니다. 버터의 경우 우유를 분비하는 젖샘 세포를 배양해서 지방구가 포함된 우유를 얻는 것을 생각해볼 수 있으나, 현재 알려진 바로는 배양 유방세포로 상당한 양의 지방을 얻었다는 공개 사례는 없습니다. 다만 이론적으로 가능하며, 장점은 완전 동일한 우유 지방을 얻을 수 있다는 것입니다. 가정에서는 세포배양이 거의 불가능하지만, 생물학적 합성의 궁극적인 확장으로서 연구되고 있음을 소개합니다.

  • 합성 버터와 마가린의 역사: 한편, 버터를 대체하려는 노력은 새로운 것이 아닙니다. 19세기 말에 등장한 마가린은 소나무 펄프 등에서 추출한 지방산에 글리세린을 결합시켜 만들거나, 어유(魚油)를 가공하여 만들어졌습니다. 당시에는 값싼 지방산을 화학적으로 결합해 만든 것이었는데, 이것도 일종의 “합성 지방”이었습니다. 현대의 마가린은 주로 식물성 유지로 만들지만, 역사적으로 석유화학을 이용한 식용 지방 합성이 시도된 사례로 볼 수 있습니다. 예를 들어 독일에서는 석탄을 액화해 버터 대용품을 만들려는 연구도 1920~30년대에 있었습니다 (대공황, 전쟁시 버터 수급 문제로). 이는 현재의 CO₂ 기반 합성과 맥락은 다르지만 “인공 버터”의 개념은 산업혁명 이후부터 존재해왔습니다. 오늘날 우리가 말하는 합성 버터는 환경적인 이유와 기술 발전으로 새롭게 주목받고 있는 것입니다.

마지막으로, 오픈소스 및 참고자료로는 바이오디젤 동호회나 DIY과학 커뮤니티에서 조류 배양이나 지방 추출 관련 정보를 찾을 수 있습니다. 예를 들면 Instructables 웹사이트에는 가정용 조류 배양기 제작법 (The Algae Experiment: How to Build Your Own Algae Photo-bioreactor. : 13 Steps (with Pictures) - Instructables)과 조류로부터 바이오디젤을 만드는 법이 올라와 있습니다. 이러한 자원을 응용하면 가정에서 합성 버터 실험을 하는 데 많은 도움을 받을 수 있습니다. 또한 국내에도 미세조류로 바이오원료를 만들려는 연구자 커뮤니티가 있으니, 관련 논문이나 보고서를 찾아보면 구체적인 배양 레시피와 추출 방법을 얻을 수 있습니다.

결론 및 제언

물과 공기만을 이용해 식용 가능한 “버터”를 만드는 일은 과거에는 공상에 가까웠지만, 현재는 과학의 진전으로 조금씩 현실이 되어가고 있습니다. 화학적 합성 경로를 통해 이론적으로는 CO₂와 H₂로 지방산을 만들 수 있고, 실제 스타트업이 시제품까지 보여주었지만, 이를 소형 실험으로 구현하는 데는 상당한 어려움이 따릅니다. 반면 생물학적 경로는 자연의 힘을 빌려 비교적 간단한 도구로도 시도해볼 수 있으며, 환경적 지속가능성 측면에서도 의미가 있습니다. 가정에서 합성 버터 실험을 진행한다면, 우선 작은 규모로 조류 배양 -> 지방 추출 -> 버터화 과정을 테스트해보고, 점진적으로 개선해나갈 것을 권장합니다. 실험 전 과정에서 안전 (특히 화학적 경로시 화재/폭발 위험, 생물학적 경로시 위생 위험)을 최우선으로 고려해야 합니다.

이러한 실험은 단순히 버터 한 조각을 얻는 것 이상의 의미, 즉 탄소 자원순환과 대체식품의 미래를 체험하는 교육적인 기회가 될 것입니다. 직접 만든 소량의 합성 버터를 빵에 발라먹는 순간, 우리는 식품 생산의 새로운 가능성을 맛보게 될지도 모릅니다. 앞으로 관련 기술과 오픈소스 정보가 더욱 축적되어, 누구나 집에서도 기후친화적인 버터를 만들 수 있는 날이 오기를 기대해봅니다.

참고 문헌 및 자료:

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