NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 29, No. 3, 2011…
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특·별·기·획(Ⅰ)
목질계 바이오매스 (Lignocellulosic Biomass) 최근 신뢰할 수 있고, 지속가능한 에너지자원의 확 보가 전 세계적으로 초미의 관심사이다. 그 이유는 각 국의 경제 성장을 위해 화석연료의 대한 의존도가 계 속 높아지고 있으나, 그 가격의 변화가 심하고, 매장량 도 한정되어 있고, 또한 과도한 화석연료의 사용은 지 구기후변화에 심각한 악영향을 미치기 때문이다. 이 러한 에너지 위기에 대응하여 세계 각국은 재생 가능 한 에너지(예; 수소전기, 지열, 바람, 태양, 바이오매 스 등)를 찾기 위해 엄청난 노력을 경주하고 있다. 바 이오매스 에너지는 주로 사탕수수나 옥수수로부터 바 이오에탄올, 식물과 폐기유로부터 바이오디젤, 우드칩 의 직접연소로 열에너지가 얻어지고 있다. 그러나 현 재 이러한 산업은 재료 가격의 변동으로 인해 기반이 취약하다.
목질계 바이오매스는 지구상에서 생산되는 총 바이 오매스의 90% 이상을 차지하는 세상에서 가장 풍부한 탄소원이며, 친환경적으로 재생이 가능하며, 따라서 생 태시스템에서 탄소 순환에 중추적인 역할을 하고 있다.
목질계 바이오매스는 주로 식물의 이차세포벽의 발달 로 형성되는데 세포의 성장이 멈춘 후 고도로 조직화 된 방식으로 셀룰로오스(cellulose), 헤미셀룰로오스 (hemicellulose), 그리고 리그닌(lignin) 등의 고분자 화합물이 연속적으로 축적되어 형성된다. 약 60%를 차지하는 주성분인 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스는 차세대 수송용 액체 바이오 연료의 원료로서 주목받고 있다. 즉, 가수분해를 통해 당분으로 전환한 후 발효과
정을 거치면 바이오에탄올이 만들어 진다. 또한 열화 학적인 방법으로 가스화, 연소, 열분해 등을 통하면 고 효율 에너지와 여러 가지 화합물을 얻을 수 있다.
사실 목질계 바이오매스의 에너지원으로서의 이용 은 인류가 탄생되었을 때부터 이루어져 왔으며 화석 자원(석유, 석탄 등)이 일상생활에 이용되기 시작한 19세기 이전까지는 거의 유일한 에너지원이었다. 19 세기 이후 현재까지도 전 세계적으로 가장 중요한 에 너지원 중 하나로 이용되고 있다.
우리나라와 같이 국토의 이용 면적이 제한되어 있 는 경우, 목질계 바이오매스를 이용한 바이오 연료 생 산을 상업적인 규모로 확대, 생산하기 위해서는 목부 바이오매스의 질적 및 양적인 개선이 필수적이다. 식 물 바이오매스의 양적인 개선을 위해서는 성장과 발 달에 관한 연구와 더불어 환경스트레스에 저항 기작 등에 관한 연구가 필요할 것이며, 질적인 개선을 위해 서는 바이오매스 합성에 관한 구체적인 기작에 관한 연구가 필수적이다.
왜 목질계 바이오매스인가?
최근 들어 목질계 바이오매스에 다시 관심이 모아 지고 있다. 왜냐하면, 화석자원의 이용이 우리 사회에 도움뿐만 아니라 해도 끼치고 있으며, 또한 재생이 불 가능한 유한자원이기 때문이다. 19세기 이후 화석자 원이 목질계 바이오매스보다 우선적으로 선택되어 이 용되어 왔던 점은 이들의 방대한 양과 저렴한 가격 등 이 이유였다. 그러나 현재로서는 화석자원은 점점 고
목질계 바이오매스 에너지
고 재 흥
경희대학교 식물·환경신소재공학과 [email protected]
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갈되어 가고 가격은 급상승하고 있으며, 공기오염, 오 존층 파괴 등의 각종 환경적 문제를 야기하고 있다.
매년 지구상에서 생산되는 목질계 바이오매스의 양 은 약 1,700억 톤 정도되지만 현재 인류가 이용하고 있는 양은 약 60억 톤으로 약 3.5%에 불과하다. 따라 서 사용되지 않는 바이오매스를 활용 가능한 에너지 로 대체할 수 있는 원천기술을 개발한다면 인류는 석 유에 버금가는 또 하나의 자원을 갖게 되며 이것이 최 근 신재생 에너지 자원으로서 목질계 바이오매스가 각광을 받는 이유이다.
국내 에너지 소비 중 수송용 연료가 차지하고 있는 비율은 현재 약 30%로 전량 수입 원유에 의존하고 있 다. 최근 원유가격의 폭등과 기후변화협약에서 탄소저 감의무 등이 부가되면서 국가 경제에 미치는 부담은 점점 커지고 있다. 최근 개발되고 있는 여러 신재생에 너지들 중에서 목질계 바이오매스가 가지는 강점 중 하나는 바로 쉽게 액체연료로 전환이 가능하여 수송 용 연료로 직접적 사용이 가능한 점이며 점차 경제성 이 확보될 전망이다[그림 1]. 따라서 필요한 에너지 또는 화학약품 생산을 위해 재생산 가능한 목질 바이 오매스의 이용에 대한 관심이 점점 높아가고 있다.
수송용 바이오연료 생산의 원료로서의 목질계 바이오매스
고유가 및 기후변화협약의 이행시기(2013년)가 다 가옴에 따라 수송용 연료로서 휘발유에 대체가능한 목질계 바이오매스 에너지의 중요성이 부각되고 있다.
그 이유는, 첫째, 원류 공급의 지속 가능성이다. 설 탕이나 전분을 원료로 한 1세대 바이오 액체연료는 이미 미국이나 남미에서는 많이 상용되고 있다. 그러 나 식량자원으로서의 공급 부족 및 가격 상승 등 원료 공급의 지속성이 크게 문제가 되고 있는 반면, 목질계 바이오매스는 농업 및 산림경영을 통한 부산물의 활 용, 또한 경작기술의 발달과 생명공학기술을 이용한 바이오매스 개발 등을 통해 장기적으로 저렴하고 지 속적으로 공급이 가능할 것으로 인정되고 있다. 미국 의 경우 중장기적으로 단기 순환림(short-rotating forest plantation)과 산림 부산물, 그리고 유전적 변 형을 통해 개발된 목본식물을 액체연료의 원료로 이 용하기 위해 기술개발에 박차를 가하고 있다[표 1, 2].
해양성 조류나 미세조류를 이용한 바이오매스 개발의 경우, 그 포텐셜은 인정되고 있으나, 현재로서는 경제 성이 전혀 담보되어 있지 않아 향후 많은 연구개발이 그림 1. 목질계 바이오매스를 원료로 한 액체연료 개발의 경제성 전망[DOE, 2007].
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필요한 실정이다.
둘째, 온실가스 생산 최소화이다. 우리나라를 비롯 한 선진국의 경우, 화석자원에서 유래한 수송용 에너 지의 사용으로 인한 온실가스 증가율이 가장 높다. 목 질계 바이오매스에서 유래되는 바이오연료의 사용으 로 인한 순 온실가스 발생량은 거의 없다. 따라서 기 존 화석연료의 사용 대비 온실가스 저감에 획기적인 효과를 볼 수 있다. 실제로 목질계 바이오매스 연료를 사용한 경우, 화석연료 사용 대비 약 86%의 온실가스 저감 효과가 보고되었다[DOE 2007].
제1세대 바이오연료는 식용작물(당질, 전분 또는 유지계 바이오매스)로부터 생산 가능한 재생연료이 며, 2세대 바이오연료는 식용이 불가능한 목질계 바이 오매스로부터 생산되는 재생연료로 원료 공급이 지속 적이며 환경 친화적이다. 현재 중점적으로 연구되고 있는 목질계 바이오매스 유래 수송용 바이오연료는 바이오에탄올, 바이오부탄올, 그리고 Fischer- Tropsch 합성연료 (BtL, Biomass to Liquid)이다.
● 바이오에탄올 - 밀짚, corn stover 등 농업 부산물 및 목재 등의 목질계 바이오매스를 이용하여 생산 된다. 현재 가장 비용이 많이 들며 기술 개발이 요 구되는 과정은 목질계 바이오매스로부터 당성분을 추출하기 위한 전처리(pretreatment) 과정이다.
발효 및 정제 공정은 이미 상용화된 공정과 직접 연계 가능하다는 장점이 있다.
● 바이오부탄올 - 에탄올에 비해 높은 에너지함량과 낮은 부식성, 낮은 증기압 등의 특성을 지니고 있 어 차량 연료로서 장점을 지닌다. 그러나 에탄올과 발효 특성이 달라서 다른 공정 적용이 필요하다.
● 합성연료 (BtL) - 기존 바이오디젤은 식물성 유지 만을 원료로 사용하나 BtL은 모든 종류의 바이오 매스의 사용이 가능하여 원료 제한이 없다는 장점 이 있다. 따라서 제2세대 바이오디젤로 불리며, 목 질계 바이오매스를 열분해하여 합성가스로 전환한 후 가스 정제 및 Fischer-Tropsch 합성에 의해 생 산될 수 있다. BtL 디젤유는 경유에 비해 환경오염
물질이 적고 세탄가가 높다. 또한 기존 디젤엔진과 완벽한 호환성을 가진 우수한 연료이다. 현재 상용 화를 위한 기술개발이 진행 중이나 이미 상용화된 석탄가스화에 의한 액상연료 생산기술(CtL)의 연 장선상에 있어 기술개발이 단축되리라 여겨진다.
목질계 바이오매스의 기능 개발 및 전망
현재 목질계 바이오매스를 이용한 액체 바이오연료 의 개발에서 가장 큰 걸림돌은, 셀룰로오스나 헤미셀 룰로오스와 같은 당 성분을 이차세포벽에서부터 추출 하는 전처리 과정에 있다. 그 이유는 이차세포벽은 매 우 단단하고 견고한 구조물로서 그 파쇄가 용이하지 않아 당화 효율이 낮고 전처리 비용이 매우 크기 때문 이다. 이 분야에 대한 연구는 미국의 바이오에너지 연 구센터(BESC, GLBRC)를 비롯한 세계 각국에서 많 은 노력을 하고 있다. 크게 두 가지 접근 방법이 연구 되고 있는데, 첫 번째는 여러 물리, 화학, 기계적인 파 쇄 방법 연구이고, 두 번째는 목질계 바이오매스 자체 를 쉽게 파쇄되는 형태로의 유전적 변형이다.
두 번째 접근 방법은 장기적으로 비용절감 및 환경 친화적인 측면에서 강점을 가지고 있으나 국내에서는 연구가 많이 되고 있지 못하다. 목질계 바이오매스의 효율적 활용을 위한 유전적 변형을 위해서는 이차세포 벽 합성과 그 조절 기작에 대한 이해가 필수적이다. 즉, 이차세포벽을 구성하는 고분자 화합물의 형성과 세포 벽에의 축적 기작을 규명하면, 생명공학 기술을 이용 하여 바이오매스 고분자 합성의 주요 경로를 변형/조 절함으로써 바이오매스의 양적 및 질적인 개선이 가능 하다. 즉, 셀룰로오스나 헤미셀룰로오스는 많게 하고, 동시에 리그닌은 적게 한다면, 당화할 수 있는 성분은 증가하고 바이오매스 전처리를 어렵게 하는 성분은 감 소하게 된다. 이를 통해 바이오매스의 에너지 전환 효 율을 극적으로 증가시킬 수 있으며, 동시에 전처리 비 용을 획기적으로 절감할 수 있을 것이다. 특히 헤미셀 룰로오스의 경우, 목질계 바이오매스에서 비교적 쉽게 추출이 가능한 고분자 화합물로서 이를 상대적으로 증
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고효율 목질계 바이오매스 개발과 더불어 목본식물 의 생장성 증가, 생물학적(해충, 질병) 및 비생물학적 (가뭄, 고염분, 기온 등) 스트레스 저항성 증가, 제초 제 내성, 개화 조절 등을 부가시키면 국내의 비경작지 를 이용하여 기업형 대량 재배가 가능하고 이를 통해
국내 에너지 자급화에 큰 도움이 될 것이다.
전 세계적으로 우수한 목질계 바이오매스 자원을 얻기 위해 유전적으로 변형된 목본 식물을 개발하고 있으며, 현재 700건 이상의 필드 테스트가 보고되고 있으며 우수한 자원의 확보를 위해 치열한 노력이 경 주되고 있다[표 1].
또한 각국의 기업에서도 형질이 개선된 목본식물을 개발하여 바이오매스 에너지의 자원으로의 활용을 도 모하고 있는 등 활발한 연구가 진행 중이다[표 2].
특·별·기·획(Ⅰ)
표 1. 미국에서 허가된 유전적 변형식물의 필드 테스트 현황 (1985~현재)
Genetically
engineered tree Traits introduced into trees
Number of permits
for field trials Number of institutions Issued Pending Public Private
Poplar
Insect and bacterial resistance;
herbicide tolerance; altered branching;
bud dormancy; wood development;
floral development; flowering time;
gibberellin; lignin content and composition; light response; female
and male sterility; improved digestibility; phytoremediation
26 1 16 11
Eucalyptus Altered lignin biosynthesis; growth rate;
sterility; cold tolerance 7 7
Pine Altered growth rate 3 1 4
White spruce Insect resistance 1 1
American chestnut Fungal resistance; herbicide tolerance 1 1 2
American elm Disease resistance 1 1 2
Walnut Herbicide tolerancee; flowering control 5 5
Sweetgum Fungal, viral and insect resistance 3 1 2
Papaya Viral resistance; delayed fruit softening 5 5
Total 52 4
Data from Trends in Biotechnology (2011)29: 9-17.
표 2. 유전적 변형으로 형질이 개선된 목본식물을 개발하고 있는 기업들
Company Country Research and development focus
ArborGen USA Genetic engineering of eucalyptus, pine and poplar for improved wood properties and cold tolerance
GenFor Chile Genetic engineering of pine for insect, fungal resistance, and improved wood quality Nippon Paper Japan Genetic engineering of eucalyptus for easier paper and pulp manufacturing
Scion New Zealand Genetic engineering of pine for improved wood properties
Suzano Pulp and Paper Brazil Genetic improvement of eucalyptus for increased biomass, faster growth, and improved digestibility
SweeTree Technologies Sweden Genetic engineering of poplar, eucalyptus and spruce for increased fiber, biomass growth, and improved wood properties
Data from Trends in Biotechnology (2011)29: 9-17.
