ISBN 978-89-6211-057-9 98560 1 ⑦ 제2 세대 바이오 연료 셀룰로오스 에탄올의 가능성 [ 박순철 홍성화 ]
2 제 2 세대바이오연료셀룰로오스에탄올의가능성 Emerging Issue Report 제 1 장 바이오연료의이상과현실 1. 바이오연료의정의와확대보급의배경 4 2. 저개발국들식량과연료사이에서갈등 7 제 2 장 사회, 환경적이슈들 1. 지속가능한바이오연료는과연가능한가? 10 2. 전분질계 / 당질계바이오에탄올의딜레마 12 제 3 장 제 2 세대바이오연료셀룰로오스에탄올 1. 셀룰로오스에탄올은무엇인가? 15 2. 셀룰로오스에탄올생산기술종류 17 3. 셀룰로오스에탄올생산의애로기술 19 4. 셀룰로오스에탄올생산애로기술의해결방안 23 5. 셀룰로오스부탄올생산대안 27 6. 경제 환경 사회적장벽들과극복방안 29 제 4 장 결언 1. 바이오에탄올의진화와향후전망 31 2. 국내기술개발의현황 33 3. 셀룰로오스에탄올상업화를위한기술개발 보급정책방향 36 참고문헌 38
3 제 1 장바이오연료의이상과현실 바이오연료의정의와확대보급의배경 저개발국들식량과연료사이에서갈등
4 바이오연료의이상과현실 1. 바이오연료의정의와확대보급의배경 가. 장기적사회적편익을바라보며현재의가격경쟁력확보 바이오연료는증식이가능한생물체 (biomass: 바이오매스 ) 에서생산되는에너지원중에서수송용화석연료를대체할수있는연료 - 자동차의연료로사용되는바이오연료는크게바이오에탄올 ( 휘발유대체 ) 과바이오디젤 ( 경유대체 ) 로분류 선진국의수송용바이오연료보급은고유가대비에너지안보강화, 온실가스감축을통한기후변화협약대비, 유휴농지잉여양곡등을활용한농가소득증대의 1석 3조의효과겨냥 - 에너지원을다변화하고해외의존도를줄일수있음 - 원료를재배하는과정에서대기중온실가스배출을줄일수있으며대기오염물질의배출도감소 - 농산물의부가가치와농가소득을상대적으로제고 2007 년 5 월현재미국, EU 등에서는상기하는사회적 ( 환경, 안보, 거시경 제 ) 편익을고려하고고유가로가격경쟁력을갖게된바이오에탄올을경쟁 적, 정책적으로보급확대중 1) 1) 2007. 5 휘발유가격미국걸프만 (FOB : 314 센트 /gal), 에탄올가격미국걸프 (Prompt 230 센트 /gal), 그러므로에탄올의연비 factor (0.7) 을곱하여도거의동등수준 ( 에탄올 : 328 센트 /1.43gal), 그리고에탄올의 2008 년 5 월선물은 188 센트 /gal 까지하락
5 - 장기적으로고유가는필연이며단기적으로는물량확보의문제 ( 화석연료의시장체계는고유가공급부족하에서가격탄력성이적음 ) - 2006 년까지만해도미국에서는바이오연료가격이휘발유가격에비해 50센트 /gal 가량비싼형편이었음 - 2007 년 5월현재브라질의에탄올가격은 140 센트 /gal 2) 으로브라질은바이오연료의 사우디아라비아 로부상하고있음 나. 미국과 EU 그리고아시아의에너지안보패러다임의변화 미국의부시대통령은 2007 년 1월 23 일국정연설에서 2017 년까지미국의휘발유소비를 2017 년까지 20% 감축한다는계획을발표 - 자동차연비향상으로 5%, 바이오연료사용으로 15% 를감축 - 이를위하여미국은 2017 년의에탄올수요량 127 백만kl의 90% 를옥수수로부터생산하고나머지는셀루로오스에탄올로공급할계획 미국의대체연료보급의무화 (RFS*) 계획 3) ( 단위 : 10 억갤런 ) 년도 2007 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 에탄올 5.45 6.08 6.44 7.21 8.72 10.55 12.77 15.45 18.70 22.62 27.37 33.61 휘발유대체량 3.71 4.14 4.38 4.91 5.94 7.18 8.69 10.52 12.72 15.40 18.63 22.87 * Renewable Fuel Standard - 이러한미국의전략변화는이라크전쟁의후과, 중남미의좌파산유국정 권대두등을견제하며고유가, 기후변화협약을대비하고자국의농업생 산을무기화하는다목적포석 F. O. Lichts, " World Ethanol & Biofuels Report" June 19, 2007 2) 2007. 5 에탄올가격브라질상파울루 (ex-distillery 140 센트 /gal), 그러므로에탄올의연비 factor (0.7) 을곱하여도거의동등수준 ( 에탄올 : 200 센트 /1.43gal) F. O. Lichts, World Ethanol & Biofuels Report June 19, 2007 3) F. O. Lichts, World Ethanol & Biofuels Report May 8, 2007
6 - OPEC 은전과는달리이에대하여매우신경질적으로대응하며서방국들 이바이오연료에계속투자땐유전개발신규투자를저감하고감산하여 유가를더욱더상승시킨다고위협 4) EU 27개국정상들은 2007 년 3월 9일에 2020 년까지수송부문바이오연료비율을최소 10% 까지확대키로선언 (2010 년까지는 5.75%) 5) - 프랑스곡물메이저 루이드레퓌스 는브라질에탄올공장 5개를인수 - 독일 ( 바이오디젤 ), 프랑스 (ETBE), 스페인 ( 에탄올 ) 은보조금과세제혜택으로보급을적극지원 - EU 도중동정정불안, 러시아에너지압박외교, 기후변화협약등의이유로바이오연료보급확대에박차 중국은 2006 년현재 100 만kl이상의바이오에탄올을생산하여공급하고있으며 2010 년까지이를 500 만kl, 2020 년까지는 1천만kl로늘린다는계획 6) - 2000 년도중국은바이오에탄올보급제로국가였으나이것이 5년만에 100 만kl이상이되었음 - 중국은최근 (2007. 6) 사료 ( 옥수수등 ) 값급등과전염병등으로돼지고기파동 ( 상승률 70%) 을겪으면서바이오에탄올증산을잠정금지 ( 不爭糧의원칙 ) 7) 하고 2010 년보급목표가 200 만kl정도로수정된듯 일본은현재 E-3( 에탄올 3% 섞은휘발유 ) 를허용하며 2010 년까지 50 만kl 이상의바이오에탄올을공급예정 - 브라질등해외도입 90%, 일본국내생산 10% 예정 8) 4) 한국일보 2007. 6. 7 보도 5) 한겨레 2007. 3. 9 보도 6) 조선일보 2007. 1 보도 (IPCC 보고서그후 5 7) 개인정보 ( 유안쩐홍 : 중국바이오에너지센터, 광저우에너지연구원 ) 8) 연합뉴스 2007. 6. 12 보도
7 2. 저개발국들식량과연료사이에서갈등 가. 에탄올인플레 혹은애그플레이션 (Agflation) 9) 의전망 고유가하에서전세계적인바이오연료붐으로농경지및농산물및가공제품가격의급등이일어나고있음 - 옥수수뷔셀당선물가격은 2006 년 1월 6일 2.14 달러에서 2007 년 1월 6 일 4달러로급등, 2007. 5월 8일 3.4 달러로안정 10) - 콩, 보리, 밀 ( 옥수수대체재배로경작감소 ), 사탕수수가격도동반상승 - 옥수수를원료로하는사료가격상승으로육류, 계란, 낙농품가격상승 - 기타설탕, 팜오일, 마아가린, 청량음료 ( 옥수수감미료사용 ), 맥주등도동반상승 단기적으로선진농업국엔호재, 저개발국엔재앙 - 에탄올인플레에따른식료품가격상승은소비자물가에의영향 (15% 미만 ) 이적어큰영향이없음 - 중국, 멕시코등과식량난이심각한저개발국들이단기적으로는직격탄을맞은듯 중기적으로는모든중진농업국에호재 11) - 먼저곡물가격이엄청나게상승하면대규모농업국의농부들이재빨리융통성을발휘할것 ( 식량으로전환판매 ) - 멕시코등중남미농업국들은주식인또르띠아가격상승등단기적으로어려움이있었지만 NAFTA 등으로황폐화 (2002 년농업생산성 21% 감소 ) 된농업재활성화의계기로작용할듯 - 이와같은예측을대변하듯 2007 년 5월 8일옥수수가격은 3.4 달러로안 9) 한국경제 2007. 6. 25 보도 10) 중앙일보 2007. 1. 23 보도 11) F. O. Lichts, World Ethanol & Biofuels Report September 7, 2006
8 정되었으며곡물가의폭등은단기적시장왜곡에불과하고 Timing 의문제 - 이러한현상은미국의곡물을다량수입하던여타국가에도가능한시나 리오임 장기적으로는셀룰로오스에탄올이가장유력한대안
9 제 2 장사회, 환경적이슈들 지속가능한바이오연료는과연가능한가? 전분질계 / 당질계바이오에탄올의딜레마
10 사회, 환경적이슈들 1. 지속가능한바이오연료는과연가능한가? 가. 지나친것은부족함만못하다. UN Energy 가발간한 지속가능한바이오에너지 (Sustainable Bioenergy) 라는보고서 12) 에서과도한바이오에너지개발의부작용을경고하고나서다 - 대규모플랜테이션 ( 에너지작물경작을위한 ) 을위해산림을훼손하거나 - 대규모바이오연료개발로인한식료품가격및토지가격의과도한상승으로농촌의지역공동체가와해되거나 - 거대규모단일작물생산을위한토양이나수자원의집중적사용이만연할경우 - 산림훼손으로온실가스의배출이도리어증대되며, 가공유통업자의착취로농가의소득이도리어감소하고, 생태계의파괴로생물다양성이나토양자원, 수자원의고갈이일어날수있다고경고 UN Energy 는동보고서에서현재의기술로는바이오에너지는곡물유지 등의바이오연료로서의이용보다는바이오매스 ( 셀룰로스 ) 자체로서연소 혹은가스화하여난방혹은전력생산에사용되는것이좀더효율적이라 는결론을제시하며바이오에너지개발에있어다음의지속가능한이슈들 을제시 - 농산업발전과빈곤층에의일자리창출및에너지서비스 12) UN-Energy, Sustainable Energy : A Framework for Decision Makers 2007. 5. 21 (bbc. News)
11 ( 농업구조적문제해결에순기능을할것 ) - 바이오에너지사용에따른건강및여성복지문제 ( 땔감, 채취, 가사, 노동문제 ) - 식품안전성문제 ( 식품전용 GMO 등의취급 ) - 정부의무역, 국제수지, 예산및에너지안보문제 - 기후변화, 생물다양성및천연자원관리문제 UN Energy 의동보고서는농업위주저개발국가의시각 ( 동남아국가등으 로대표 ) 으로접근하는경우매우적절한경고로판단되며당연한말씀 13) 13) 필자주
12 2. 전분질계 / 당질계바이오에탄올의딜레마 가. 배보다배꼽이더크다고? 미국은 2006 년 2000 만kl ( 브라질 1780 만kl ) 의에탄올을옥수수와사탕수수에서생산하며 2006 년말약 US$ 0.58/l( 브라질 US$ 0.4/l) 의가격으로거래하였으며 2007 년도에는약 2600 만kl ( 브라질 2000 맡kl ) 의에탄올생산이전망 14) 되나전분질계 / 당질계에탄올의근본적한계가다음과같이지적되고있음 15) - 옥수수를재배하여에탄올자동차를굴리기까지소모되는석유량이에탄올연료가대체하는석유의 70% 정도필요 - 투입에너지대비산출에너지비중이사탕수수에탄올이 8.3, 옥수수에탄올은 1.3 에불과하다는점 - 옥수수에탄올의경우온실가스배출량도같은양의가솔린을소비했을경우보다 15% 정도만감소 - 유가 50달러이하에서의경제성이전혀없다는문제 - 연비가휘발유의 75% 수준이며자동차및유통인프라가미비 위의분석결과는옥수수, 사탕수수를재배, 수집, 변환, 유통하는관행의전주기분석의결과이며대체제인휘발유의생산, 수송, 유통운반의과정과비교되어야할것임 ( 옥수수의경우부산물은에너지가치만을갖는것은아님 ) 따라서옥수수, 사탕수수를재배, 수집, 변환, 유통하는관행의개선과기 술개발및인프라확충으로점진적개선이이루어지긴하겠지만근본적해 결은난망 14) F. O. Lichts, World Ethanol & Biofuels Report Jan. 29/ May 8, 2007 15) KISTI 동향정보분석팀
13 그렇지만 배보다배꼽이더큰형국 은아니며사회및환경적측면에서는 산림등을훼손하고수자원을고갈시키는과도한개발이아닐경우화석연 료보다는환경적잇점이있음 한편, 이러한딜레마는식량작물의경작에기인하므로근본적인해결책은 비식량바이오매스자원즉, 셀룰로오스에탄올과같은차세대바이오연 료의등장으로해결가능성
14 제 3 장제 2 세대바이오연료셀룰로오스에탄올 ( 기술, 경제적이슈들 ) 셀룰로오스에탄올은무엇인가? 셀룰로오스에탄올생산기술종류 셀룰로오스에탄올생산의애로기술 셀룰로오스에탄올생산애로기술의해결방안 셀룰로오스부탄올생산대안 경제 환경 사회적장벽들과극복방안
15 제 2 세대바이오연료셀룰로오스에탄올 ( 기술, 경제적이슈들 ) 1. 셀룰로오스에탄올은무엇인가? 가. 셀룰로오스는거의모든생물생태계의주요에너지원 셀룰로오스 ( 섬유소 ) 는태양에너지와이산화탄소, 그리고물을사용하여광합성을하는거의모든녹색식물체에서잎, 줄기, 뿌리에생성되며유기물중지구상에서가장풍부한자원으로이를가수분해하면포도당으로될수있다. - 자연계에서셀룰로오스는 1차적으로곰팡이류미생물, 초식동물의먹이등으로소비되며이들생물은섬유소분해효소등으로이를궁극적으로포도당으로만들어대사에사용하며최종적으로는물과 CO 2 로분해된다. - 셀룰로오스를포함하는나무등은태우면열에너지를발생하며바로물과 CO 2 로분해되며산소가없는상태에서분해되면 CH 4 가스를거쳐궁극적으로는물과 CO 2 로분해된다. - 자연계로환원된물과 CO 2 는식물체가태양에너지를사용하여다시셀룰로오스등생물유기체로합성된다. - 그러므로이러한광합성-가수분해-광합성의순환적과정은원칙적으로대기중의 CO 2 증가를유발하지않는다. 셀룰로오스에탄올은이러한셀룰로오스를당화하는과정을인위적으로행 하여당분을얻고이를발효하여에탄올로하거나 CO, H 2 등의가스로분 해하여에탄올로합성함으로써얻을수있다.
16 그러므로셀룰로오스에탄올의원료는사람의식량과경합하지않으며가 공사용하여도온실가스를증가시키지않는다 ( 재배과정의화학비료사용, 수집과정의자동차연료에의한온실가스발생은제외 )
17 2. 셀룰로오스에탄올생산기술종류 가. 방법은많지만아직은미완성... 셀룰로오스에탄올의생산기술은셀룰로오스의분해방법에따라크게 3가지로나눌수있다. - 섬유소분해효소를활용한당화에이은알콜발효로생산하는방법 ( 효소당화공정 ) - 황산, 염산등을활용한산당화에이은알콜발효로생산하는방법 ( 산당화공정 ) - 셀룰로오스열분해가스화로 CO, H 2 를생성하고이를촉매합성하여에탄올을생산하는방법 ( 가스화합성공정 ) 이중에서효소당화공정이가장활발히개발되고있으며다른공정들은 각각의장단점을가지고있다. 공정 장점 단점 효소당화공정 온화하고친환경적공정조건 느린반응과낮은수율 산당화공정 다양한셀룰로오스원료가능 산폐수와장치부식 가스화합성공정 빠른반응과높은수율가능성 엄혹한공정조건과공정수명 현재 (2006) 이들공정의경제성비교는초기투자와생산원가로다음과같 이비교하여볼수있다. 공정 공정규모 (gal/ 년 ) 초기투자 ( 억 $) 생산원가 ($/gal) 효소당화공정 16) 5230만 2.282 1.56 약산당화공정 17) 2000 만 0.704 1.2 강산당화공정 18) 4.5만 kl/y - 0.92-1.2/l 가스화합성공정 - - 1.2 (2012 목표 ) 16) Y. Y. Lee (2006) Private Communication (LG Caltex Seminar) 17) 원진홍등 (2004) 生物質能利用原理與技術 p273 (Kadam et al 2000 년보고서인용 )
18 - 따라서미국을비롯한독일, 스웨덴, 덴마크등은효소당화공정을근간으로하는파일로트규모의셀룰로오스에탄올생산공정을시험하고있으며일본, 중국등은산당화공정을시험하고있다. - 산당화공정기술은효소당화공정의단점의하나인다양한셀룰로오스원료의혼합물 ( 폐기물셀룰로오스, 종이, 폐목재등 ) 을효과적으로처리하지못하는점과소규모공장이불가능한점 ( 느린반응 ) 에착안하여틈새시장을노리는기술이다. - 가스화합성공정도비슷한이유로미국등에서한가지기술적대안으로개발되고있다. 18) Arkenol Process Broichure (2006)
19 3. 셀룰로오스에탄올생산의애로기술 가. 우선전분질계원료라도이겨야... 사탕수수원료, 옥수수원료, 카사바원료에탄올생산은원료들이당분 ( 설 탕 ) 이나전분이므로간단히포도당으로당화하여알콜발효를할수있다. - 비록설탕, 식량등과경합하여원료의값이비싸긴하지만현재까지의생산 단가는이쪽이더낮고산업인프라가갖추어져서이미상업화되고있다. 원료 공정규모 (gal/ 년 ) 초기투자 ( 억 $) 생산원가 ($/gal), 년도 셀룰로오스에탄올효소당화공정 5230만 2.282 1.56 (2006) 사탕수수에탄올브라질평균 19) - - 0.83 (2002) 옥수수에탄올미국평균 - - 1.3 (2002) 카사바에탄올동남아추정치 20) - - 2.3 (2006) - 한편미국의옥수수에탄올가격은고유가에의한가솔린의가격과동조화 (coupling) 되는경향이있다. 이는고유가및에탄올생산의용도이전에따른옥수수가격상승과미국의보조금 ($0.51/gal) 때문인데다음에미국의에탄올가격추이를보여준다. 2006 2007 년도 2000 2001 2002 2003 2004 2005 (7/21-8/10) ( 예측치 ) 가격 21) ($/gal) 가솔린 ($/gal) 1.3 1.5 1.18 1.4 1.7 1.9 2.8-3.5 3.5-3.75 0.95 0.9 0.8 1.0 1.2 1.6 2.3-3.0 3.0-3.2 19) Grassi et al. (2003) 2002 년평균기준 20) 박순철현지조사시 Private communication and Estimation 21) Fuji-Keijai USA Inc. (2006/9) US Bioethanol & Cellulosic Ethanol Market & Future Drections
20 - 따라서생산원가측면에서만보면현재로서셀룰로오스에탄올은옥수수에탄올과는경쟁하여상업화될수있으며상업화하여보급되면옥수수에탄올에서와같은가격동조화현상은덜해질것으로보인다 ( 식량과의경합없음 ). - 사탕수수에탄올과의경쟁에서는브라질의에탄올수출정책과경쟁력그리고수입국의지정학적위치, 수입정책등에달려있다. 사탕수수원료, 옥수수원료, 카사바원료에탄올생산과비교하여셀룰로 오스 ( 대표적으로나무 ) 로부터에탄올생산수율은나쁘지않다. 22) 그러므로 경제성있는에탄올생산공정만개발되면기타원료보다대량보급에상당 히유리하다. 종류 단위원료생산량당, 전분, 셀루로스에탄올수율단위알콜생산량 (t/hm2 년 ) 함량 (%) (l/t 원료 ) (kg/h m2 년 ) 사탕수수 70 12.5 70 4900 옥수수 5 69 410 2050 카사바 40 25 150 6000 나무 ( 셀룰로오스 ) - 50 130 - 나. 셀룰로오스의견고함 : 하느님이만들어놓은함정들... 효소당화공정에의한셀룰로오스원료에탄올생산은다음과같은공정으 로이루어진다. 22) 원진홍등 (2004) 生物質能利用原理與技術
21 셀룰로오스는자연계에서아주천천히분해되도록고안되어있다. 나무속의 셀룰로오스를바로분해하여포도당으로하는벌레, 곰팡이등 Super Bug 이있다면지구상의식물들은금방멸종의위기를맞을것이다. 에탄올생산의애로공정기술은모두이와연관되어있으며그내용은다 음과같다. 전처리공정 : - 나무줄기의주성분인셀룰로오스 (50%) 는포도당의중합체 ( 화학결합체 ) 로서섬유의모양을하고있으며괴상의리그닌 (25%; 충진물, 방향족화합물 ) 과이들을서로접착 ( 결합 ) 해주는헤미셀룰로오스 (20% 내외 ) 로이루어져아주견고하다. - 그러므로셀룰로오스를추출해내어포도당으로당화하려면먼저접착제와충진제를분리, 제거하여셀룰로오스를분해하는효소 ( 셀룰라제 : Cellulase) 가접근할수있게해주어야한다. - 이를위하여먼저나무를파쇄하고헤미셀룰로오스를녹여내는약산으로처리하거나리그닌을분해하는암모니아를처리하면서증기등열을가하여쪄내는것이필요하다. - 이공정은제지 펄프공정과유사하며많은에너지가소모되고생성물은펄프 ( 섬유소슬러리 ) 와유사하다. - 또한이공정은다음단계인당화공정의수율, 생산성에도많은영향을미친다. 효소생산당화공정 : - 셀룰라아제효소는나무등을분해하는곰팡이류, 이들의유전자를함유한재조합균주등을배양하여생산하며그역가 ( 셀룰로오스분해능력 ) 와생산성이높아야한다. - 셀룰라아제효소를생산하는균주들은효소의생산을조절하는능력이있
22 어먹이 ( 포도당등당화생성물 ) 가충분한조건에서는셀룰라아제효소를생산하지않는다. - 따라서효소생산공정은보유균주및생산방법에따른 know-how 가많고현재로서는수요가한정되어있어 Novo Nordisk 사, Genencor 사등세계적효소생산다국적기업이기술을거의독점하고있다. 동시당화발효공정 (SSF : Simultaneous Saccharification and Fermentation) - 셀룰라아제효소는생산물저해를상당히크게받으므로당화중생성된포도당혹은 2개포도당결합체 ( 혹은 cellobiose) 의발효를통하여계속제거하여주어야한다. - 이를위하여동시당화발효공정이보편화되고있다. 동시당화혼합당발효공정 (SSCF : Simultaneous Saccharification and Co-Fermentation) - 보통의알콜발효균주 ( 효모, Z. mobilis 세균등 ) 들은헤미셀룰로오스 ( 나무성분의약 20%) 가분해되면생성되는 5탄당 (Xylose : 자일로스 ) 을알콜발효하지못한다. - 종전에는 5탄당을별도로발효코자하였으나 5탄당과 6탄당을동시에발효할수있는균주를개발하여효소를사용한당화와 5, 6탄당의혼합물을동시에발효하여에탄올을생성하는공정이개발되고있다. - 따라서전처리된셀룰로오스슬러리를당화와동시에 5, 6탄당을동시에발효하여에탄올을생산하는동시당화혼합당발효공정 (SSCF) 이셀룰로오스에탄올생산의대세로자리잡고있다.
23 4. 셀룰로오스에탄올생산애로기술의해결방안 가. 21세기의연금술사차세대 Biotechnology(BT) 셀룰로오스바이오에탄올의개발은식량과경합치않는풍부한셀룰로오스자원에힘입은바크지만다양한기능의미생물혹은효소를창조할수있는오늘날의 BT 발전에따라가능한 꿈 이되었다. 예를들면 ; - 초목, 종이등셀룰로오스성분을서서히와해시킬수있는 Xylanase( 자일로스분해효소 ) 의개발 - 셀룰로오스를효과적으로포도당으로분해하는셀룰로오스분해효소의대량생산가능성 - 5탄당 (Xylan; 분해되면자일로스 ) 과 6탄당 (Glucan; 분해되면포도당 ) 을동시에발효에탄올을생산하는재조합균주의제작 표고버섯 (Shiitake, Lentinula edodes) 폐목은헤미셀룰로오스를분해하는 Xylanase 때문에쉽게부스러진다. - 표고버섯의균주를 BT 로활용기능을개선하여나무, 농부산물 ( 왕겨, 볏짚등 ) 등을연화전처리하고다음단계인당화 (Xylan, Gluca 등을가수분해 ) 를촉진할수있다. - 현재 Xylanase 제품은펄프, 제지공정에서비염소계표백공정 (Bleaching) 과사일리지의분해촉진등에쓰이고있다. 셀룰로오스분해효소 (Cellulase) 생산균주개선 : - 셀룰로오스분해효소는셀룰로오스의중간중간을무작위로분해하는효소성분 (CMCase), 단말을분해하고결정형셀룰로오스를 Cellobiose( 포도당 2개단위 ) 로잘분해하는효소성분 (Avicellase) 와 Cellobiose 를최종적으로포도당으로분해하는효소성분 (β-glucosidase) 으로구성되고있다. - 좋은셀룰로오스분해효소는효소단백질의대량생산도중요하지만이들
24 의효소성분의배분도중요한데자연계의곰팡이류들은 Avicellase 가부족한경우가많다. - 상업적으로셀룰로오스분해효소를생산하는균주로는 Avicellase 가다량분비되는 Trichoderma reesei 곰팡이균주를사용하는경우가많으며 (Novo Nordisk, Genencor, Meiji Seika), Aspergilus niger(rapidase, Biocon), Penicillium sp. 균주등도사용된다 23). - 그외에대장균 (E. Coli), 고초균 (B. Subtilis) 등에분해효소유전자를복제하거나대사공학을통하여대량발현시키는기술들도연구개발되고있다. 혼합당발효균주의개발 : - 상업적에탄올발효에쓰이는효모 (S. Cerevisiae 등 ) 은포도당만을발효하므로셀룰로오스분해시포도당과동반생성되는자일로스 (Xylose) 를발효하기위하여 5탄당발효가능효모 (P. Stipitis 등 ) 를혼합배양하거나새로운균주를개발하기도한다. - 상업적에탄올발효에쓰이는효모 (S. Cerevisiae 등 ) 는포도당만을발효하므로셀룰로오스분해시포도당과동반생성되는자일로스 (Xylose) 를발효하기위하여 5탄당발효가능효모 (P. Stiptis) 를혼합배양하거나새로운재조합균주를개발한다. - 미국플로리다대학은 L. O. Ingram 교수가개발한 LY01 대장균은포도당, 자일로스혼합당을성공적으로발효하여에탄올을생산 24) 하고있으며이는대장균에 Z. mobilis 의알콜발효유전자, 효모의 5탄당발효유전자를재조합한것이다. 23) 박순철외 (2004) 목질계바이오매스의고효율당화공정개발을위한핵심요소기술개발연구 pp20-21 24) Kim, Youngyun, L.O. Ingram, and K.T. Shanmugam. 2006. Fermentation of glucose and xylose to ethannol by a non-recombinant ethanologenic Escherichia coli. Appl. Environ. Microbiol. (In Press).
25 나. 초기투자를줄인간단한공정으로값싸게생산하는것이요점 셀룰로오스에탄올은대량생산염가의연료제품이므로상기한첨단 BT (Biotechnology) 기술에현재의대량생산공정기술을조합한첨단대규모생물공정기술이라할만하다. 대량생산공정상의애로기술과대처방법은다음과같다. 수집, 전처리공정 : - 다양한바이오매스 ( 셀룰로오스함유식물체 ) 를수입하고모아서이들을효소당화할수있는상으로연화하는공정이다. - 나무등을파쇄하거나팽윤 ( 물에불림 ) 시켜효소의접촉면적을확보하는전처리방법 - 삼성분 ( 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌 ) 에서접착제인헤미셀룰로오스를산으로녹여내는방법 - 삼성분에서비활용성분인리그닌을알카리로녹여내는방법으로대별된다. - 공정종류는나무등을칩으로만들어증기로쪄서터트려내는증기폭쇄법, 암모니아침출 ( 폭쇄 ) 법, 분쇄팽윤법둥이있으며공정중에너지소비비용, 시설비등을줄이고당화시의수율을높이는것이과제이다 25). 동시당화혼합당발효공정 : (SSCF : Simultaneous Saccharification and Co-Fermentation) - 당화발효공정을통합함으로써시설투자를줄이고생성당류에의한생산물저해를줄임으로서공정생산성과수율을향상하는방법이다 ( 상기 3. 항에서이미설명 ) 25) 박순철외 (2004) 목질계바이오매스의고효율당화공정개발을위한핵심요소기술개발연구
26 분리정제및탈수공정의개선 : - 발효공정에서생산된에탄올발효액은발효공정의특성상에탄올농도약 12% 이하이므로에탄올만을정제하고탈수하여 99.8% 이상에탄올순도의연료를만드는공정이중요하다. - 특히에탄올은물과약 95% 농도에서공비현상 26) 을일으키므로약 5% 에해당하는물을제거하는탈수공정이필요하다. - 탈수공정으로는공비증류, 흡착제거 (Zeolite 등 ), 막분리법, Pervaporation 공정등이연구되고있다. 26) 공비현상 : 물과에탄올이일정한비율이상이되면물과에탄올이같이끓어오르는현상, 증류에의한정제가불가해짐
27 5. 셀룰로오스부탄올생산대안 가. Biotechnology(BT) 를활용한또다른가능성 전분질계혹은당질계를원료로한바이오에탄올의문제점은앞서와같거니와에탄올 ( 탄소수 2개 :C 2 H 5 OH) 은술의원료로도사용되어남용이우려되고물성이휘발유와는좀달라수분존재하에서휘발유와혼합사용시분리현상이일어나는등약간의문제점이있다. 최근미국의 Dupont 사와 BP 는셀룰로오스로부터휘발유와물성이더욱근접한부탄올 ( 탄소수 4개 : C 4 H 9 OH) 을생산하여 2012 년부터연료로공급한다는계획을발표하였다 27). - 부탄올의시장가격은현재 l당약 1.8 불 ( 중국 CFB 가격 ) 정도이다 28). - 한연구에서는먼저셀룰로오스는당화되고다음발효로부틸산으로전환된다음다시부틸산에서부탄올을발효생산하는 2단계공정이개발되고있다 29). - 셀룰로오스를포함하는바이오매스의당화산물 (5,6 탄다의혼합물 : 글루코스, 자일로스, 아라비노즈, 매노즈등 ) 을혐기성균인 Clostridium sp. 로발효하면대부분 ABE (Acetone- Butanol-Ethanol) 가혼합생성되지만수율과생산성이매우낮았다. - 최근 USDA 의농업개발서비스연구소에서는 Clostridium Beijerinckii를활용하여밀짚의당화생성물에서상당히좋은수율과선택성 ( 아세톤, 에탄올등의부산물은적고부탄올을많이생성함 ) 으로부탄올을생성하는데성공하였다고보고하였다 30). 27) KISTI GTB( 글로벌동향브리핑 )2007-04-21 휘발유에더욱가까운바이오부탄올 28) ChemLOCUS 29) KISTI GTB( 글로벌동향브리핑 )2007-03-03 바이오매스로부터부탄올을생산하기위한연구의시작 30) KISTI GTB( 글로벌동향브리핑 )2007-06-26 밀짚으로부터셀룰로오스계바이오부탄올생산
28 전처리, 당화, 생산성과공급인프라는여전히난제 - 부탄올이에탄올에비하여휘발유혼합연료로서강점이있고혼합당 (5, 6 탄당 ) 을구분없이발효하는점에서는장점이있지만부탄올의수율과특히생산성 (1차발효에 20일이소요 ) 에서는아직도해결해야할문제가많은것으로판단된다. - 또발효전전처리, 당화는에탄올발효에서와똑같이해야하며실제연료로공급하기위한공급 ( 유통 ) 인프라 ( 품질기준, 차량적합성, 환경시험, 주유소설비등 ) 의측면에서는아직도아무런준비가없으므로본격적보급여부는아직도해결해야할난제들이많을것으로판단된다.
29 6. 경제 환경 사회적장벽들과극복방안 가. 또다른환경, 사회문제의가능성들 공정경제성향상의걸림돌들... - 셀룰로오스자원들은나무, 풀 ( 갈대등 ), 농부산물 ( 농작물의줄기등 ), 폐기물 ( 폐목재, 종이등 ) 등으로값이싸거나무가의물질들이긴하지만광범위한지역에널리분포하여수집, 수송이어렵고농부산물등은일정한시기에만집중발생하여저장에문제가있다. 과도한사용은도리어환경재앙을가져올수도... - 또특정지역의셀룰로오스를과도하게벌채하여사용하면산림의파괴, 생물다양성의훼손, 표토층의유실, 사막화등을불러올수있다. - 한편농부산물을과도하게연료생산에사용하면과도한관개용수사용, 토양의빈영양화, 토지생산력의감소, 식량생산의감소로이어질수도있다. 사회적문제 : - 셀룰로오스는자원이풍부하긴하지만특정지역에대규모에탄올공장이생겨나면그지역민들에게땔감부족등의사태를가져올수있고땔감공급에따른고용, 소득등을낮출수있다. - 대규모산업이므로당연히주변지역민들과의소득불균형, 지역전통산업 ( 셀룰로오스자원을이용한 ) 의위축등을가져올수있다. 상기하는문제들은모두아직도일어나지는않은일이다. 그러나과도한개 발에는반드시수반될문제이므로바이오매스자원의지속적개발, 공급이 가능한범위에서셀룰로오스에탄올이개발되어야할것이다.
30 제 4 장결언 바이오에탄올의진화와향후전망 국내기술개발의현황 셀룰로오스에탄올상업화를위한기술개발 보급정책방향
31 결언 1. 바이오에탄올의진화와향후전망 가. 식량작물에서셀룰로오스로의변천과 Biorefinery( 바이오화학공장 ) 사탕수수, 옥수수, 밀등식량작물을활용한바이오에탄올생산증대는 2017~2020 년이후에는어렵다고평가된다. 단, 브라질의사탕수수재배는상당기간더늘어날수있다. 주요식량작물은아니며경제작물로볼수있는카사바 ( 동남아 ), 수수류 ( 동북아 ), 사탕무우 ( 유럽 ), 고구마, 돼지감자등서류 ( 전세계 ) 는잉여농산물로서바이오에탄올생산에투입될수있다. 중국은이미카사바, 수수류등을옥수수를대신하여에탄올생산증대에투입하고있다 31). 셀룰로오스에탄올은 2012 년미국의옥수수대, 바가스등에탄올작물의부산물로부터에탄올을생산하는상업화실증공장으로부터시작하여상업화되고 2017 년경에는미국, 캐나다등에서폐기물, 나무등을활용하는셀룰로오스에탄올공장을상용화할전망이다 32). 31) F. O. Lichts, World Ethanol & Biofuels Report July 23, 2007 32) Richard Bain, NREL(USA; 미국재생에너지연구소 ) Brochure
32 <Vision for bioethanol from lignocellulosic biomass> 셀룰로오스에탄올에서더나아가서생성된당을가지고에탄올뿐만아니라발효공학을이용한젖산, 숙신산등을생산하고이를원료로용제 (1.3- Butanediol 등 ), 플라스틱 (PLA: Poly lactic Acid) 등을생산하는 Biorefinery ( 바이오화학공장 ) 의개념도등장하였으며이것도셀룰로오스에탄올과더불어추진되고있다. - 바이오화학공장개념의연료 ( 에탄올 ), 화학품동시생산은전체공정의경제성을획기적으로향상시킬수있는가능성이있으며 ( 화학품판매이익의에탄올이전 ) 지속가능한화학공업의측면에서도매우중요하다. - 바이오화학공장개념의셀룰로오스에탄올생산공정은현재스웨덴, 독일, 덴마크등지에서수십톤규모의다양한공정이 Pilot Plant 규모로실증시험되고있으며현재의추세대로라면 2012~2017 년경에는각국내의원료로시범상업화공정이운영될수있을것으로전망된다 33). 33) 박순철 (2007), 29th Symposium on Biotechnology for Fuels and Chemicals, Denver. CO. 해외출장귀국보고서
33 2. 국내기술개발의현황 가. 먼저에탄올혼합사용이본격화되야 국내기술개발의현황과전망 - 2006 년 7월을기하여산업자원부고시에의거하여에탄올의자동차연료로의혼합사용 (E-3, 3%v/v) 이허용되었다. - 그러나에탄올함유휘발유의공급은아직도실현되지않고있으며그이유는현재유통과정에서의수분혼입이 E-3 의유수분리에미치는영향이실증연구차원에서검증되고있고 2008 년중결과가보고될예정이기때문이다. - 이연구에서유수분리문제가없음이입증될경우에탄올혼입휘발유의시판이허용될수있으며에탄올혼입연료사업도등록절차를거쳐서허가될수있을것이다. - 셀룰로오스에탄올보급은에탄올혼입연료사용이먼저본격화되어야할것이다. 나. 전분질계는해외자원개발셀룰로오스에탄올 / 부탄올생산은기초연구 해외자원개발과투자 34) : - 2005 년 2월창해에탄올사 : 파푸아뉴기니정부와협력하여 2만 ha 의카사바경작지를 40 년간임대하는동안바이오에탄올을생산, 국내바이오에탄올사업법및유통인프라가구축될때까지미국, 브라질등에수출계획 - 2006 년 6월 CSM 사 : 인도네시아람퐁주정부와협력 21만 2000ha의카사바경작지를 30 년간임대하여 2009 년바이오에탄올을생산할계획 - 2006 년 11월오디코프 (+ 코오롱그룹 ) 및이엔쓰리사 : 공동투자계약체결 34) 생명공학정책연구센터 (2006. 12) BT 기술동향분석보고서 바이오에너지 2006-3
34 후인도네시아에서상기와유사한사업을계획 - 2006 년 9 월 ICM 사 : 유에스에탄올 (US Ethanol LLC) 에미화 1 천만달 러를투자하여바이오에탄올사업에진출 국내에탄올생산보급연구및셀룰로오스에탄올생산연구 35) : - 2006 년-현재서울시립대와한국생명공학연구원공동연구 : 고구마를이용한바이오에탄올생산연구 - 2006 년-2008 년한국석유품질관리원 : 바이오에탄올혼합연료유도입을위한실증평가연구 추진 - 2006 년-2008 년한국석유품질관리원 : 바이오에탄올혼합연료유도입을위한실증평가연구 추진 - 2001 년-2004 년한국에너지기술연구원 : 목질계바이오매스의고효율당화공정개발을위한핵심요소기술연구 - 2003 년-2006 년한국에너지기술연구원 : 국내바이오매스자원으로부터바이오에너지생산을위한기반기술개발 ( 셀룰로스의암모니아전처리기술 ) 차세대셀룰로오스부탄올생산연구 36) : - 2007 년 8월 A사, B사, C연구원, D연구원 : 바이오매스자원을활용한부탄올생산공정및원천기술개발연구가개시되고있다. - 상기한연구는산업자원부주관으로 2007 년-2012 년까지추진예정이며총 100 억여원이투자될예정이고셀룰로오스의전처리당화, 부탄올발효균주개발및발효공정개발로구분되고있다. 다. 셀룰로오스에탄올생산기술은국내에탄올생산자급의 희망 국내셀룰로오스폐자원의활용 35) 필자주 36) 필자주
35 - 국내의셀룰로오스에탄올생산가능성은우선산림부산물이난방용으로활용됨이합리적이라보고폐목재및폐지를이용한셀룰로오스에탄올생산이우선되어야한다고분석되었다 37). - 재활용량을제외한폐목재및폐지 (314 만톤 / 년 ) 를전량에탄올로전환할경우국내에서만약 104 만kl의셀룰로오스에탄올생산공급이가능하다는분석이다. 37) 배정환 (2006) 바이오연료의보급전망과사회적비용 편익분석에너지경제연구원수시연구보고서 06-04
36 3. 셀룰로오스에탄올상업화를위한기술개발 보급정책방향 가. 바이오에탄올의보급기반및지원체제구축이우선 셀룰로스에탄올생산기술개발은전세계적으로도상용화되지않는기술이므로우선에탄올이국내에서자동차연료로사용되고시장기반이마련되는상황에서만본격적개발이가능할것이다. - 바이오에탄올사업, 유통관계법규및인프라구축 - 바이오에탄올에관한지원정책구체화 ( 설비보조금, 면세등 ) - 국내외원료자원개발및바이오에탄올생산지원대책강구 - 공공기관사용의무화등초기시장창출 확보조치 - 정유사바이오연료보급확대권장혹은최소혼합비율고시등보급유인책검토 나. 원천요소기술과융복합공정기술개발의촉진 앞서도살펴보았듯이셀룰로오스에탄올생산의애로기술은최첨단 BT 기술과대량생산발효공정기술의융복합기술이며우리나라의 BT 및 Plant Engineering 기술수준과진취적기업정신그리고비교적풍부한국내자원량을감안할때성장발전의가능성이매우높다. - 셀룰라제효소생산균주, 혼합당발효균주, 부탄올발효균주등의 BT 원천기술개발이필요하다. - 전처리공정, 탈수정제공정, 그리고전체플랜트시스템최적화등에서 Plant Engineering 개발산업화도유망하다. 다. 국내자원개발과기술수출및해외자원개발산업으로의발전 우리나라에바이오에탄올이보급될경우먼저잉여양곡, 농산물 ( 절간고구 마등 ), 유휴농지활용작물등에서주정공장등을활용하여일부국내생산
37 이가능하겠으나대량보급시에는앞서지적한바 38) 와같이폐목재와폐 지, 궁극적으로는속성수재배목등을활용한셀룰로오스에탄올기술개발 생산이불가피할것이다. 원천기술이개발되고공정기술이완성되면해외자원개발과 Plant 수출가 능성이매우높다. 특히원천기술은보유하기만하면기술수출등으로부가 가치가매우높은기술이될수있다. 38) 배정환 (2006) 바이오연료의보급전망과사회적비용 편익분석에너지경제연구원수시연구보고서 06-04
38 참고문헌 [1] F. O. Lichts, World Ethanol & Biofuels Report May 8, 2007 [2] F. O. Lichts, World Ethanol & Biofuels Report September 7, 2006 [3] UN-Energy, Sustainable Energy : A Framework for Decision Makers 2007. 5. 21 (bbc. News) [4] F. O. Lichts, World Ethanol & Biofuels Report Jan. 29/ May 8, 2007 [5] Y. Y. Lee (2006) Private Communication (LG Caltex Seminar) [6] 원진홍등 (2004) 生物質能利用原理與技術 p273 (Kadam et al 2000년보고서인용 ) [7] Arkenol Process Broichure (2006) [8]Fuji-Keijai USA Inc. (2006/9) US Bioethanol & Cellulosic Ethanol Market & Future Drections [9] Kim, Youngyun, L.O. Ingram, and K.T. Shanmugam. 2006. Fermentation of glucose and xylose to ethannol by a non-recombinant ethanologenic Escherichia coli. Appl. Environ. Microbiol. (In Press). [10] 박순철외 (2004) 목질계바이오매스의고효율당화공정개발을위한핵심요소기술개발연구 [11] F. O. Lichts, World Ethanol & Biofuels Report July 23, 2007 [12] Richard Bain, NREL(USA; 미국재생에너지연구소 ) Brochure [13] 생명공학정책연구센터 (2006. 12) BT 기술동향분석보고서 바이오에너지 2006-3 [14] 배정환 (2006) 바이오연료의보급전망과사회적비용 편익분석에너지경제연구원수시연구보고서 06-04
저자소개 박순철 공학박사 현한국에너지기술연구소책임연구원 홍성화 현한국과학기술정보연구원동향정보분석팀책임연구원