AI가 귀중한 식물 화합물 추출을 혁신할 수 있는 방법

인류가 알고 있는 가장 초기의 약은 통증을 완화하고, 열을 낮추며, 질병과 싸우는 등 활성 화합물을 함유한 식물이었습니다. 오늘날까지도 약용식물학은 현대 의학에서 매우 중요한 분야이며, 흔한 식물과 덜 흔한 식물에서 희귀 분자를 정기적으로 발견하여 새로운 치료법을 개발하고 있습니다.

한 가지 문제는 이러한 화합물이 의학적으로 강력할 수 있지만 식물 내에 소량만 존재하거나 식물을 재배하기 어렵다는 점입니다. 두 경우 모두, 해당 약은 특히 관심 있는 화합물을 화학적으로 합성할 실현 가능한 방법이 없을 때 매우 비쌀 수 있습니다.

따라서 식물에서 활성 분자를 추출하는 과정을 최적화하는 모든 개선은 경제적 및 의료적 측면에서 막대한 영향을 미칠 수 있습니다.

이란 이슬람 아자드 대학교, 타르비앗 모다레스 대학교, 그리고 이스파한 공과대학의 연구팀은 AI를 활용하여 초임계 CO₂를 이용한 귀중한 화합물 추출을 최적화했습니다. 그들은 이 연구 결과를 CO2 Utilization¹에 “Sustainable CO₂-based process intensification for the extraction of Nepeta crispa essential oil using ultrasound-assisted supercritical CO₂: Optimization and machine learning modeling”라는 제목으로 발표했습니다.

식물 약전 추출

다양한 허브와 방향성 식물은 그들의 귀중한 특성과 이점 때문에 주로 에센셜 오일에 기인하며, 제약, 식품, 화장품, 페인트 및 화학 산업 전반에 걸쳐 광범위하게 활용되고 있습니다. 에센셜 오일은 다양한 종류의 분자를 포함하는 복합 화학 혼합물로 구성된 휘발성 성분입니다.

식물 재료에서 에센셜 오일을 추출하는 전통적인 기술인 수증류, 증기 증류 및 유기 용매 기반 추출은 여러 내재된 제한 사항을 가지고 있습니다:

• 유기 용매 사용으로 인한 추출물 오염 가능성.
• 이후 용매 제거가 필요함.
• 용매의 독성 및 인화성.
• 허용 가능한 수율을 달성하기 위한 높은 운영 비용 및 상당한 에너지 투입.

최근 몇 년간 초음파 보조 추출(UAE)은 음향 공동 현상을 통해 식물 세포벽을 파괴하고 생리활성 화합물 및 에센셜 오일의 방출을 촉진함으로써 우수한 결과(수율, 용매 사용량, 속도)를 보여 큰 관심을 받고 있습니다.

한편, 초임계 유체(SCFs), 특히 초임계 이산화탄소(SC-CO₂)는 기존 추출 매체에 대한 효과적인 대안으로 점점 더 인식되고 있습니다.

초임계 유체는 액체와 기체의 구분이 사라지는 지점보다 높은 압력으로 가압된 물질입니다. 따라서 기술적으로는 기체이지만 대부분 액체처럼 작용합니다.

CO₂의 장점으로는 폭발 위험이 없고, 독성이 없으며, 비용이 저렴하고, 인화성이 없고, 부식성이 없다는 점이 있습니다. 또한 생리활성 화합물의 자연적 무결성을 보존하고 압력 및 온도 제어를 통해 높은 선택적인 추출을 제공할 수 있습니다.

초임계 CO₂ 기반 추출 최적화

초임계 CO₂를 이용한 추출 효율은 압력, 추출 시간, 공동용매 부피, 온도, 입자 크기 및 CO₂ 흐름 속도 등 다양한 요인에 따라 달라집니다. 따라서 특정 식물의 특정 화합물에 대한 최적 구성을 찾는 것은 상당히 어려우며 현재까지는 과학만큼이나 예술적인 측면도 있습니다.

통계 및 수학 모델이 도움이 될 수 있지만 실제로 설계하기는 복잡합니다.

이러한 방법을 최적화하기 위해 연구자들은 ANFIS(Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System)와 Particle Swarm Optimization(PSO) 알고리즘을 사용했습니다.

CO₂와 AI를 활용한 추출 완성

식물 선택 및 테스트

연구자들은 테스트용 식물로 Nepeta crispa를 선택했습니다. 다양한 Nepeta 종은 항균, 항바이러스 및 항진균 효과와 같은 광범위한 생물학적 활성을 가지고 있습니다. 전통 의학에서 N. crispa는 거담제, 진경제, 이뇨제, 발한제, 항천식제, 자궁수축촉진제 및 진정제로 활용되어 왔습니다.

출처: WorldPlant

연구자들은 이 식물에서 활성 화합물을 추출하는 방법을 3가지 다른 방식으로 비교했습니다:

• 최적 조건 하의 SC-CO₂
• 수증류
• 초음파 보조 추출

19개의 화학 물질이 확인되었으며, 이는 추출된 전체 에센셜 오일의 97-99%를 차지합니다. 초임계 CO₂가 가장 생산적인 방법으로 거의 완벽에 가까운 추출 수율을 보였습니다. 전체 조성 및 정성적 프로파일은 모든 기술에서 비교 가능했습니다.

출처: CO2 Utilization

AI 모델 구축 및 테스트

다양한 구성에서는 온도, 압력, 질량 흐름률 및 공동용매 부피와 같은 다양한 유형 및 수량의 입력 변수를 포함했으며, ANFIS는 역전파와 하이브리드 알고리즘을 사용하여 신경-퍼지 시스템을 최적화했습니다.

출처: CO2 Utilization

전체적으로 온도는 추출에 큰 영향을 미치지 않았으며, 압력과 CO₂ 흐름률이 더 중요했고, 공동용매(에탄올)의 추가도 중요한 역할을 했습니다.

초임계 CO₂ 추출을 예측하는 모델의 정확성을 확인하기 위해 과학자들은 여러 실험과 비교 테스트를 수행했습니다. 추출 수율 예측은 각 경우마다 실험 결과와 거의 완벽하게 일치했습니다.

이 공정의 최적 운영 조건은 압력 34 MPa, 온도 112 °F / 44.8 °C, 질량 흐름률 1.1 g/min, 공동용매 부피 370 µL로 밝혀졌습니다.

자원 활용의 미래

이 연구는 비교적 단순한 AI 시스템조차도 중요한 응용 분야가 있는 틈새 적용에 활용될 수 있는 사례 중 하나입니다. 예를 들어, 이번 경우는 식물에서 의학적 분자를 추출하는 최적화를 통해 새로운 혹은 저렴한 치료법을 개발할 가능성을 열어주며, 동시에 재생 가능하고 오염되지 않은 자원을 활용함으로써 자원 추출의 생태학적 영향을 감소시킵니다.

이러한 시스템이 규모를 확대함에 따라 경제적 이점은 식물 추출을 넘어 산업 가스 공급업체, 공정 엔지니어링 기업, 자동화 제공업체 및 제조업체가 비용을 절감하고 생산성을 향상시키는 AI 기업 등에게도 기회를 제공할 수 있습니다.

초임계 CO₂는 점점 더 많이 사용될 전망이며, 예를 들어 중국에서 진행된 획기적인 “Chaotan One” 초임계 CO₂ 터빈 테스트는 기존 초임계 증기를 CO₂로 대체하여 터빈의 에너지 생산을 급격히 향상시켰습니다.

CO₂ 산업 적용에 대한 투자

Linde Plc

Linde는 Air Products and Chemicals와 같은 경쟁사와 함께 세계 최대의 산업 가스 기업 중 하나이며(APD ) (해당 회사에 대한 보고서는 링크를 참조하십시오), 2025년 매출이 최대 340억 달러에 달했습니다. 1879년 독일에서 설립되었으며 2018년에 같은 분야의 거대 기업인 Praxair와 합병했습니다.

오늘날 Linde는 대기에서 추출한 순수 가스(희귀 가스 포함)와 LNG(헬륨), 탄화수소(에틸렌, 프로판, CO, CO₂) 및 수소 생산과 같은 산업에서 생산되는 가스 모두의 생산에 활발히 참여하고 있습니다.

출처: Linde

매출은 지리적으로 미주(45%)와 EMEA 지역(25%)이 주도합니다. 거의 모든 산업 공정이 이러한 가스를 필요로 하기 때문에 Linde의 고객 기반은 매우 다양하며, 주요 산업은 화학 및 에너지(매출 21%), 제조(21%), 의료(17%), 광업(13%)입니다.

가스와 고객에 따라 Linde는 현장에서 직접 생산하거나 중앙 시설에서 생산한 후 최종 사용자에게 운송합니다.

출처: Linde

산업 가스 분야는 규모가 지속적인 경쟁 우위가 되는 분야로, 이는 빠른 납품과 신속한 공급 등 신뢰성을 쌓고, 대규모 생산량 및 광범위한 유통망을 통해 자본 비용과 연구개발 비용을 절감하는 데 도움이 됩니다.

녹색 수소와 탄소 포집은 단순히 전 세계 산업 생산 성장보다도 회사에 더 큰 성장 기회를 제공하며, 에너지 분야에서 확장할 새로운 영역을 제공합니다.

출처: Linde

최신 Linde (LIN) 주식 뉴스 및 개발

참조 연구

^{1. Mitra Amani, Nedasadat Saadati Ardestani, Seyyed Mohammad Ghoreishi. 지속 가능한 CO₂ 기반 공정 강화: 초음파 보조 초임계 CO₂를 이용한 Nepeta crispa 에센셜 오일 추출: 최적화 및 머신러닝 모델링 CO2 Utilization. 2026년 7월 10일. 기사: 103519. 권: Volume 110. 10.1016/j.jcou.2026.103519}