GIST, 저농도 바이오에탄올 경제적 회수 위한 최적기술 제시

[이데일리 이연호 기자] GIST는 지구·환경공학부 장인섭 교수 연구팀이 기존 기술보다 에너지 효율이 증대된 최적의 저농도 바이오 에탄올 회수·정제용 하이브리드 공정을 기술 경제성 평가에 기반해 제시했다고 19일 밝혔다.

발효 후 배양액의 바이오 에탄올의 경제적 분리, 회수를 위한 하이브리드 기술 조합. 현재까지 물-에탄올 분리를 위해서는 증류 및 흡·탈착과 같은 고에너지 요구 기술들이 주를 이뤄 왔다. 실제로 전체 공정의 50% 이상이 산물 분리 및 회수 단계에서 발생한다는 보고가 있다. 종래에는 이런 에너지 사용량을 줄이기 위해 투과증발, 역삼투 등의 막 기반 기술들이 새롭게 제안됐다. 다양한 물-에탄올 분리 방법 중에서 가장 에너지 효율적인 루트는 저농도의 바이오 에탄올을 증류를 통해 1차 농축 후, 투과증발을 통해 99% 이상 연료용 에탄올 수준까지 최종 농축하는 방법이 최적의 경제성을 확보하는 것으로 분석됐다. 그림=GIST.

바이오에탄올(bio-ethanol)은 미생물과 같은 생물학적 촉매의 사용 하에 옥수수, 사탕수수 등의 식량자원 및 생물기원 합성가스와 같은 기타 유기성 자원을 발효해 생산한 C-2 알콜이다.

합성가스는 일산화탄소, 이산화탄소, 수소 및 기타 불순물로 구성된 가스 혼합물로 생물기원(Biogenic)의 도시계 고형 폐기물, 제지 산업 등에서 발생하는 폐목재 및 폐농작물과 같은 유기성 자원들을 가스화해 생산되는 대체 자원의 일종이다. 합성가스를 미생물에 의한 발효 공정을 통해 바이오 에탄올과 같은 에너지 연료로 전환한다면 폐자원를 재이용하는 동시에 화석연료 사용 일부를 대체해 온실가스 배출을 저감할 수 있다.

다만 합성가스 발효 공정을 통해 생산되는 발효 배양액 상에는 바이오 에탄올이 2%이하의 저농도로 혼합돼 있다. 바이오 에탄올을 에너지 연료 및 화학 산업 원료로 사용하기 위해서는 99%이상의 고농도로 농축이 요구되는데 초기 바이오 에탄올의 농도가 낮을수록 분리, 농축 비용이 매우 증가한다. 따라서 합성가스 유래 저농도의 바이오 에탄올을 고농도로 농축하기 위한 경제적인 회수 방법이 필요하다.

합성가스 발효 공정은 가스상 기질을 에탄올과 같은 액상 산물로 전환할 수 있는 새로운 기술로 기존의 식량 자원 유래 바이오 에탄올 생산의 상당량을 대체할 수 있고 연료용 에탄올로 사용할 수 있는 신기술로 떠오르고 있다.

하지만 합성가스 발효 공정에서 생산되는 발효 배양액의 바이오 에탄올은 기존의 당발효 공정 대비 5~10배 가량 낮은 농도를 보인다. 그 결과 현재 사용되는 증류 기반 바이오 에탄올 회수, 정제 공정 운전을 위한 에너지 요구량이 매우 증가하기 때문에 저농도 바이오 에탄올 회수를 위한 최적의 하이브리드 기술 제시 및 경제성 평가가 요구된다.

장인섭 교수 연구팀은 방대한 양의 선행 연구논문 조사를 통해 물-에탄올 분리를 위한 시스템들의 기술적 특성, 에탄올 농도에 따른 기술 경제성 평가를 진행해 최적의 하이브리드 기술 조합을 비교 및 분석했다.

그 결과 2% 내외의 저농도 에탄올을 먼저 증류 공정을 통해 약 85% 수준까지 정제한 뒤에 막 기반 투과증발 공정을 이용함으로써 약 99.7%의 고농도 에탄올로 정제하는 하이브리드 경로가 합성가스 기반 저농도 바이오 에탄올 생산시 경제성 확보가 가능함을 제시했다.

장인섭 교수는 “전 세계적으로 이산화탄소 배출 감축을 위해 다양한 신재생 에너지 및 기술의 중요성이 부각되는 만큼 이번 연구를 통해 제시된 저농도 바이오 에탄올 분리, 정제용 하이브리드 기술이 향후 합성가스 발효 공정의 상업화를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 장인섭 교수(공동 교신저자)가 주도하고 Muhammad Yasin 교수(공동 교신저자, GIST 지구·환경공학부 박사 졸업, 파키스탄 COMSATS Univ. Islamabad 교수), 장누리(공동 저자, GIST 지구·환경공학부 박사과정) 연구원 및 여러 협력기관의 참여로 진행됐다. 산업통상자원부 산하 한국에너지기술평가원 신재생에너지핵심기술 사업 등의 지원을 받아 수행했고 에너지&연료 분야 상위 5% 이내 학술지 ‘Renewable and Sustainable Energy Reviews’에 2월 21일자로 온라인 게재됐다.