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바이오에탄올
바이오에탄올(bio-ethanol)은 식물이 생산하는 바이오매스를 이용하여 생물학적으로 생성된 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.
100%만으로도 자동차의 연료로 쓸 수 있으나 배관 부식이나 섭씨 11도 이하의 추위에서 시동 불량 같은 문제들로 전용 설비로 개조한 차량만 가능하여 대부분의 국가가 물을 소량 첨가 시킨 뒤 휘발유에 섞어 혼합 연료로 사용한다.
목차
개요[편집]
바이오에탄올은 밀·사탕수수·옥수수·감자 등 녹말 작물을 발효시켜 차량 등의 연료 첨가제로 사용하는 바이오 연료다. 작물의 식물성 기름을 추출해 만드는 바이오디젤과는 다른 종류다.
대표적인 원료는 사탕수수·밀·옥수수·감자·보리·고구마 따위의 녹말 작물이다. 그 밖에 카사바·볏짚 등 다양한 식물에서도 바이오에탄올을 추출할 수 있다. 바이오매스 안에 있는 탄수화물을 글루코스(포도당)로 전환한 뒤 다시 포도주나 양조 맥주를 발효시키는 것과 비슷한 발효과정을 거쳐 만든다.
화석연료와 달리 환경오염 물질이 전혀 없고, 식물로부터 연료를 얻기 때문에 언제든지 재생할 수 있다.
특히 일산화탄소와 같은 환경오염 물질을 배출하는 휘발유와 달리 유해물질을 전혀 배출하지 않아 미국, 일본, 독일, 브라질 등 세계 각국에서 차량용 대체에너지로 사용되고 있다.
바이오에탄올은 연료뿐만 아니라 산업용 친환경 원료로 사용이 확대되고 있다. 환경부가 2018년부터 자동차 유리세정액을 인체에 유해한 메탄올 사용을 금지하면서 바이오에탄올로 대체됐고, 우리가 매일 사용하는 손세정제와 도료, 잉크, 페인트 등에도 바이오에탄올이 사용된다.
배경[편집]
에탄올 발효의 역사는 수 천년전의 고대문명으로 거슬러 올라간다. 주류 생산을 위해 증류, 농축된 에탄올은 의약 및 산업 분야의 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 맥주 효모로부터 발효를 담당하는 대표적인 Saccharomyces cerevisiae를 분리하여 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.
바이오에탄올 생산공정[편집]
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.
전처리 과정[편집]
목질계를 이용한 바이오매스 생산시 진행되는 첫단계 과정으로, 기계적인 전처리, 열적 전처리, 화학적 전처리 기술이 일반적으로 이용되며 다음단계에서 진행될 당화 증진이 목적이다.
- 기계적인 전처리 : 입자 크기와 결정화를 감소시키는 과정으로 물리적 파쇄를 통해 표면적을 증가시켜, 당화에 이용되는 식물의 고분자 물질인 섬유소, 헤미섬유소를 생산한다.
- 열적 전처리 : 뜨거운 증기나 물을 이용하여 효소에 의한 섬유소 가수분해를 용이하게 하고, 가수분해 저항성 물질의 형성을 저해하거나 제거 한다.
- 화학적인 전처리 : 산이나 알카리 화학물질을 이용한 전처리 방법으로 헤미섬유소의 가용화와 리그닌 제거 등을 통한 가용 섬유소의 양적 확보와 당화를 위한 효소의 접근성을 높인다.
당화 공정(분해과정)[편집]
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.
발효 공정[편집]
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.
정제 공정[편집]
발효 공정에서 생산된 에탄올은 여전히 상당량의 물을 함유하고 있어, 정제과정을 필요로 한다. 일반적으로 물과 알코올이 가지는 비등점의 차이에 의한 분별 증류 방법을 통해 분리한다.
바이오에탄올의 장, 단점[편집]
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.
자동차 연료로서 바이오에탄올[편집]
루돌프 디젤이 1900년 첫선을 보인 자동차용 디젤엔진의 연료는 땅콩기름이었다. 헨리 포드가 1908년 설계한 T형 포드도 옥수수 에탄올로 가는 자동차였다. 석유를 태워 움직이기 전만 해도 자동차는 땅콩이나 옥수수 등 식물 연료로 굴러갔던 것이다. 100여 년의 세월을 돌아 다시금 바이오 연료가 탄소중립 실현을 위한 친환경 대체 에너지로 각광받고 있다. 전기차와 수소차 등 친환경 모빌리티로 넘어가는 과도기에서 탄소 배출을 최소화할 수 있는 가장 현실적인 대안이기 때문이다. 특히 휘발유를 대체할 수 있는 바이오에탄올이 전 지구적 최대 현안인 기후변화 문제를 풀기 위해 에너지와 환경이라는 두 마리 도끼를 잡을 수 있는 대안으로 떠오르고 있다.[1]
경제협력개발기구와 유엔식량농업기구의 '세계농업전망'에 따르면 세계적인 바이오연료 소비량은 총 1683억 리터이며 그중 바이오에탄올이 1247억 리터로 74%를 차지하고, 바이오디젤은 436억 리터로 26% 비중이다. 바이오에탄올의 원료는 옥수수가 60%, 사탕무가 25%, 당밀이나 카사바등 다른 식물원료가 15%를 차지한다.
옥수수에탄올은 연료용 외에 친환경적인 특성으로 자동차 세정액, 손세정제, 에틸아세테이트 산업용으로 다양하게 소비되는데 향후 바이오플라스틱과 생분해 플라스틱을 만드는 원료로 사용이 확대될 가능성도 크다.
현재 세계 50개국에서 바이오에탄올을 휘발유에 혼합해 사용하는 정책을 도입했거나 도입계획을 밝히고 있다. 미국, 캐나다, 멕시코의 북미 3개국, 중국, 일본, 필리핀, 태국, 필리핀, 베트남, 인도 등 아시아 10개국, EU와 기타 유럽 17개국, 브라질을 비롯한 남미 10개국, 아프리카 10개국이 바이오에탄올을 탄소 저감과 대기환경 개선을 위해 정책 도입 및 확대에 적극 나서고 있다.[2]
각주[편집]
- ↑ 이정은 기자, 〈바이오에탄올, ‘환경·에너지’ 두 마리 토끼를 잡다〉, 《환경일보》, 2021-06-24
- ↑ 변국영 기자, 〈“바이오에탄올, 친환경 모빌리티 전환에 ‘핵심역할’ 할 수 있다”〉, 《에너지데일리》, 2021-05-28
참고자료[편집]
- 〈바이오에탄올〉, 《식물학백과》
- 〈바이오에탄올〉, 《두산백과》
- 이정은 기자, 〈바이오에탄올, ‘환경·에너지’ 두 마리 토끼를 잡다〉, 《환경일보》, 2021-06-24
- 변국영 기자, 〈“바이오에탄올, 친환경 모빌리티 전환에 ‘핵심역할’ 할 수 있다”〉, 《에너지데일리》, 2021-05-28
같이 보기[편집]
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