바이오 에너지의 새로운 패러다임, 바이오 부탄올

바이오 에너지의 새로운 패러다임, 바이오 부탄올

재생 가능한 휘발유, 바이오 부탄올

 

 원유는 휘발유나 경유 등 연료뿐만 아니라 각종 플라스틱, 합성섬유와 같은 화학제품의 원료로 사용되고 있다. 하지만 화석연료 고갈과 지구온난화 문제에 관심이 커지는 만큼 원유 대신 식물, 조류 등의 바이오매스^[각주:1]를 이용해 화석연료를 대체할 에너지원을 개발하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그중에서도 미래의 친환경 휘발유라 불리는 바이오 부탄올은 현재 가장 상용화에 가까운 차세대 바이오 연료로 손꼽히고 있다.

 바이오 부탄올은 폐목재나 톱밥과 같은 비식용 바이오매스를 이용한 미생물 발효를 통해 생산하는 바이오 원료이다. 1916년 이스라엘의 과학자 하임 바이츠만이 ABE 발효^[각주:2]를 이용해 개발한 공정에서 추출되어 사용되다가 상대적으로 수익률이 높은 석유에 밀려 점점 잊혀졌다.

 하지만 최근 미생물의 성질을 인위적으로 조절하는 ‘미생물 대사공학’ 기술의 개발을 통해 생산량을 늘리는 데 성공하면서 다시 주목받기 시작했다.

 

바이오 부탄올 산업의 침체와 재기

 

 바이츠만이 개발한 전통적인 방식의 바이오 부탄올 생산은 낮은 생산율과 비식용 바이오매스를 이용하지 못했다는 문제점이 있었다. 개발 당시에는 부탄올 보다 에탄올이 주요 생산물이었는데, 에탄올 전환 효율이 40%로 원료 대비 추출량이 떨어졌다. 게다가 옥수수, 전분과 같은 식용 바이오매스를 사용하다 보니 원료가격 상승, 식량문제 등에 직면할 수밖에 없었다.

 그러면서 식용 바이오매스에서 원료가격, 식량문제 없는 비식용 바이오매스로 관심이 쏠리기 시작했다. 하지만 실용화에 있어 큰 걸림돌이 있었다. 목재 등의 비식용 바이오매스는 포도당뿐만 아니라 목당 등이 약 30% 이상 존재하는데, 여러 종류의 당이 동시에 존재할 경우 생산자 역할을 하는 미생물인 균주^[각주:3]는 당이 한 가지만 있을 때보다 당의 이용 효율이 떨어지게 된다. 이러한 현상 때문에 생산성이 저하되었기 때문에 비식용 바이오매스는 오랫동안 사용되지 못했다. 그러던 중 미생물의 유전자를 조작하는 대사공학 기술이 발달하면서 바이오 부탄올 연구는 도약할 발판을 얻게 되었다.

 대사공학 기술로 균주의 개선이 가능해지면서 연구자들은 유전자를 조작한 새로운 균주를 만들어 내기 시작했고, 생산과정에서의 방해효과를 약화하고 균주 자체의 생산성을 증가시키는 데 성공하며 경제성을 확보할 수 있었다. 발효 공정기술 역시 개선되어 다시금 바이오 부탄올의 상업화를 추진하는 움직임 또한 증가하게 되었다.

[그림1. 바이오 부탄올의 간략한 생산 공정도]

출처: 한국경제

 상업화의 추진

바이오 부탄올의 생산 방식은 사용하는 균주에 따라 나눌 수 있다. 클로스트리듐 계열의 세균을 이용해 노말 부탄올을 생산하는 방식과 비 클로스트리듐 계열의 세균을 이용해 아이소 부탄올을 생산하는 방식으로 나뉜다. 

[그림2. 부탄올 생산에 이용되는 세균, 클로스트리듐]

출처: avianbiotech

대표적인 노말 부탄올의 상업화를 추진하는 기업으로는 Green Biologics사, Eastman chemical company사, GS칼텍스 등이 있다. 이어서, 아이소부탄올의 상업화를 추진하고 있는 기업으로는 Butamax사와 Gevo사가 대표적이다. 이 회사들은 각각 차별화된 균주와 부탄올 생산 공정을 개발해냈고, 이를 기반으로 상업화를 추진 중이다. 더하여, 기존의 바이오 에탄올 공장을 바이오 부탄올 공장으로 개조해 인프라 구축을 하거나 다른 회사와 합작사업을 진행하는 등의 노력을 보이고 있다. 보다 빠르게 상업화 연구에 성공할 수록 더 큰 이익을 취할 수 있기에, 상업화를 추진하는 기업간의 경쟁도 심화될 것이다.

[표1. 바이오 부탄올 상업화 기업들]

출처: 이상현 엄문호 저 바이오 부탄올 생산기술 개발동향 및 전망 

한국의 GS칼텍스 같은 경우 KAIST와 공동연구를 통해 부탄올의 생산 효율을 3배 이상 높인 새로운 균주 개발에 성공하였다. 또한, 독자적인 발효공정과 분리 정제 공정 기술개발로 이 공정에서 사용되는 에너지량을 70% 감소시키면서 세계에서 손꼽을 만한 기술 경쟁력을 가지게 되었다. 현재 GS칼텍스는 기술개발연구과 함께, 여수에 바이오부탄올 시범공장을 건설하는 등 상업화에 힘쓰고 있다.

[그림3. GS칼텍스의 바이오 부탄올 생산공정도]

출처: GS칼텍스 

앞으로의 바이오 부탄올

[그림 4, 5. 기존의 주된 바이오원료인 옥수수와 차세대 바이오 원료 목질계 바이오매스]

 출처: 네이버 음식백과, 한국목재재활용협회

바이오 부탄올은 1세대 바이오매스로 불리는 바이오 에탄올에 비해 높은 이산화탄소 절감률과 생산효율을 기대할 수 있고, 기존 가솔린 차량을 개조할 필요 없이 휘발유와 고농도로 혼합하여 사용할 수 있어 상용화가 빠르게 진행될 수 있다. 또한, 페인트, 잉크 등의 원료와 같은 유용한 화학물질도 만들 수 있다.

무엇보다도, 옥수수나 사탕수수와 같은 식용 바이오매스 대신 비식용 바이오매스를 원료로 사용한다는 점이 가장 큰 장점이다. 이전보다 원료비를 크게 절감할 수 있고, 바이오 에탄올 생산 과정에서 이루어졌던 환경파괴와 식량문제, 애그플레이션 문제를 해결할 수 있을 것이다. 바이오 부탄올의 성공적인 상용화로 ‘가난한 사람들의 식량을 빼앗아 부자들의 자동차를 굴리는 에너지’라는 오명을 벗을 날을 기대해본다.

참고자료

⊙ U.S Department of energy 홈페이지

http://www.afdc.energy.gov/fuels/emergin

g_biobutanol.html

⊙ European Biofuels 홈페이지

http://www.biofuelstp.eu/butanol.html

⊙ Insight of GS caltex

http://www.insightofgscaltex.com/?p=85843

⊙ Biobutanol: Development Status and Prospects Sang-Hyun Lee and Moon-Ho Eom - GS Caltex R&D Center, Daejeon 305-380, Korea

⊙ Green Biologics 홈페이지

http://www.greenbiologics.com/

⊙ 위키백과 ABE발효

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%95%84%EC%84%B8%ED%86%A4-%EB%B7%B0%ED%83%84%EC%98%AC-%EC%97%90%ED%83%84%EC%98%AC_%EB%B0%9C%ED%9A%A8

 

 

1. 에너지원으로 쓰이는 생물체, 생물자원. 예) 땔감 [본문으로]
2. 탄수화물에서 에탄올 부탄올 아세톤을 생산하는 발효법 [본문으로]
3. 유전자 구성이 같은 세포 집단을 말한다. [본문으로]