@@IMG1@@ 미국 에너지 관리청(EIA; Energy Information Administration)에 따르면, 전 세계 에너지 소비는 2008년 505 quadrillion Btu에서 2020년과 2035년에 각각 619 quadrillion Btu와 707 quadrillion Btu로 증가하여 약 53% 상승할 것으로 예측되고 있다. 이러한 수요를 충족하고 다양한 환경오염을 억제하기 위하여 리그노셀룰로오스성 재료(lignocellulosic materials)는 바이오연료 생산을 위한 이용할 수 있는 가장 유망한 대안으로 제안되고 있다.

볏짚(rice straw)은 전세계에서 가장 풍부한 리그노셀룰로오스성 재료 중 하나로, 저렴하고 거의 사용되지 않고 있다. 2011년 국제 연합 식량 농업 기구(FAO; Food and Agriculture Organization)가 발표한 보고서는 연간 쌀 생산이 2011년 7억 2100만 톤에 이르고, 이러한 수요는 2010년 대비 3% 가까이 증가한 것이라고 밝혔다. 수확된 곡식 1 kg당 1~1.5 kg의 볏짚이 발생한다. 이렇게 발생하는 거대한 양의 볏짚은 바이오에탄올 생산에 대한 높은 가능성을 지니고 있다.

리그노셀룰로오스성 재료의 주요 구성 성분인 셀룰로오스(cellulose)는 효소에 의해 글루코오스로 가수분해될 수 있으며, 이후 바이오에탄올로 발효된다. 그러나 리그노셀룰로오스성 재료는 리그닌(lignin)과 헤미셀룰로오스(hemicellulose)로 보호되는 높은 결정성 셀룰로오스로 구성된 매우 복잡한 구조를 지닌다. 따라서 당 수율의 20%까지만 자생적인 리그노셀룰로오스의 효소 가수분해(enzymatic hydrolysis)에 의해 달성될 수 있다.

효율적인 가수분해를 위하여 전처리 공정이 리그닌과 헤미셀룰로오스를 제거하고 구조를 변경하는 결정적인 단계로 고려될 수 있다. 현재 이러한 전처리 공정은 리그노셀룰로오스로부터 경제적으로 실현 가능한 에탄올 생산의 핵심으로 간주되고 있다.

수용성 암모니아 흡수 전처리, 마이크로파 전처리, 희산(dilute acid) 처리, 초음파 처리, HCW(hot-compressed water) 전처리 및 알칼리 전처리 등이 볏짚의 당화작용(saccharification)을 개선하기 위하여 이용됐다. 모든 물리적 전처리 방법들은 낮은 효율성과 높은 에너지 소비라는 문제를 겪고 있다. 게다가 높은 수율에도 불구하고, 산과 알칼리 전처리를 포함한 화학적 전처리 방법은 부식 특성, 중립화(neutralization)의 필요성 및 환경 유해성 등과 같은 일부 운영 상의 문제를 안고 있다.

이상에서 언급한 문제를 극복하기 위하여, 탄산나트륨(sodium carbonate, Na2CO3) 같은 무기염이 전처리 시약으로 사용될 수 있다. 이러한 시약은 저렴하고 부정적인 환경 효과 없이 광범위하게 이용할 수 있는 화학 물질이다. 이 염은 과거 리그노셀룰로오스성 재료의 전처리를 위하여 일부 과학자들이 사용한 바 있다. 그러나 탄산나트륨은 습식 산화 방법(wet oxidation method)으로 사용될 때만 유망한 결과가 얻어졌다.

이란 이스파한 기술 대학(Isfahan University of Technology) 소속의 연구진은 새로운 탄산나트륨 전처리 방법을 이용하여 볏짚에서 셀룰로오스성 에탄올(cellulosic ethanol)을 보다 더 효율적으로 생산할 수 있게 됐다고 보고했다. ACS journal Energy & Fuels에 발표된 이 논문에서, 연구진이 수행한 연구 결과는 97%에 이르는 가수분해 수율(hydrolysis yield)을 나타냈다고 밝혔으며, 이러한 높은 수율은 1 kg의 볏짚에서 175그램(g)의 에탄올을 생산할 수 있게 해준다.

이 연구의 주요 목적은 고압 반응기에서 탄산나트륨을 이용하여 볏짚을 전처리하는데 있다. 효소 가수분해와 발효의 개선에 대한 전처리 효과가 조사됐다. 처리되지 않는 볏짚과 처리된 볏짚의 성분 분석, 이미지 분석 및 FTIR 분석 등이 처리 결과에 따른 화학적 변화와 구조적 변화에 관한 정보를 제공했다.

볏짚이 효소 가수분해와 발효 공정이 수행되기 이전에 탄산나트륨으로 처리됐다. 모든 전처리는 고압 반응기에서 90 °C, 120 °C, 150 °C 및 180 °C 등의 온도와 0.25 M, 0.5 M, 및 1 M 등의 탄산나트륨 용액에서 수행됐다. 이후 처리되지 않은 볏짚과 모든 처리된 볏짚의 효소 가수분해가 1g의 기질 당 20 FPU 셀룰라아제와 30 IU의 베타-글루코시다아제(β-glucosidase)의 효소와 함께 45°C에서 72시간 동안 수행됐다. 가장 우수한 전처리 조건은 180°C에서 120분 동안 0.5 M의 탄산나트륨을 전처리한 사례에서 얻어졌다.

이러한 전처리는 처리된 볏짚에 대하여 43.5g/L, 처리되지 않은 볏짚에 대하여 9.5 g/L의 글루코오스를 배출하여 수행력을 크게 개선했다. 한편, 처리된 볏짚은 당화 작용과 발효를 동시에 적용하는 SSF(simultaneous saccharification and fermentation, 셀룰로오스의 효소 분해 단계와 포도당의 발효 단계를 결합시킨 공정) 공정을 통하여 볏짚으로부터 에탄올 생산이 상당히 개선됐다는 것을 보여주었다. 에탄올 생산은 볏짚의 전처리로 90.2-351.4 g/L로 강화됐다. 분석에 따르면, 상승된 온도에서 탄산나트륨을 이용한 처리가 리그닌과 크실란(xylan) 함량 및 셀룰로오스 결정화도(cellulose crystallinity) 등을 상당히 줄일 수 있으며, 효소 가수분해에 대하여 처리가 더 용이한 셀룰로오스 타입 I(cellulose type I)을 타입 II로 전환시켰다.

볏짚에 대하여 수확된 곡물의 평균 비율이 1.25인 점을 고려하고 평균 쌀 생산을 근거로, 중립화와 오염물질을 생성하지 않으면서 저렴한 화학 물질을 이용하여 연평균 볏짚에서 생성되는 바이오에탄올은 2000억 리터 이상에 이를 것으로 추정됐다.

그림1> 180 °C에서 120분 동안 0.5 M의 탄산나트륨으로 처리된 볏짚에 대한 전처리와 SSF(simultaneous saccharification and fermentation)의 재료 균형 흐름도

키워드 : 볏짚, 효소 가수분해, 당화작용, 탄산나트륨, SSF

출처: KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

원문: http://www.greencarcongress.com/2012/11/isfahan-20121111.html

연도: 2012-11-13

제공:kisti, 다른기사보기기사등록일시 : 2012.12.11 21:34

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