바이오연료 생산을 위한 목질 바이오매스 전처리 기술
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2012
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Korean
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학술저널
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27-42(16쪽)
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바이오에탄올은 재생 가능한 식물자원(바이오매스)에서 생산되므로 에너지자원의 고갈 문제가 없고, 공정의 전주기(Life cycle) 관점에서 볼 때, 연료사용에 배출된 이산화탄소의 중립(CO2Neutral)이기 때문에 지구 온난화가스의 저감 및 CDM 사업에 크게 기여할 수 있다. 우리나라도2013년부터 교토협약에 따른 CO2 배출규제를 받게 된다는 점을 고려할 때 이에 대한 대비로 수송용 바이오에탄올 혼합유의 보급은 반드시 필요하다고 판단된다. 따라서 섬유소계 에탄올 생산기술은 그 중요성 때문에, 세계 각국이 경쟁적으로 기술 개발에 박차를 가하고 있으며, 최근 들어 상용화 수준의 기술이 발표되고 있다. 따라서 섬유소계 에탄올 생산 기술의 개발은 매우 시급한 국가적 과제라 사료된다. 섬유소계에탄올 섬유소계 에탄올 생산 기술의 개발은 원유의존도를 낮추어 유가안정화에 기여하며, 에너지 국산화에 따른 에너지 안보를 강화하는 데 목적이 있다. 바이오 에탄올을 국내 기술로 생산하여 휘발유의 1%를 대체하는 경우, 예상되는 총 사회적 편익은 연간 4천8백만 달러로 추정된다. 그러나 지금까지 섬유소계 에탄올은 1세대 에탄올과 비교하여 약 2.2~2.5배 높은 가격을 유지한다. 그 이유로는 섬유소의 당화 공정이 어렵고, 비용이 많이 수반되기 때문이다. 원료가를 제외한 요소 공정별 비용을 보더라도 당의 추출공정에 소요되는 경비가 약 30%를 차지할 정도로 단위공정비용 중 가장 큰 비중을 차지하기 때문이다. 섬유소계 바이오매스 일반적으로 섬유소계 바이오매스는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 그리고 리그닌으로 구성되어 있으며 종류에 따라 차이는 있지만 대략 4 : 3 : 3의 비율로 구성되어 있다. 그러나 이들 성분들은 서로 복합적으로 견고하게 결합되어 있기 때문에 바이오매스 유용성분들을 자원화하기 위해서는 매우 어려운 기술들이 요구된다. 바이오매스들은 각각 서로 다른 성분비, 결합구조, 반응성 등으로 인하여 당화조건 또한 다양해야 한다. 당화조건이 최적화되어 있지 못하면, 미반응 바이오매스 잔류물 또는 과잉반응에 의한 단당류의 분해로 부생된 불순물들을 포함하기 때문에 효과적인 당화 또는 발효를 수행할 수 없게 된다. 바이오매스 전처리/당화섬유소계 바이오매스의 전처리/당화는 연료용 에탄올 생산과 관련하여 국.내외적으로 많은 연구가 수행되었다. 그러나 섬유소계 에탄올 생산이 지금까지 산업화되고 있지 못하는 이유는, 전체 에탄올 생산 공정에 있어서 섬유소의 당화가 차지하는 공정비용이 너무 높고, 당화수율이 낮아 바이오매스자원을 효과적으로 이용하지 못하고 있으며, 부생되는 분해물들이 에탄올 발효에 독성으로 작용하여 아직까지 비경제적 요소로 남아있기 때문이다. 따라서 이러한 문제점들이 극복되어야만 바이오매스로부터 생산된 연료용 에탄올이 기존의 화석연료와 경쟁하여 대체 에너지로서의 역할을 할 수 있을 것이다. 이를 위해서 바이오매스의 효율적 전처리/당화는 물론 바이오매스의 구성성분들의 효과적 분별 및 회수가 선행되어야 한다. 바이오매스 산업의 핵심은 포도당과 자일로스 등 당분의 확보이다. 이렇게 확보된 당분들은 지금까지 상용화되어왔던 발효, 정제 공정에 의해 1세대 에탄올과 똑같이 이용될 수 있다. 바이오매스의 여러 단계 공정 중 기질의 전처리 공정은 도입되는 다양한 기질의 공정 적응도의 중요한 인자이며, 특히 효율적인 바이오 에탄올을 생산하기 위해서는 전처리 공정을 통하여 어떤 형상의 당화액을 얻을 수 있느냐가 전체 공정의 효율을 좌우한다. 바이오매스 구성 성분들의 물리, 화학적 특성 차이로 인한 전처리/당화 최적화의 어려움을 pH 또는 반응온도 등의 전처리 조건들을 단계별로 조절함으로써 당화수율의 증가와 과분해물의 감소를 유도할 수 있다. 바이오매스 분별 (fractionation)을 포함하는 전처리 (pretreatment) 공정의 궁극적 목적은 바이오매스의 비표면적을 증가시키고, 셀룰로오스의 결정화도를 감소시켜 효소의 접근성을 높이고, 바이오매스 성분들을 각각 분리해 내어 섬유소에 흡착할 수 있는 유효 효소의 양을 증가시키는데 있으며, 전처리/분별 공정의 효율 정도에 따라 바이오매스 유래 당 성분들, 즉 바이오슈가(Biosugars)의 생산비용이 결정되므로, 전처리/분별 공정은 바이오매스를 바이오연료 및 화학물질로 전환하기 위한 필수 단계로 꼽히고 있다. 바이오매스의 분해도 및 반응성(reactivity)에 영향을 미치는 주요 인자로 섬유소의 결정성(crystallinity)이나 물질의 다공성(porosity) 외에 리그닌이나 헤미셀룰로오스의 함량도 주요한 변수가 된다. 즉, 반응속도는 유효효소(effective enzyme)의 흡착량에 따라 증가하며, 흡착된 효소의 가수분해 속도는 섬유소의 결정도에 의해 결정되어진다. 따라서 효과적인 분별 공정에서는 섬유소 분율을 증가시켜 단위 바이오매스당 효소의 흡착율이 높고, 섬유소의 반응성이 증가되어 흡착된 효소의 가수분해 능력이 증가되어야 한다. 또한 고수율의 당 생성 외에도 생성당의 분해를 최소화 하는 것도 중요한 변수가 된다. 즉, 당화 반응 속도상수(ks)와 생성당의 분해 속도상수(kd)의 비율(ks/kd)이 최대가 되는 높은 선택성이 요구된다. 본 연구실에 확보되어 있는 2단계 분별 시스템 (two-stage fractionation system) 및 연속 전처리/분별 장치 (screw-driven continuous pretreatment equipment)를 소개하고, 그 동안 진행되어 왔던 실험 결과들을 소개함으로써 장치 및 공정의 효율성에 대하여 자세히 소개하고자 한다.
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