바이오에탄올

식물이 생산하는 바이오매스를 이용하여 생물학적으로 생성 된 에탄올 및 부탄올을 포함하는 에너지 및 연료용 알콜을 칭하는 용어이다. 바이오에탄올은 일반적으로 미생물과 효소를 이용하여 식물의 탄수화물을 발효시켜 생산한다. 미국, 브라질, 유럽연합 등의 국가에서 순수한 형태나 가솔린 첨가제로 차량의 연료에 사용되는 바이오 연료(bio-fuel)을 비롯하여 다양하게 사용되고 있으며, 에너지 안보와 유가 급등, 온실가스 배출로 인한 기후변화 등에 대한 대안으로 화석연료를 대처하는 신 재생 에너지이다. 

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에탄올 발효의 역사는 수 천년전의 고대문명으로 거슬러 올라간다. 주류 생산을 위해 증류, 농축된 에탄올은 의약 및 산업분야의 용매와 화학연료로도 주목받게 된다. 에탄올 생산에 있어 가장 획기적인 발견은 1857년 파스퇴르(Louis Pasteur, 1822-1895)에 의한 것으로 에탄올 발효가 미생물의 작용이라는 사실의 증명이다. 이어 한센(Hansen)은 맥주효모로부터 발효를 담당하는 대표적인 Saccharomyces cerevisiae를 분리하여¹⁾ 현재 공업용, 연료용 알콜 생산에 주로 사용되고 있다.

지금까지 인류의 발전은 화석 연료를 기반으로 한다. 자동차의 연료인 가솔린처럼 한정된 화석연료의 사용이 날로 급증하여 자원고갈을 걱정할 단계이며, 제한된 화석연료 보유국 및 생산국에 의한 유가 횡포와 고유가 지속에 대한 에너지 안보의 측면은 바이오에탄올과 같은 바이오 연료의 개발 배경이다. 더불어 화석연료의 사용으로 인한 온실가스 배출 등이 가져오는 지구 온난화와 같은 환경오염에 대한 인식의 변화와 환경오염의 직접적인 요인을 감축하고자 하는 국제 사회에서의 움직임과 규제 강화 또한 바이오에탄올과 같은 바이오 연료 개발의 배경이다. 부가적으로 식물의 바이오매스(bio-mass)를 원료로 하는 바이오에탄올을 비롯한 바이오 원료의 개발은 지속적 감소를 보이는 농업활성화에도 기여 할 것으로 여겨지고 있다.

생산공정은 사용하는 바이오매스의 종류에 따라 다르나 일반적으로 바이오매스의 전처리 후 당화과정과 발효 과정을 거쳐 생산된다. 1세대로 분류되기도 하는 당질계 식물(사탕수수, 사탕무)을 사용할 경우 전처리 과정과 당화 과정이 필요하지 않아 미생물을 이용한 당 발효과정을 통해 에탄올을 생산할 수 있으나, 2세대로 분류되는 감자와 고구마 같은 녹말질계를 사용할 경우 미생물에 의한 발효 유효물질인 당 생산을 위한 당화 과정이 필요하며, 2, 3세대로 분류되는 나무와 같은 목질계 원료나 해조류의 경우 전처리를 통한 셀룰로스(섬유소) 분해와 당화과정이 발효과정 이전에 추가가되어야 한다.

바이오에탄올 생산과정 (출처:이상원)

목질계를 이용한 바이오매스 생산시 진행되는 첫단계 과정으로, 기계적인 전처리, 열적 전처리, 화학적 전처리 기술이 일반적으로 이용되며 다음단계에서 진행될 당화 증진이 목적이다.

식물의 바이오매스가 가진 다당류 고분자 물질을 분해하여 알코올 생산에 용이한 단당류로의 전환과정에 사용되는 기술로 섬유소나 헤미섬유소를 분해하는 다양한 효소들이 주로 사용되고 있다. 식물의 세포벽은 1, 2차로 구분되며 2차세포벽의 경우 헤미섬유소보다 많은 비중(20~30%)를 차지하는 리그닌의 경우 알려진 분해효소가 많지 않으며, 전처리 과정을 통해 분해 제거하는 방식을 주로 사용하고 있다.

당화 과정을 통해 만들어진 단당류를 이용, 미생물의 알코올 발효 대사과정을 통해 에탄올을 포함한 다양한 알코올을 생산한다. Saccharomyces cerevisiae, Escherichia coli, Zymomonas mobilis와 같은 미생물이 주로 사용된다.

발효 공정에서 생산된 에탄올은 여전히 ​​상당량의 물을 함유하고 있어, 정제과정을 필요로 한다. 일반적으로 물과 알코올이 가지는 비등점의 차이에 의한 분별 증류 방법을 통해 분리한다.

화석연료와 비교하여 연소시 발생하는 환경오염 물질인 이산화탄소(CO₂), 메탄(CH₄), 아산화질소(NO₂) 배출에 따른 온실가스 감축효과와 이산화황(SO₂), 질소산화물 등의 배기가스 감축 효과를 가지고 있으며, 생분해성 재생가능 자원이다. 하지만 어려운 생산 과정과 연료제품으로써 요구되는 높은 순도의 요구성 때문에 가격이 비싸며, 식물의 바이오매스를 이용하는 이유로 대규모 대상 식물의 재배를 요구하고, 기후 등 재배조건의 변화로 인해 안정적 바이오매스 공급이 어렵다.

2002년 본격적인 바이오에탄올 생산을 시작한 미국의 경우 현재까지 세계 바이오에탄올 생산 1위국을 차지하고 있다. 뒤이은 브라질의 경우 풍부한 사탕수수를 이용 생산된 바이오에탄올을 비롯한 재생에너지를 가장 많이 생산, 사용하고 있다. 국내의 경우 바이오에탄올의 생산은 대부분 주류를 비롯한 식용이며, 소량의 산업용 바이오에탄올이 생산 사용되고 있으나 수송용 원료로서의 바이오에탄올 생산은 아직은 없다. 

바이오 연료 (bio-fuel), 온실가스, 바이오매스(bio-mass)

1. Francis I. Molina, Toru Inoue, Shung-Chang Jong (1992) Ribosomal DNA Restriction Analysis Reveals Genetic Heterogeneity in Saccharomyces cerevisiae Meyen ex Hansen. INTERNATIONAL JOURNAL OF SYSTEMATIC BACTERIOLOG, 42: 499–502