석유의 종말? ‘바이오 리파이너리’의 등장!

석유의 종말? 바이오 리파이너리의 등장!

대학생신재생에너지기자단 22기 유현서

[온실가스 감축을 위한 노력]

전 세계적으로 온실가스를 감축하기 위한 노력들이 실행되고 있다. 우리나라 정부도 ‘제2차 기후변화 대응 기본계획’을 통해 2030년까지 온실가스 배출량을 2017년 대비 24%를 줄일 것이라고 선포했다. 그러나 아직까지 화석연료가 보편적인 에너지원으로 사용되고 있고, 쉽게 에너지원을 변경하기는 쉽지 않아 보인다. 화석연료를 이용한 삶이 풍요롭고 편리하지만, 그로 인한 피해는 우리가 받기에 하루빨리 대체재를 찾아야 한다. 이러한 이유로 온실가스 배출을 줄이기 위한 친환경 에너지원이 개발되고 있는데, 그중 오늘은 ‘바이오 리파이너리(Bio-Refinery)’ 기술을 소개하려고 한다.

 

[바이오 리파이너리의 등장!]

바이오 리파이너리란 식물자원인 바이오매스를 원료로 하여 화학제품과 바이오연료 등을 생산해 내는 기술이다. 즉, 신재생에너지로 에너지를 대체하는 것이 아닌 화학제품을 바이오매스로 생산하는 과정으로, 석유의 역할을 바이오매스가 하는 것이다.

[자료1. 바이오 리파이너리 개념 모식도]

출처: KOSEN

근데 왜 바이오를 선택했을까? 식물들의 먹이는 공기 중의 이산화탄소이기 때문에 이산화탄소 배출이 제로이다. 또한 태양, 수력 등은 에너지를 생산하는 과정일 뿐 원료가 될 수 없지만, 바이오는 무제한 수확 및 고갈 우려가 없기에 유일하게 화학 '원료'로 쓸 수 있는 것이다. 이와 같이 바이오 리파이너리 기술은 식물자원을 원료로 사용하기에, 원유 의존도를 낮추고 환경오염 물질 배출을 감축시키는 데 효과적이어서 친환경 기술로 눈독을 들이고 있다.

바이오 리파이너리에 투입되는 연료는 ‘바이오매스(Bio Mass)’이다. 바이오매스란 광합성에 의해 빛에너지가 화학에너지로 축적된 생물자원이다. 바이오매스의 원료에 따라 바이오 리파이너리는 4세대로 나뉜다. 내용은 다음(자료 2)과 같다.

[자료2. 바이오 리파이너리의 진화 단계]

출처: 융합연구정책센터

 

[바이오 리파이너리의 공정 과정]

이 기술은 바이오매스를 광범위하게 활용해 제품을 다양하게 얻는 것으로서 지속가능성을 매긴다. 연료의 다양성으로 인해 다양한 공정을 조합할 수도 있다.

1) 열화학 공정

열분해, 가스화와 같은 열화학 전환 공정을 진행하고, 바이오 또는 에너지 화합물을 중간 물질로 얻는다. 이 방법으로 액체 바이오연료, 전기와 열을 생산해 낼 수 있다. 이는 연소 기반 공정보다 에너지 전환 효율이 높다는 장점이 있다.

2) 바이오화학 공정

당의 발효에 의한 에탄올을 생산하는 과정이다. 먼저 해중합 기술로 셀룰로오스를 글루코오스 단량체로 만들고, 그 후 통상 발효로 알코올을 만든다. 그러나 이 과정에서 셀룰로오소를 단당으로 효소 가수분해하는 것은 변수가 많기에 쉽지 않다. 이런 발효 비효율성은 미생물 촉매를 개발함으로써 극복해 나가고 있다.

이 외에도 바이오리파이너리 공정에는 다양한 화학 및 물리적 공정이 사용된다. 따라서 한 가지로 정의할 수는 없지만, 그만큼 무궁무진한 발전이 기대되는 기술이다.

 

[바이오 리파이너리 실제 적용 사례]

1) 이산화탄소와 미생물을 이용한 전기화학-바이오 하이브리드 기술

2023년 3월, 카이스트(KAIST)는 전기화학적 이산화탄소 전환과 바이오 전환을 연계한 하이브리드 시스템을 개발했다. 이는 이산화탄소로부터 바이오 플라스틱을 높은 효율로 개발할 수 있다.

[자료3. 카이스트에서 개발한 전기화학-바이오 하이브리드 모식도]

출처: Kaist

기존 하이브리드 기술은 전기화학 반응의 낮은 효율과 미생물 배양의 차이 등의 문제가 있어 생산성이 낮다는 단점이 있었다. 이 기술은 기존의 단점을 해결하면서 효율적인 작동이 가능하다. 먼저, 기체 상태의 이산화탄소를 이용한 기체 확산 전극(gas diffusion electrode)으로 포름산을 만든다. 그 후 전기화학 반응이 잘 일어나도록 하는 ‘생리적 호환 가능한 양극 전해액(physiologically compatible catholyte)’을 이용하는데, 이는 미생물 생장 저해와 정제 과정 없이 바로 미생물에게 포름산을 공급한다. 이는 포름산을 포함한 전해액이 발효조로 들어가 미생물 배양에 사용되고, 다시 남은 전해액은 전해조로 들어가 순환되도록 해 포름산을 최대로 활용한다. 또한 필터를 설치해 전극 반응에만 영향을 줄 수 있는 미생물을 걸러지도록 해서 미생물은 발효조 안에만 존재하도록 했다.

이 기술로 이산화탄소로부터 세포 건조 중량의 83%에 달하는 바이오플라스틱을 생산해냈고, 기존 연구 대비 20배 이상의 생산성을 달성했다. 이번 연구 결과는 바이오 플라스틱뿐만 아니라 다양한 화학물질 생산에 응용될 수 있는 기술로서, 이산화탄소 감축을 토대로 탄소 중립의 발전에 많은 활용이 기대되는 기술이다.

2) 바이오매스로 생산하는 의약품

KAIST 생명화학공학 연구팀은 ‘역 생합성 시뮬레이션’을 이용해 아미노화합물의 대사 경로를 예측하고, 그중 가장 유망한 대사 회로를 선정했다. 이 대사회로를 통해 짧은 탄소 길이를 가진 아미노화합물을 만들 수 있는 대장균 균주를 만들었고, 포도당을 탄소원으로 이용해 아미노화합물을 생산할 수 있는 결과를 확인했다. 지금까지 바이오 리파이너리 기술을 이용해 화학물질을 생산하는 사례는 많지만, 아직 의약품의 재료 물질인 짧은 탄소 길이를 가진 아미노화합물을 만들지 못했다. 그러나 이 연구를 통해 바이오 의약품 재료를 생산해 낼 수 있었다.

 

[앞으로의 전망]

[자료4. 바이오 리파이너리 에너지 전환 개요]

출처: 네이버 블로그

바이오연료의 중요성은 예전부터 강조되었지만, 바이오 리파이너리의 개념을 논의하게 된 것은 오래되지 않았다. 미국은 바이오매스 관련해서 R&D에 막대한 예산을 투입하고 있다. 예를 들어, 화학품의 경우 연도별로 일정률의 재생 가능 식물 유도품을 생산하고, 상업적 시범산업 계통을 확립하고자 하는 목표를 세웠다. 캐나다와 유럽에서도 유럽 생물산업연합을 구성해 FBR 개발을 추진하고 있다. 그러나 아시아 국가들은 아직까지 1세대 바이오연료에 머물고 있고, 정책이 광범위하다는 단점이 있다.

바이오리파이너리 기술은 석탄이 아닌 바이오연료를 이용하는 것이기에 환경적으로 매력이 있는 기술이다. 또한 다양한 원료를 사용하고 조합할 수 있어서 지역적 및 경제적 제한이 없다는 것도 장점이다. 선진국에서 진행되고 있는 바이오 기술을 한국에도 정착화해, 친환경 기술을 개발해야 하는 시점이다.

 

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바이오 리파이너에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1) “온실가스를 바이오 연료로, 미생물 전기합성 공정의 첫걸음!”, 대학생신재생에너지기자단 17기 서유경, https://renewableenergyfollowers.org/3007

온실가스를 바이오 연료로, 미생물 전기합성 공정의 첫걸음!

2) “바이오 연료 - 식량 안보 VS 에너지 안보”, 대학생신재생에너지기자단 20기 조현선, 21기 곽서영, 

https://renewableenergyfollowers.org/3679

바이오 연료 - 식량 안보 VS 에너지 안보

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참고문헌

1) 굿모닝 KEPCO, “e-바이오 리파이너리, 온실가스의 주범인 이산화탄소를 고부가물질로!”, 네이버 블로그, 2022.02.15, https://blog.naver.com/goodmorningkepco/222646761695

2) 김우현, “바이오매스로 의약품 재료 생산하는 '미생물 공장'”, 동아사이언스, 2021.01.11, https://www.dongascience.com/news.php?idx=43080

3) 송효준, “바이오 리파이너리(Bio-refinery)”, LG 경영연구원, https://www.lgbr.co.kr/uploadFiles/ko/pdf/etc/review_845_20050816091837.pdf

4) 이관용, “지속가능 관점에서 본 바이오리파이너리의 원료, 제품 및 공정”, 한국과학기술정보연구원

5) 이재웅, “석유화학시대 넘어 바이오화학시대로”, 동아사이언스, 2014.01.17, https://www.dongascience.com/news.php?idx=3505

6) 이현숙, “바이오리파이너리 기술 현황”, 융합연구정책센터, 2018.03.12, https://crpc.kist.re.kr/common/attachfile/attachfileNumPdf.do?boardNo=00006363&boardInfoNo=0020&rowNo=1

7) 전자신문, “[사이언스 포커스]바이오리파이너리”, 전자신문, 2011.08.19, https://www.etnews.com/201108180044

8) 한국수력원자력, “플라스틱이 에너지가 된다? 바이오 리파이너리(Bio-refinery)”, 네이버 블로그, 2023.08.24, https://blog.naver.com/i_love_khnp/223192439347

9) 카이스트 홍보실, “이산화탄소에서 바이오 플라스틱 20배 이상 뽑아낸다”, KAIST, 2023.03.30, https://news.kaist.ac.kr/news/html/news/?mode=V&mng_no=27930

10) 황영규, “지속성장을 위한 바이오리파이너리 기술”, KOSEN WEBZINE, 2009.07, https://kosen.kr/webzine/87/23?cornerSeq=1078