Life Cycle Assessment of Ethanol Production Process Based on Fermentation

(1)

319

Korean Chem. Eng. Res.,

Vol. 44, No. 3, June, 2006, pp. 319-322

발효에 의한 에탄올 생산공정의 전 과정 평가

정연수^†·황일훈·김인원*·문 일**·여영구***

서울시립대학교화학공학과

130-743

서울시동대문구전농동

90 *

건국대학교화학공학과

143-701

서울시광진구화양동

1 **

연세대학교화학공학과

120-749

서울시서대문구신촌동

134 ***

한양대학교화학공학과

133-791

서울시성동구행당동

17 (2006

년

5

월

9

일접수

, 2006

년

6

월

15

일채택

)

Life Cycle Assessment of Ethanol Production Process Based on Fermentation Yonsoo Chung

^†

, Ilhoon Hwang, In-Won Kim, Il Moon and Yeong-Koo Yeo

Department of Chemical Engineering , University of Seoul , 90 , Cheonnong-dong , Dongdaemun-gu , Seoul 130-743 , Korea

*Department of Chemical Engineering , Konkuk University , 1 , Hwayang-dong , Gwangjin-gu , Seoul 143-701 , Korea

**Department of Chemical Engineering , Yonsei University , 134 , Sinchon-dong , Seodaemun-gu , Seoul 120-749 , Korea

***Department of Chemical Engineering , Hanyang University , 17 , Haengdang-dong , Seongdong-gu , Seoul 133-791 , Korea (Received 9 May 2006; accepted 15 June 2006)

요 약

이논문에서는전과정평가기법을이용하여발효에의한에탄올생산공정의환경적가치를평가하였다

.

평가의목 적은촉매반응에의한에탄올생산공정의환경성을비교

,

평가하기위한기준으로서발효공정의환경적가치를정량 화하는데있었다

.

두공정에서생산되는에탄올의소비및폐기과정은동일하다고가정하고원료물질의획득으로부 터제품의생산과정에대한전과정평가를실시하였다

.

전과정목록분석과영향평가의결과

,

원료의전처리단계인 전분의제조과정에서가장큰환경부하가발생하며그영향은주로산성화및온실가스효과로나타남을알수있었다

.

Abstract −

In this paper, the methodology of life-cycle assessment was applied to an ethanol production process based on fermentation. The purpose of the assessment was to quantify environmental performance of the process and to pre- pare a basis for environmental comparisons with the ethanol production process based on catalytic reaction. The assessment was carried only on the stages of raw material acquisition through ethanol manufacture since it was assumed that ethanol from both processes had the same environmental impacts through its use and discard. The assessment results showed that the major environmental impact came from the sub-process of producing starch from corn and the most severe burden was generated in the form of acidification and greenhouse effect.

Key words: Life-Cycle Assessment, Ethanol Production Process, Fermentation

1. 서 론

이제공정의설계는단지생산공정의효율및비용의계산이라는 문제뿐아니라생산물과생산공정이환경에미치는영향을측정하 고그영향을제거하는데드는비용을계산하는문제까지를포함한 다

.

제품과공정의환경성을정량적으로표시하기위한많은연구 가진행되었고많은영향평가방법및도구들이개발되었다

.

특히 제품을생산하는공정뿐아니라제품을소비하고재활용하며폐기

하는과정에이르기까지제품의전과정에대한환경적영향이고 려되기시작하면서제품에대한전과정평가기법이가장효과적 인환경영향평가방법의하나로대두되었다

.

전과정평가방법은제품의전과정즉

,

원료획득및가공

,

제조

,

수송

,

유통

,

사용

,

재활용

,

폐기물관리등제품과관련된모든과정 동안에소모되고배출되는에너지및물질의정량화를통하여이들 이환경에미치는영향을총체적으로평가하고이를토대로환경개 선의방안을모색하고자하는객관적이며적극적인환경영향평가

방법이다

[1].

전과정평가는각과정에서소모되고배출되는에너

지및물질을정량화하는목록분석

,

그결과를실질적인환경영향

†

To whom correspondence should be addressed.

E-mail: [email protected]

(2)

320 정연수·황일훈·김인원·문이일·여영구

화학공학 제

44

^{권 제}

3

^호

2006

^년

6

^월

목록에연계시켜임의의물질이갖는환경영향관계를분석하는영 향평가그리고환경영향결과를분석하고환경오염을줄이기위한 방법을제시하는전과정해석의세요소로구성되며각단계는전

과정평가의목적과경계에맞게진행된다

[2, 3].

에탄올은매우중요한에너지원이자화학물질로서그에대한전과 정평가및경제성평가는이전부터꾸준히진행되어왔다

. Kiran[4]

은 사탕수수찌끼를이용한에탄올의생산에대하여목록분석을실시 하고에탄올생성시배출되는물질들을열거하였다

. Kinoshita

와

Zhou[5]

는하와이지역에서의에탄올생산성에대한조사를실시하

였으며

, McAloon

등

[6]

은전분과셀룰로오스로부터에탄올을생산

하는공정에대하여경제성비교연구를실시하였다

. Sheehan

등

[7]

은에탄올과유사한바이오디젤과일반디젤에대한목록분석을통 해목록분석의결과만으로는환경적입장에서의공정선택이불가 능함을예시하였다

.

여기서는촉매반응에의한에탄올생산공정

[8]

의환경성을비교

,

평가하기위한기초를마련하는작업으로서전분의발효를통해에 탄올을생산하는공정의전과정평가를실시하였다

.

2. 전 과정 평가의 목적 및 범위

여기서실시한전과정평가의목적은촉매반응에의한에탄올 생산공정

[8]

의환경성을평가하기위한비교기준으로서발효에의 한에탄올생산공정의환경영향을정량화하는데있었다

.

따라서여 기서는목록분석과영향평가만을실시하고전과정해석은실시하 지않았다

.

촉매공정과발효공정에서생산되는에탄올의질과용도가모두 같다고가정하여에탄올생산이후의단계는평가에서제외하고에 탄올생산을위한원료물질의획득으로부터제품의생산과정까지 만을시스템경계안에포함하였다

. Fig. 1

은발효에의한에탄올생 산공정의전과정평가에적용된시스템경계안에존재하는단위 공정들을나타낸것이다

.

본연구에서는

95

％의에탄올

1 kg

을생 산하는것을기능단위로채택하였으며목록분석및환경영향평가는

ISO 14040[3]

을비롯하여

Vigon

등

[9]

과

Fava

등

[2, 10, 11]

에서정

의한방법및 과정을좇아실시하였다

.

목록분석에는

GaBi[12],

SimaPro[13], TEAM[14]

등상용프로그램을사용하였으며영향평

가를위해서는

Eco-indicator 95[15]

를이용하였다

. 3. 목록분석

본연구의시스템경계안에는옥수수재배를통해원료물질을 획득하는과정

,

전분을만들기위한전처리공정

,

효소를이용한발 효공정그리고분리공정등이포함되었으며생산된에탄올의유통

,

소 비및폐기단계는제외되었다

.

옥수수재배에는종자와물

,

햇빛외 에도비료와경작기계그리고기계를움직일수있는전기와디젤 연료가필요하다

.

옥수수생산과정에서환경오염물질이배출되기만 하는것은아니며식물의광합성작용을통하여다량의이산화탄소 가흡수되기도한다

.

수확된옥수수는전처리공장으로이송되어물 로헹궈진후전분으로분쇄된다

.

전분은아밀라아제에의하여액 화

,

당화되며발효과정을거쳐에탄올을생성한다

.

액화공정에서많 은양의수증기가이용되며약간의냉각수도사용된다

.

발효를통 해에탄올을생성하는과정에서물과이산화탄소가발생된다

.

에탄 올은물에잘희석되고물과공비혼합물을이루기때문에벤젠또 는펜탄을사용하여분리

,

정제된다

.

옥수수재배과정과전분을만들기위한전처리공정에대한자 료는상용프로그램인

SimaPro[13]

의데이터베이스와

Wang

등

[16]

으로부터수집하였다

.

옥수수재배기간은

1

년으로가정하였으며그 공간적경계는미국으로하였다

.

옥수수는선박에의하여국내로수 송된다고가정하였으며수송과정에대한계산은

SimaPro

의데이터 베이스를기초로하였다

.

발효및정제과정에대한자료는

McAloon

등

[6]

과실제공정의조업자료로부터얻었으며수증기및전기등 유틸리티에대한자료역시

SimaPro

의데이터베이스로부터수집하 였다

.

발효및정제공정의공간적경계는국내로가정하였으나조 업과관련된모든데이터는국제적데이터를이용하였다

.

에탄올

1 kg

을생산하기위해서

5.3 kg

의옥수수가필요하였으며

이옥수수로부터생성되는전분은약

4 kg

이었다

.

사용되는물의양

은약

4.5 kg

이었으며발효과정후배출되었다

.

발효후남은찌꺼

기는

1.37 kg

이었는데건조되어가축사료로사용가능하기때문에

고형폐기물의발생량계산에서제외하였다

.

목록분석은상용전과정평가프로그램을이용하여수행하였다

.

여러프로그램을동시에이용하여부족한자료의비교및상호지 원을통해자료의질을높이고자하였다

.

목록분석을통해수집

,

정

리된물질가운데기능단위당

1 g

이상의사용량및배출량을보

인물질에대하여그값을정리한것이

Table 1

이다

.

가장두드러진자원투입요소는물의이용이었다

.

발효공정의주

원료인옥수수를재배하는과정에서기능단위당약

42 kg

의이산

화탄소가광합성에의해흡수되는것으로나타났다

.

옥수수재배기 간을

1

년으로가정할때이렇게흡수된이산화탄소는자연계에고 정화되지못하고다시대기중으로방출된다

.

이러한이유로광합 성을통해흡수된이산화탄소는환경영향평가에서제외하였으며

Table 1

의전과정목록에도표시하지않았다

.

이용된물은기능단

위당약

25 kg

이었으며

80

％이상의물이냉각수로이용되었다

.

대

기배출물의경우

,

질량기준으로배출량의

98

％이상이이산화탄소 로이루어짐을알수있었다

.

기능단위당

2.2 kg

이배출되는이산 화탄소는수증기사용을위한화석연료의사용

,

발효공정에서의이

Fig. 1. Unit processes inside of the system boundary of the ethanol

production process based on fermentation.

(3)

발효에 의한 에탄올 생산공정의 전 과정 평가 321

Korean Chem. Eng. Res., Vol. 44, No. 3, June, 2006

산화탄소생성에의한것으로밝혀졌다

.

그외의대기배출물로소 량의황화산화물과탄화수소등이있었다

.

발효에의한에탄올생 산공정에서는수질오염물질의배출량역시적지않음을알수있었 다

.

많은물의사용과함께물에녹아있는전분성분의배출을통해 수질오염이일어남을알수있었다

.

배출되는물은화학적으로오 염된것과그렇지않은것으로나누어고려하였는데이들의환경적 영향은상이하였으며각기다른결과를초래하였다

.

전처리를통한 옥수수의전분화과정에서돌

,

옥수수껍질등과같은고형폐기물 이발생하였으며그것들은토양에버려졌다

.

옥수수를재배하는데 사용되는비료역시질소와인성분으로인해토양오염을일으키 는것으로나타났다

.

전과정평가의결과에크게영향을미칠수있는요소들을찾기 위하여주요공정변수를대상으로민감도분석을실시하였다

.

에탄 올생산에투입되는옥수수

,

전기및수증기의양등에대하여각각

±50

％의변화를주고이산화탄소배출량의변화를관찰하였다

.

관 찰결과옥수수와수증기의사용량변화에대해서는그결과의변 화가

±3

％이내로미미하였으나전기사용량의변화에대해서는

±50

％정도의큰변화가나타남을확인하였다

.

민감도분석에는상 용프로그램인

TEAM[14]

이사용되었다

.

4. 영향평가

영향평가는환경영향요소를종류별로분류하고분류된영향요소 와목록분석에서얻은목록요소사이의관계를특성화하여그영향 의정도를정량화하는과정을거쳐진행된다

[10].

영향평가과정중 목록요소를특성화하여환경지표를구하는작업은상대적으로주관 적인가치판단과정을거치게되는데여기서는상용프로그램의일 부인

Eco-indicator 95[15]

의방법을적용하였다

. Eco-indicator 95

는 오존층파괴

,

중금속

,

발암물질

,

여름

/

겨울철스모그

,

살충제

,

온실효

과

,

산성화및부영양화등으로분류된환경영향요소를포함하며각 영향요소의상호작용을통한생명

,

건강

,

생태계등에미치는영향 을특성화하여영향지표를계산한다

.

앞서설명한것과같이목록 분석에쓰인대부분의데이터는국제적데이터이다

.

여기서는목록 분석에쓰인데이터와동일한공간적경계를갖는정규화기준을

이용하기위하여

Eco-indicator 95

를선택하였다

.

따라서여기서얻

은영향평가의결과는국내의실정을반영한것은아니다

.

Fig. 2

는발효에의한에탄올생산공정에대한영향평가의결과

를정규화하여나타낸것이다

.

정규화는

Eco-indicator 95

에서일 반적으로이용되는가중치를이용하여실시하였다

. Fig. 2

에서환 경영향요소별환경부하의크기는각가로막대의전체길이로나타 나는데이로부터산성화및온실가스효과의발생등이주요환경

부하라는것을알수있다

.

또한

, Fig. 2

는각환경영향요소의환경

부하를그것을유발하는단위공정별로다시구분하여보이고있다

.

단위공정가운데전분생산공정이대부분의환경영향요소에대하 여가장큰환경부하를발생시키고있으며공정에공급되는수증 기와전기의생산과정에서도큰환경부하가발생하고있음을알 수있다

.

이들에비해다른단위공정의영향은무시할수있을정 도로작았다

.

여기서는촉매반응에의한에탄올생산공정의환경성을평가하기 위한기준으로서발효공정의환경영향을정량화하는것이평가의 목적이었기때문에발효공정에대한전과정해석은실시하지않았 다

.

그러나발효공정의전과정가운데원료의마련을위한전처리 공정인전분생산과정에서가장큰환경부하가발생한다는사실로 부터공정의환경성개선을위해가장시급한것이원료마련방안 의개선이어야함을알수있었다

.

5. 결 론

발효에의한에탄올생산공정의환경적가치를전과정평가기 법을통해정량화함으로써촉매반응에의한에탄올생산공정을환 경적으로비교

,

평가하기위한기초를마련하였다

.

에탄올의소비 및폐기과정은동일하다는가정아래원료물질의획득으로부터제 품의생산과정에대한환경영향을평가하였다

.

전과정평가의결 과로부터옥수수로부터전분을생성하는과정에서가장큰환경부 하가발생하며그영향은주로산성화및온실가스효과로나타남을

Table 1. Life-cycle inventory data of the ethanol production process based on fermentation

Inventory Parameter LCI Result (g/kg ethanol) Resources

Cooling water 20,240

Water (unspecified) 4,727

Alpha amylase 2,955

Air emissions

Carbon dioxide 2,199

Sulfur oxides 11

Hydrocarbons 8

Nitrogen oxides 8

Ammonia 7

Water emissions

Steep water 485

Chemically polluted water 64

Fluorides 18

Phosphates 13

Chlorides 3

Solid wastes

Waste 8,884

Husk 776

Fig. 2. Normalized environmental impacts of the ethanol production

process based on fermentation.

(4)

322 정연수·황일훈·김인원·문이일·여영구

화학공학 제

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^{권 제}

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^호

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^년

6

^월

알수있었다

.

발효공정자체의개선보다는원료마련방법을개선 하는것이환경성개선을위해더욱효과적임을알수있었다

.

감 사

본 연구는한국과학재단목적기초연구

‘R01-2001-000-00409-

0(2002)’

과제에의하여이루어진결과의일부이며

,

이에감사드립

니다

.

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