4) 목질계 유래 자원을 이용한 바이오에탄올 생산④ 강산 전처리 공정 – 장점 : 상온, 상압으로 전처리/당화가 가능하며 80~90% 정도의 높은 당화수율 그리고 짧은 반응시간
- 단점 : 사용한 산을 회수해야 하고 강산에 의한 부식에 견딜 수 있는 고가의 장치를 사용해야 하는 문제점
- – 공정 생산성 향상 및 산재 이용을 위해 Simulated Moving Bed(SMB) 공정을 이용해 황산, 발효성당, 저해물질을 분리하고 분리된 황산수용액의 농도가 20% 이상으로 운전해 농축 후 재사용한다.
- – SMB 공정에 필요한 컬럼 충전물은 강산을 견딜 수 있는 재질로 제작돼 장기간 세척 후 재사용이 용이하게 공정이 구성돼야 하지만 현재까지 충전물과 관련한 기술개발이 미흡하다.
- – 또한 SMB 공정은 이동상에서 다량의 초순수물을 사용하기 때문에 산 및 당 회수 공정에 상대적으로 높은 비용이 든다. 이러한 요소기술에 대한 장애가 극복되면 SMB 공정에 의한 당/산 분리 공정이 실용화가 가능해지고, 강산당화 공정에 의한 목질계 바이오에탄올 생산 공정이 상용화될 것으로 판단된다.
- – 강산당화 공정에 의한 전처리 및 당화 공정에서 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스의 전환율이 80~90% 정도 되는데, 강산 전처리 공정에서는 고농도산에 의한 과도한 분해로 인해 Sugardegraded product인 furfural과 HMF(hydromethylfural) tars 및 다른 여러 성분 등이 발생하여 발효 수율을 저하시킬 수 있다.
- – 이러한 발효 저해 물질을 줄이는 대표적인 방법은 SMB를 사용하여 당, 산, 저해 물질로 분리하는 방법과 양이온 교환 수지를 이용하는 방법, 활성탄 등 흡착에 의한 제거 방법이 있다.
- – 그러나 흡착에 의한 방법은 다량의 발효성당이 함께 제거되는 문제가 있고 SMB나 양이온 교환수지는 경제성이 낮아 발생하는 폐수에 저해물질이 포함되어 배출된다.
- – SMB 등의 방법에 의해 분리 배출되는 폐수에는 전처리/당화 과정에서 발생하는 발효 저해물질이 포함되어 있어 기존의 생물학적 전처리로는 처리 효율이 낮기 때문에 물리/화학적 방법으로 폐수처리를 진행해야 하지만 폐수처리에 소요되는 에너지와 약품비가 과도해 경제성이 낮다.
- – 대부분의 바이오 연료 연구자들은 폐수 처리에 대한 부분을 간과하고 있지만 바이오 연료 생산 공정의 경제성 확보를 위해서는 폐수 처리가 중요하다.
농황산을 이용한 바이오에탄올 공정도
⑤ 알칼리 전처리 공정-강산 전처리 공정은 전처리와 당화를 동시에 실시하는데,
- 알칼리 전처리 공정은 바이오매스에 알칼리 용액을 처리하면 섬유소가 팽창하여 이들 분자 사이에 존재하는 intermolecular 결합을 분리시켜 물에 대한 섬유소의 팽창보다 더 큰 팽창이 일어나 효소 침입이 촉진되고 리그닌-섬유소 결합도 일부 붕괴되어 효소 가수분해가 증진되는 장점이 있다.
- – 알칼리 전처리는 볏짚 등 초본계 바이오매스에는 용액 사용량이 낮아 경제성이 있으나 폐목재 등 목본계 바이오매스에는 알칼리 용액 농도가 높아져 경제성이 없는 것으로 알려져 있다.
- – 그러나 섬유질계 바이오에탄올 제조공정에서 폐수처리가 경제성에 중요한 부분을 차지하는 것으로 인식됨에 따라 용매 회수 및 재사용에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
- – 알칼리 전처리 공정 중 대표적인 암모니아는 고온에서 휘발하는 특성을 이용해 재사용할 수 있지만 암모니아가 물에 용해돼 암모늄 이온으로 존재할 경우 탈기가 어려운 것으로 알려져 있다.
- – NaOH는 초본계뿐만 아니라 목본계 재료에 대해 효과적인 팽윤시약으로 탄수화물과 리그닌과의 반응에 높은 선택도를 가지고 있어 효과적인 탈리그닌이 가능하며,
- – 전처리액은 여과를 통해 리그린이 주로 함유된 고분자 물질군과 NaOH와 물이 주로 포함된 저분자 물질군으로 구분할 수 있으며,
- – 이를 재사용해 폐수 발생량을 줄이는 연구가 최근 진행됨에 따라 향후 효소 가격이 경제성을 가지면 경제성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
목질계 바이오매스 알카라인 전처리 공정도 (한국과학기술원, 특허 10-2014-0014319)
⑥ 폐목재를 이용한 바이오에탄올 생산 기초실험 a. 산을 이용한 처리 – 황산을 이용하여 폐목재를 전처리 하기 위하여 조분쇄된 폐목재를 분쇄기를 이용하여 1mm 이하로 다시 분쇄한 후
- 수분을 일정하게 하기 위해 45℃에서 건조한 후 밀폐용기에 담아 실험 전까지 보관했다.
- – 바이오매스에 황산을 투입해 1차 가수분해를 30℃에서 2시간, 2차 가수분해를 121℃에서 1시간 실시했다.
- – 바이오매스와 황산의 적정 비율을 알아보기 위해 바이오매스와 산의 비율을 1:3에서 1:4까지로 하여 가수분해를 실시했다.
- – 이는 황산 사용이 증가함에 따라 가수분해 후 당 농도가 낮아지므로 황산 비율이 매우 중요하다.
- – 또한 황산의 농도에 따른 효과를 알아보기 위해 0.5N~24N 황산을 제조하여 처리하고 2차 가수분해 효과를 검토하였다.
- – 아래 그림은 바이오매스와 황산의 비율을 1:3과 1:4로 황산 농도에 의한 가수분해 효과를 나타내고 있다.
- – 황산의 농도가 낮을 경우 1:3과 1:4의 비율이 큰 차이가 없지만 황산의 농도가 높아질수록 크게 차이가 나타난다는 것을 보여준다.
- – 그러나 황산의 농도가 24N에서는 글루코스가 전혀 검출되지 않았는데 이는 황산의 농도가 너무 높아 바이오매스의 셀룰로오스 성분이 모두 과분해돼 검출되지 않은 것으로 생각된다.
황산처리조건별 가수분해결과
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참고 문헌
수도권매립지관리공사, 창해에탄올. 2011. 유기성 폐기물을 이용한 바이오에탄올 생산. 공동 연구 보고서
위 내용은 수도권매립지관리공사와 창해에탄올이 공동 저술한 보고서에서 가져왔습니다.