1. 추진배경

     산업혁명 이후 지속적인 화석연료 활용으로 인류는 비약적인 산업 발전을 이루어왔으나 과도한 온실가스 배출로 지구생태계가 위협받고 있다. 바이오매스를 열 및 음식물 조리에 사용하는 것과 같은 전통적인 에너지 형태로 활용하는 개념은 인류의 역사와 같이하고 있으나, 바이오매스를 도시빌딩 및 산업현장에 필요한 열원, 재생전기 생산 및 운송 연료로 활용하는 등 현대식 바이오에너지로 활용하는 것은 현재 전체 에너지 소비에서 매우 작은 부분 (2020년 5.6%)을 차지하고 있다. 따라서 현재 인류의 공통적인 목표인 화석연료에 대한 의존도를 줄이기 위해 재생가능한 바이오매스, 특히 식량자원과 경쟁하지 않고, 생물다양성을 보존할 수 있으며, 공급원료에 대한 다양화가 확보된 목질계 바이오매스로부터 재생가능한 연료 및 화학소재를 생산할 수 있는 기술 개발이 필요하다.

2. 목질계 바이오매스 활용 연구동향

     목질계 바이오매스로부터 가솔린, 항공유, 디젤, 선박유 등 현대식 액상연료 및 고부가 화학소재를 생산하는 기술은 1970년대 두 차례의 석유 파동을 겪으면서 적극적인 기술 개발이 진행되었으나, 이후 다시 석유 가격이 안정화되면서 목질계 바이오매스 활용에 대한 관심이 줄어들었다. 하지만 2000년 후반 다시 석유 가격이 배럴당 140달러를 넘어서고 과도한 온실가스 배출에 대한 인류의 인식 변화로 인해 다시 목질계 바이오매스 활용 기술에 대한 관심이 증폭되면서 다양한 기술 개발이 진행되었다. 지금까지 개발된 기술을 정리하면 다음과 같다.

  (1) 산소가 없는 상태에서 500도 이상 급속열분해로 액상 바이오오일을 생산한다. 생산된 바이오오일은 산소함량이 약 40%이고 산성분(포름산, 아세트산 등)으로 인해 불안정하여 후속 수소화 촉매 및 초임계유체 업그래이딩 공정으로 안정화된 액상연료을 생산한다.

  (2) 산소가 일부 있는 상태에서 500도 이상 가스화로 합성가스를 생산한다. 이후 퓌셔-트롭쉬 공정으로 액상연료를 생산한다.

  (3) 고온·고압상태의 물을 이용한 수열공정으로 비교적 안정화된 바이오오일을 생산하고, 후속 업그래이딩 공정으로 액상연료를 생산한다.

  (4) 목질계 바이오매스로부터 셀룰로오스를 선택적으로 분리하고 셀루로오스의 당화로 당을 생산하고 이로부터 전통적인 발효 방식으로 알코올을 생산한다 (그림 1).

그림 1. 목질계 바이오매스의 구성성분 및 셀룰로오스 에탄올 활용 전략. 

     상기한 각각의 목질계 바이오매서 활용 기술들은 고유한 장점으로 인해 상용규모 공정이 개발되었으나 현재 연료 및 화학시장에 진입하기 위해서는 좀 더 경제적인 기술개발이 필요하다. 특히 목질계 바이오매스로의 구성성분을 먼저 서로 분리하여 각 구성 성분별로 특화된 전환공정을 도입하여 선택적으로 연료 및 화학소재를 생산하고자 하는 “분리우선 (separation-first)” 전략은 선택적인 연료 및 화학소재를 생산할 수 있기 때문에 매우 중요한 기술로 각광받고 있다. 하지만 목질계 바이오매스 전처리 분리의 고비용·고에너지 소비로 셀룰로오스에서 생산하는 알코올의 경제성이 낮고, 전처리 분리기술 도중에 비교적 분해가 용이한 “native” 리그닌이 분해가 매우 어려운 “고상변형” 리그닌으로 전환되어 부산물인 리그닌 활용도가 매우 낮다는 문제점이 있다 (그림 2).

그림 2. 셀룰로오스 에탄올 전략의 문제점. 

     목질계 바이오매스의 활용에 있어서 전처리 분리공정에 대한 중요성이 부각됨에 따라 최근 전처리 분리 공정 중에리그닌 유래 방향족 단량체를 확보할 수 있는 촉매환원분획 기술에 대한 관심이 늘어나고 있다 (그림 3). 촉매환원분획은 메탄올 또는 물을 용매로 활용하고 금속담지 촉매를 활용하여 목질계 바이오매스를 고상 셀룰로오스, 액상 헤미셀룰로오스 및 리그닌 유래 오일로 분리하는 기술이다. 반응 중에 리그닌 추출-해중합-안정화가 동시에 일어나서 리그닌 유래 방향족 단량체를 최대 50%까지 확보할 수 있어 후속으로 방향족 기반 화학소재 및 연료로 활용할 수 있어 목질계 바이오매스의 전 구성성분을 활용할 수 있는 기술로 주목받았다. 하지만, 현재 촉매환원분획은 배치형 공정, 고압 수소활용, 장시간 고에너지 소비 반응으로 에탄올 DOE 목표인 $2.5/gallon of gasoline equivalent를 달성하기 어려워 상용화를 위해 좀 더 혁신적인 개념 도출이 필요하다.

그림 3. 촉매환원분획 개념. 

3. 목질계 바이오매스 활용 경제성 확보를 위한 e-Biorefienery 사업단 접근 방법 

     기후변화 대응을 위한 탄소중립 우선 정책이 신재생에너지 보급을 가속화하고 있어, 유럽을 중심으로 power-to-x 기술의 조기 상용화가 예상되고 있어 에너지 및 화학섹터의 전기화에 대한 기대감이 증폭되고 있다. 이에 본 연구단에서는 목질계 바이오매스 활용의 미래 경제성을 확보하기 위해서 전기화 전략을 도입하고자 한다.

     본 연구단에서는 목질계 바이오매스로부터 고부가 화학소재인 향수/아로마/식품첨가제, carotenoid, adipic acid, 생분해성 엔지니어링 플라스틱 및 친환경 접착제와 시장크기가 큰 항공유 등 다양한 고부가가치 연료 및 화학소재를 경제적으로 제조하기 위한 분획·분리 및 전환 융합 e-Biorefinery를 개발하는 것을 목표로 한다. 기존 목질계 바이오매스의 분획 및 전환공정의 한계인 고비용·고에너지·유해 케미컬 소모형 다단계 분획·분리와 전환공정의 단점을 극복하기 위하여, 다양한 목질계 바이오매스의 e-fractionation, 다당류로부터 단당류를 생산하기 위한 e-saccharification, 고부가 carotenoid 합성을 위한 e-fermentation, 고부가 adipic acid 합성을 위한 e-conversion, 고부가 생분해성 엔지니어링 플라스틱과 접착제 합성을 위한 e-enzymatic 고분자 중합, 리그닌 유래 단량체 및 이량체로부터 항공유를 제조하기 위한 e-conversion, 통합 e-Biorefinery의 기술 경제성 및 전과정 평가를 수행한다. 본 연구단의 연구결과로 정밀화학소재 (향수/식품첨가제/아로마), 헬스케어 소재(바이오활성소재, 의약품 전구체), 나일론 단량체, 고내열 방열 소재, 친환경 접착제, 바이오 항공유 등 다양한 화학산업 분야에 활용을 기대할 수 있고, 비식용 목질계 바이오매스로부터 바이오연료 및 화학소재를 제조함으로써 온실가스 저감, 신재생에너지 활용 확대 및 국가 에너지자립도 향상에 기여를 기대할 수 있으며, 친환경 생분해성 고분자 활용으로 화석원료 기반 플라스틱에서 발생하는 환경오염 저감에 기여가 가능하고, 향후 시장이 확대될 목질계 바이오매스 분획 기반 연료 및 화학소재에 경제성 확보에 기여할 것으로 기대하고 있다.

그림 4. e-Biorefinery 사업단 구성.