서론
화석연료의 과도한 소비에 따른 지구온난화 및 계 속되고 있는 고유가에 따라 세계 각국은 석유를 대체 할 수 있는 새로운 에너지 개발에 앞장서고 있다. 그 러한 대체에너지 개발의 일환으로 식물성 바이오매스 (biomass) 자원으로부터 에탄올(ethanol)을 생산하 기 위한 기술이 다시 주목받고 있다. 이러한 식물성 바이오매스는 태양이 존재하는 한 지구상에서 무한정 생산이 가능한 지속가능한 자원으로서 그 핵심에는 리그노셀룰로스(lignocellulose)가 있으며 이는 포도당 으로 전환이 가능한 셀룰로스(cellulose)를 포함하고 있기 때문이다. 셀룰로스는 지구상에서 가장 풍부한 자원으로서 포도당으로 가수분해될 경우 많은 미생물 에 의해 발효 및 생물공학적 전환이 가능한 기질이기 때문에 대체에너지원으로서 주목받고 있다.
식물성 바이오매스 리그노셀룰로스
식물성 바이오매스란 태양광과 이산화탄소의 자화 를 포함하는 광합성 과정을 통하여 생합성되는 식물 체를 일컫는 것으로 [그림 1]과 같이 셀룰로스, 헤미
셀룰로스(hemicellulose), 리그닌(lignin)으로 구성된 복합체인 리그노셀룰로스가 그 주성분이 된다. 리그 노셀룰로스에서 가장 중요한 성분인 셀룰로스는 포도 당이β-1,4 결합으로 주로 연결된 다당류로서 포도당 이α-1,4 결합으로 연결되어 안정화된 나선형 구조의 녹말 아밀로스(amylose)와는 달리 나선형 구조가 아 닌 직선 구조가 안정된 형태를 이루기 때문에 똑같이 포도당으로 구성된 녹말보다는 자연적으로 훨씬 물리 적, 화학적으로 튼튼한 구조를 이루고 있다[그림 2].
셀룰로스와 함께 리그노셀룰로스를 구성하는 또다 른 주요 다당류인 헤미셀룰로스는 셀룰로스보다 당의 중합도(degree of polymerization)가 낮은 다당체로 서 주로 5탄당인 자일로스의 중합체로 구성되고 그외 에도 5탄당인 아리비노스와 6탄당인 만노스, 갈라토 스, 포도당 등의 중합체로 구성되어 있다. 셀룰로스에 비해서 중합도가 낮고 구조의 규칙성이 낮아서 물리 화학적 처리에 의해 분해가 비교적 쉽게 이루어지는 특징이 있다. 현재 껌에 상되거나 다이어트 및 충치예 방 기능성 당류로 각광을 받고 있는 자일리톨은 대부 분 자작나무(birch)의 헤미셀룰로스를 가수분해해서 김 경 헌
고려대학교 생명과학대학 식품공학부, [email protected]
그림 1. 리그노셀룰로스의 구성 성분. 그림 2. 셀룰로스, 녹말 및 글리코겐의 구조.
얻은 자일로스를 수소첨가 촉매반응를 통해 환원시켜 얻는다.
리그닌(lignin)은 메톡실화(methoxylatio)된 쿠마 릴 알코올(p-coumaryl alcoho), 코니퍼릴 알코올 (coniferyl alcohol), 시나필 알코올(sinapyl alcohol) 등이 중합되어 있어 다량의 방향족 화합물을 포함하 고 있어 소수성을 띠고 있는 거대한 분자량의 복잡한 구조를 지닌 중합체이다[그림 3]. 리그닌은 식물체가 외부로부터의 다양한 종류의 생화학적 공격 및 접근 즉, 곰팡이와 같은 미생물 및 곤충 등으로부터 보호하 기 위한 목적으로 생성되는 것으로 추측되고 있다. 이 러한 리그닌은 자연적으로나 화학적으로 강한 내구성 을 가지고 있어 자연계에 존재하는 천연 화합물 중의 가장 분해가 어려운 물질로 간주되고 있다. 리그닌은
헤미세룰로스와 공유결합을 통해 결합되고 헤미셀룰 로스는 셀룰로스와 수소결합을 통해 연결되어 있어 전체적으로 보면 [그림 4]와 같이 직선의 곧은 형태 로 이루어진 셀룰로스 마이크로파이브릴(microfibril) 그림 3. 리그닌 구조의 한 예.
Cellulosebundter
Hemicellulose Lignin Cellulose
그림 4. 리그노셀룰로스 구조의 모식도.
을 가운데 두고 헤미셀룰로스가 수소결합을 통해 감 싸는 모습으로 붙어 있고 이러한 헤미셀룰로스를 리 그닌이 다시 공유결합을 통한 연결로 둘러싼 형태를 보인다. 결국 식물의 주요한 탄수화물인 셀룰로스를 보호하기 위한 모습을 띠고 있다.
바이오매스 전처리
리그노셀룰로스를 원료로 해서 에탄올이나 여러 가 지 화합물을 생산하기 위해서는 리그노셀룰로스를 구 성하고 탄수화물을 에탄올 발효가 가능한 발효성 당 으로 전환하여야 한다. 이러한 발효성 당에서부터 에 탄올, 부탄올 등의 액체 연료 및 젖산 중합체 (polylactic acid) 등의 바이오폴리머의 모노머인 유기 산과 여러가지 아미노산의 생산이 가능하여 당 플랫 폼(sugar plafrom)이란 개념이 미국 에너지부에 의해 처음 창시되었다. 따라서 당 플랫폼으로 가기 위한 중 요한 과정이 바로 리그노셀룰로스의 전처리 (pretreatment) 공정이라 할 수 있다.
리그노셀룰로스에서 핵심 기질인 셀룰로스를 포도 당으로 전환하기 위해서는 셀룰로스에서 포도당 단위 2개당 1개의 물분자가 첨가되는 가수분해가 이루어져 야 한다. 이러한 가수분해는 나무를 분해하는 곰팡이 나 세균으로부터 유래한 셀룰라제(cellulase)에 의해 이루어지는 효소적 당화나 산, 알칼리 등의 촉매에 의 해 이루어지는 화학적 당화가 있다. 화학적 당화는 화 학반응이 효소반응에 비해 속도가 매우 느려 고온에 서 이루어져야 하고 특이성이 없기 때문에 여러가지 부산물과 함께 고온에서의 분해산물의 생성이 많아 셀룰라제를 이용하는 효소적 가수분해가 바람직하다.
일반적으로 효소에 의한 셀룰로스의 가수분해는 셀룰 로스 자체의 내구성과 리그노셀룰로스의 난분해성 때 문에 반드시 전처리가 선행되어야 한다. 적절한 전처 리과정 없이는 리그노셀룰로스 중의 셀룰로스로부터 이론적 당화수율의 20% 정도만을 효소적 가수분해로 얻을 수 있다. 전처리 과정에서 리그노셀룰로스는 리 그닌과 헤미셀룰로스가 부분적으로 제거되거나 셀룰
로스와의 결합이 느슨한 형태로 바뀌고 셀룰로스 또 한 부분적으로 분해되어 셀룰라제가 좀더 쉽게 셀룰 로스에 접근할 수 있는 구조를 가지게 된다[그림 5].
따라서 여러가지 다양한 전처리를 거친 리그노셀룰로 스를 셀룰라제와 베타-글루코시다제(β-glucosidase) 로 처리하게 되면 이론적 수율의 90% 이상까지 포도 당으로 전환할 수 있다.
물리화학적 전처리
바이오매스 전처리 방법은 크게 물리적, 화학적, 생 물학적 방법으로 크게 나눌 수 있다. 물리적 방법으로 대표적인 방법은 밀링(milling)이나 증기 폭쇄법 (steam explosion) 방법을 들 수 있다. 밀링은 리그노 셀룰로스 입자를 밀링머쉰을 이용하여 아주 가는 입 자로 파쇄하면서 구조적 변화를 유도하는 방법으로 과거에 연구되었으며 현재는 그 실효성이 낮아 쓰이 지 않는 방법이다. 증기 폭쇄법은 고온의 증기가 들은 고압용기에서 리그노셀룰로스를 일정시간 동안 찐 후 순식간에 용기의 밸브를 열어 팝콘과 같이 순간적으 로 리그노셀룰로스의 구조가 열리도록 유도하여 효소 가 쉽게 접근할 수 있는 형태의 기질이 되도록 한다.
상기의 물리적 전처리 방법을 좀더 효과적으로 하 기 위해 화학적 방법을 조합한 물리화학적 방법이 많 이 연구되어 왔다. 대표적인 것으로 약산 가수분해법 (dilute-acid hydrolysis)으로 2%(w/w) 이하의 황산 (sulfuric acid) 용액에 리그노셀룰로스를 침지한 후 증기 폭쇄법과 같이 160~200℃의 고온의 증기로 60
Cellulose Lignin
Hemicellulose Pretreatment
Crystalline Region Amorphous
Region
그림 5. 전처리에 따른 리그노셀룰로스 구조의 변화.
초~10분 동안 찌게 되면 산에 의한 촉매반응을 통해 90% 이상의 헤미셀룰로스가 단당류 및 올리고당 형 태로 가수분해되고 일부는 퍼퍼럴(furfural)로 분해되 게 된다. 옥수수와 같은 바이오매스의 경우에는 다른 바이오매스에 비해 자일로스의 중합체인 자일란 (xylan)의 헤미셀룰로스 중 함량이 특히 높아서 많은 양의 자일로스 및 자일로스 올리고당이 약산 전처리 공정을 통해 얻어진다[그림 6]. 또한, 이때 10% 정도 의 셀룰로스도 포도당이나 포도당의 올리고 형태로 가수분해되거나 하이드록시 퍼퍼럴(HMF)로 분해되 고 리그닌도 일부는 용해되어 나온다. 이러한 과정을 거치게 되면 리그노셀룰로스는 셀룰로스가 효소에 쉽 게 분해될 수 있는 구조로 변하게 되어 효소 당화율
(enzyme digestibility)이 이론적 수 율의 90% 이상으로 증가된다.
[그림 7]은 연속식 약산 가수분해 반응 공정의 모식도로서 바이오매스 원료와 약산에서 보용액이 동시에 연 속적으로 공급되어 섞이게 되고 전처 리반응기에서 고온의 증기와 혼합되어 가수분해 반응 이 본격적으로 일어나게 된다. 미리 약산에 장시간 동 안 침지된 바이오매스를 전처리 하는 경우는 그 효율 이 더 높으며 가수분해 반응시간이 2분 이내로 짧게 하여도 헤미셀룰로스의 당화율을 90% 이상 얻을 수 있다.
산을 쓰는 대신에 알칼리를 쓰는 바이오매스 전처 리 방법의 대표적인 것으로는 미시간주립대학교 (Michigan State University)의 Bruce Dale 등이 개 발한 AFEX(ammonia fiber explosion)라는 방법이 있다[그림 8]. 이 방법은 암모니아를 바이오매스와 1:1~1:3 정도의 비율로 혼합 후 고온(70~180℃)에 서 5~30분 동안 처리하고 순식간에 상압으로 압력을 Fast-reacting xylan
Slow-reacting xylan
Xylose oligomers Xylose Decomposition k1
k2
k3 k4
그림 6. 약산 가수분해에 의한 자일란의 분해과정 모식도.
Feed hopper
Weigh Belt
Conveyor Belt
Condenser
Condenser
Discharge Valves
Flash Tank
Pretreatment Reactor Expressed Liquor
Plug Feeder
Cross Feeder Pump
Pug Mill Mixer
Acid Mix Tank
Water Sulfuric Acid Corn Stover
Steam Vent Streams
Pretreated Corn Stover Slurry
그림 7. 옥수수 폐기물의 약산 전처리 공정 모식도.
떨어뜨려 기체 상태의 암모니아를 회수하고 바이오매 스의 구조를 물리적, 화학적 변화를 유도하여 효소에 의한 당화율을 향상시키는 것으로서 약산 가수분해법 과는 달리 헤미셀룰로스는 거의 가수분해되지 않고 주로 리그닌을 용해시켜 내어 리그닌을 셀룰로스와 헤미셀룰로스와 분리할 수 있게 되어 셀룰로스와 헤 미세룰로스를 후속 효소당화공정에서 당화시켜 포도 당과 자일로스 등의 5탄당을 같이 얻을 수 있다. 만약 6탄당과 5탄당의 공동발효(cofermentation)가 가능 한 균주가 있다면 유리한 공정이라 할 수 있다.
결론적으로 보면, 산가수분해 전처리법은 주로 헤 미셀룰로스를 가수분해하여 리그노셀룰로스상에서의 셀룰로스와 헤미셀룰로스 및 리그닌과의 결합을 와해 시켜 효소적 당화를 촉진시키는 것으로 전처리 과정 에서 가수분해 및 당화액에 용해된 자일로스 등의 헤 미셀룰로스 가수분해물을 얻게 되어 분리되고, 전처 리 공정에서 여전히 분해되지 않고 있는 불용성 셀룰 로스와 리그닌은 함께 효소적 당화공정을 거쳐 포도 당 및 리그닌 잔사물로 전환되므로 후속의 발효공정 까지 리그닌이 함께 옮겨가게 된다. 알칼리 전처리법 은 리그닌을 대부분 수용성 형태로 얻기 때문에 헤미 셀룰로스와 셀룰로스가 따로 온전한 형태로 존재하기 때문에 셀룰라제 및 베타-글루코시다제와 자일라나제 (xylanase)를 이용한 당화공정을 거쳐 포도당과 자일 로스로 전환된다. 따라서 최종 발효공정으로까지는 리그닌이 함께 이행되지 않는다.
생물학적 전처리
생물학적 전처리 방법은 아직 실용화 되지 않고 연구실 규모에서 연구가 시 작된 정도로 아직 갈 길이 먼 상태이다.
전술한 물리적, 화학적 방법과 달리 나 무와 같은 리그노셀룰로스를 부패하게 만드는 곰팡이를 주로 이용하여 온화한 조건에서 전처리하는 것을 일컫는다.
나무에 기생하는 곰팡이들은 셀룰로스 및 헤미셀룰로스는 물론 난분해성인 리 그닌을 분해할 수 있는 능력도 갖추고 있기 때문에 이 러한 미생물들을 적절히 이용하면 효소가 쉽게 접근 할 수 있는 상태로 리그노셀룰로스를 만들 수 있을 것 이다. 이를 위해서는 이들 미생물에 대한 분자생물학, 생리학, 단백질공학적 접근을 통한 유전자 조작 미생 물 및 단백질을 포함하는 새로운 생물촉매의 개발이 이루어져야 할 것이다. 이를 통하여 바이오매스 원료 로부터 전처리, 발효성 당, 알코올 생산이 통합적으로 이루어지는 공정까지도 기대할 수 있을 것이다.
결론
바이오매스 전처리는 1940년대부터 미국의 농무성 (US Department of Agriculture)의 임산연구소 (Forest Products Laboratory)에서 연구가 이루어졌 을 정도로 그 역사가 길다. 그 이후에도 미국 에너지 부의 국립연구소를 비롯한 세계 각국의 바이오매스 관련 연구 및 대학에서도 현재까지 연구되고 있을 정 도로 지속적으로 연구개발이 이루어지고 있다. 바이 오매스 전처리는 다양한 원료에 대한 과학적 지식과 정보가 요구되고 고체로 된 형태의 원료를 극한적인 (extreme) 조건에서 다루기 때문에 실험실 규모의 공정개발 후 스케일업을 할 경우에 반응기에서의 혼 합, 반응물 및 산물의 이동 및 운반 등에서도 문제점 이 발생하는 경우가 많다. 따라서 원료, 화학반응공정, 반응기 및 이동기기 설계, 생물공정, 미생물, 효소 등 다양한 분야의 전문가가 함께 연구개발에 참여하여야
Biomass AFEX treated Biomass
Reactor Explosion Heat
Ammonia Recovery Liquid
Ammonia
그림 8. AFEX(ammonia fiber explosion) 공정 모식도(Bruce Dale, AIChE Annual Meeting, 2006).
하는 학제간 연구분야라 할 수 있다. 현재까지 이러한 복합적인 측면에서의 접근이 잘 이루어지지 않았던 것이 실용화가 더딘 이유 중의 한 요인이라 생각된다.
이 분야는 직접 바이오매스 원료를 다루고 전통적 인 화학공정을 적용하기 때문에 어려운 점이 많고 화 려하게 보이지 않는 측면이 있다. 그러나 전처리는 바 이오매스로부터 에탄올을 비롯한 유용산물을 생물공
학적으로 생산하기 위해서는 반드시 거쳐 가야 하는 필수 요소공정이다. 아울러 [그림 9]에서 보는 바와 같이 현재까지 바이오에너지 생산공정에서 가장 비용 이 많이 드는 공정부분으로서 공정경제성(process enconmics)의 향상을 위해서도 이에 대한 많은 연구 개발이 이루어져만 새로운 획기적 계기가 있을 것이다.
Capital Recovery Charge Grid Electricity
Raw Materials
Total Plant Electricity Process Elect.
Fixed Costs
(0.20) (0.10) - 0.10 0.20 0.30 0.40
Utilities Storage Boiler/Turbogenerator
Wastewater Treatment Distillation and Solids
Recovery Cellulase
SSCF Pretreatment / Conditioning
Feed Handling
Biomass Feedstock 33%
5%
18%
12%
9%
10%
4%
4%
1%
Net 4%
(after ~10x cost reduction)
그림 9. 리그노셀룰로스로부터 에탄올 생산공정의 비용(단위 : US dollar, Biomass Refining CAFI).
진 용 수
성균관대학교 생명공학부 식품생명공학전공, [email protected]
서론
최근 급등한 유가와 범세계적인 친환경규제(CO2
규제)에 따른 바이오 연료에 대한 관심이 매우 지대 하다. 특히 바이오에탄올 생산관련 연구는 미국, 일본, 유럽연합 등 선진국들의 국가적 차원 연구뿐만 아니 라, BP, Dupont 등의 석유화학회사들도 활발하게 참 여하고 있다. 보다 안정적이고 지속적인 에너지원의
공급을 위해서는 그간의 원유편중의 에너지 수급보다 는 다변화된 대체 에너지원을 개발하는 것이 필요하 다고 하겠다. 이미 국내에서도 가정용 연료는 가스, 전 력생산용 연료는 원자력 등으로 대체 에너지원이 자 리를 잡아가고 있으나 수송용 연료의 경우는 아직 휘 발유와 경유 같은 석유 의존도가 매우 높은 실정이다.
바이오에탄올은 기존의 수송용 휘발유와 공동으로 사
