바이오에너지 현황과 미래[2]...차세대바이오매스
바이오에너지 현황과 미래[2]...차세대바이오매스
2. 차세대 바이오매스
상술한 바와 같이, 목질계를 제외하고 현재 상용 화된 바이오 에탄올 생산기술은 사람이 식량으로 사용할 수 있는 당질계 또는 전분질계 원료로 사용하 므로 식량을 에너지로 사용한다는 데 도덕적 문제뿐만 아니라 앞으로 식량 수요가 늘어날 경우 원료 수급에 문제가 발생할 수 있다는 지적이 있으며, 경제 적인 측면에서도 곡물을 사용하는 것은 원료비용 측면에서 가격 경쟁력 문제가 존재한다.
또한 옥수수 재배는 상당량의 농약과 질소비료를 필요로 할 뿐아니라 다른 작물에 비해 토양을 심하게 부식시키는 환경적인 단점도 존재한다. 그러므로 우리나라와 같이 재배면적과 바이오매스 자원이 부족한 우리나라 로서는 에탄올 생산원료의 다변화가 필요한 실정이며 3면이 바다로 싸여 자원이 풍부한 해양환경을 이용한 바이오 에너지 생산기술 및 이를 통한 CO₂저감 방안은 매우 효과적인 대안이 될 수 있다.
해조류는 여타 바이오매스에 비해 생장성이 훨씬 우수 (아열대 지방의 경우 연 4~6회 수확 가능)하며 드넓은 바다를 이용할 수 있으므로 가용재배 면적이 넓고 담수, 토지, 비료 등 원가가 높은 자원의 사용이 적을 뿐 아니라, 목질계의 경우 반드시 제거해야 하는 리그닌 성분이 없으므로 제조공정이 간단하며, 총에너지 전환수율이 높아 동남아 지역에서 대규모 양식을 통해 원료를 확보한다면 목질계 수준의 원료 비용과 당질계 및 전분질계 수준의 공정비용으로 바이오 에탄올을 제조할 수 있다.
뿐만 아니라 해조류는 이산화탄소 연간 흡수량이 ha당 36.7톤으로서 목질계의 5~8배 높은 장점이 있으며 E20 (20% 에탄올이 첨가된 휘발유) 사용 가정시 연간 온실가스 저감율은 약 27%로 이를 금액으로 환산 시 약 3,000억 원의 탄소세 절감효과를 거둘수 있다.
그러므로 해조류와 같은 새로운 형태의 바이오매 스를 이용할 경우, 원료의 수급안정이 확보되며 공정비용 및 제조 원가를 획기적으로 절감시킬 수 있으므로 독자적인 바이오 에너지 생산기술에 대한 원천기술의 확보를 통한 환경친화적이고 경쟁력 있는 에너지 선도 기업이 창출될 수 있을 뿐 아니라, 에너지 자원문제의 해결 및 범국가적인 온실가스저감에 기여하고 포스트 발리협약에 대응하여 국제 환경규 제에 적극적으로 대처할 수 있는 핵심적이고 매우 중요한 기술이라고 할 수 있다.
가. 해조류의 종류 및 특징
우리나라 연안은 난류와 한류가 교차하는 곳으로 해조류의 종류가 다양하고 자원량도 풍부하다. 우리 나라 주변의 해조류의 종류는 약 1천종이 넘을 것으로 추정되고 있으며 녹조류 80여종, 갈조류 130여 종, 홍조류 355여종, 남조류 약 50여종 등 약 620여 종이 알려져 있으며 예로부터 해조류를 식용, 약용, 사료, 비료 및 해조공업의 원료 등으로 이용하여 왔고 최근에는 생체조절기능을 갖는 다기능성 올리고 당의 소재로 각광받고 있다.
우리나라 해조류 생산 량은 전체 수산물 생산량의 약 18%를 차지하고 이중 우무가 원료인 한천의 생산량은 30%로 금액으로 환산하면 약 40억원에 해당한다. 한천은 전체 생산 량의 6.5%만 가공 처리되어 원료상태로 값싸게 판매 되어지고 있고 대부분은 폐기 처리되어 해양오염을 야기하고 있는 실정이다. 해조류는 크게 대형조류 (macroalgae)와 미세조류 (microalgae)로 나누어지며 대형조류에는 홍조류 (red algae), 갈조류 (brown algae), 녹조류 (green algae)로, 미세조류 에는 클로렐라, 스피루리나 등으로 구성되어 있다.
해조류의 생산량은 전 세계적으로 연간 약 1,400만 톤에 달하는 것으로 알려져 있으며 2020년에는 약2,200만 톤 이상으로 증가될 것으로 예측되고 있다.
이러한 생산량은 전체 양식 생산량의 약 23%에 해당 하는 수치이며 이 중 90% 이상이 미역, 다시마 등의 갈조류와 김, 우뭇가사리, 꼬시래기 등의 홍조류로 이루어지고 있다. 우리나라의 해조류 양식 생산량은 현재 약 50만 톤으로 90년대 중반의 약 70만 톤 보다는 다소 줄어들었으며 양식어장의 총 면적은 약 7만ha로 90년대 중반의 약 6만ha 보다 증가하였고 이는 양식 업체의 대형화 추세에 따른 현상으로 풀이되고 있다.
(1) 녹조류
- 종류 : 파래, 청각, 청태
- 특징 : 엽록소를 다량 함유하고 있어 왕성하게 광합성 작용을 하여 녹말을 만든다. 녹조류의 엽상체는 매우 투명한 녹색을 지니고 있는데 색소체로는 엽록체, β-카로틴 (β-Caotene), 크산토 (ZanthophyII)계의 루테인 (Lutein)이라는 색소를 지니고 있다.
녹조류는 주로 얕은 바닷물 속에서 서식하고 있으므로 잎파래같은 것은 비교적 깊은 바다 저층에서 대량 번식한다. 양적으로 풍부하여 한여름의 사멸기에는 연안으로 밀려들어 녹조현상(Green tide)을 일으켜 연안오염의 주범이 되기도 한다. 녹조류 중에서 대표적인 식품으로는 파래를 들 수 있다.
파래는 시각적으로 시원하고, 미각적으로 신선한 느낌을 준다. 파래는 해태에 버금갈 만큼 풍부하고 다양한 영양가를 지니고 있다. 3대 영양소 중에서 탄수만 아니라 열량 면에서도 대단히 우수한 식품이다.
파래에는 비타민 A가 다량으로 포함되어 있을 뿐만 아니라 비타민 B1 (티아민 : Thiamine), 리보플라빈, 나이아신도 상당량 들어 있다. 미네랄로는 칼슘과 철분이 많이 들어 있어 건강식품으로서 최상의 위치에 있다고 할 수 있다. 파래에는 대장의 연동운동을 돕는 식물성 섬유질이 풍부하게 함유되어 있어 배변을 원활하게 하는 효과가 있다.
오늘날의 음식문화는 양질의 섬유소를 충분하게 함유하지 않은 기름진 단백 질류나 인스턴트 식품을 상식하는 경향이 있다. 파래 같은 식이섬유를 섭식하는 것은 건강 유지에 큰 도움이 된다. 청각에는 탄수화물인 당분과 단백질이 많이 함유되어 있을 뿐만 아니라 섬유질도 많이 들어 있다. 청각은 식품의 성격상 파래와 별 차이가 없지만 외형상으로는 닮은 점이 하나도 없다. 청각은 신선한 맛과 향을 지니고 있어 김장을 담그는 데 일조를하고 있다. 청각은 얕은 바닷속의 돌, 바위, 암석, 또는 조개껍질 등에 부착하여 생육한다.
(2) 갈조류
- 종류 : 톳, 미역, 다시마, 대황, 모자반, 감태
- 특징 : 일반적으로 녹조류보다는 깊은 물속에서 자라고, 길이가 몇 미터씩이나 되는 대형 조류기 때문에 해중림을 이루어 아름다운 수중 경관을 연출하고 있다.
미역에는 해태나 파래의 경우처럼 비타민 A가 많이 들어 있으며, 다른 종류의 비타민도 적지 않게 골고루 함유되어 있다. 그리고 무기염류로는 칼륨과 칼슘이 많이 들어 있으며, 철분도 상당량 들어 있다. 다시마 역시 알칼리성이 강한 식품이며 영양분도 미역과 대동소이하다. 미역과 다시마에는 무엇보다도 대장의 연동운동에 크게 기여하는 섬유질인 알긴 산이 대량 함유되어 있어 배변을 원활하게 한다.
갈조류에서는 알긴산을 추출하는데 이는 식물성 섬유 질인 셀룰로오스나 동물성 섬유질인 키틴질과 비견 되는 성분이다. 알긴산의 원조로는 다시마, 미역, 감태, 대황 등이 있으며 이와 같은 성분은 위장의 소화 작용에 기여하고 있으며, 소화 흡수된 후에는 피를 맑게 하여 순환기의 건강에 크게 도움을 준다.
또 알긴산은 비만 방지와 성인병 예방에 유효적절하게 활용되고 있다. 우리나라의 관습 중에 산모가 미역을 먹는 것이 있는데, 이는 산모가 지니는 여러 가지 피로소와 노폐물을 원활하게 배설시키며, 산모의 피를 맑게 하고 혈액 순환을 원활하게 해주는 효과가 있기 때문이다.
갈조류는 광합성 색소로서 클로로필 (ChlorophyII) a와 c를 가지고 있으며, 다른 색소체로 는β-카로틴과 푸곡산틴 (Fucoxanthin)을 비롯한 여러 가지 색소를 지니고 있다. 광합성 산물로는 녹말의 형태로 저장하지 않고, 라미나린 (Laminarin) 또는 만니톨 (Mannitol)의 형태로 저장한다. 모자반과 톳의 영양분은 미역이나 다시마와 대동소이하다. 톳은 칼슘분을 모자반 또는 다른 어떤 해조류보다도 월등하게 많이 함유하고 있다.
칼슘분은 식품의 알칼리성을 표시하는 지표 성분이며, 칼슘의 중요 생체 기능에 대해 서는 멸치편에서 자세히 설명하고 있음으로 참고하기 바란다. 모자반을 날 것으로 분석했을 때는 식이섬유와 지방의 양이 아주 낮은 편이지만 분말 형태로 가공한 것을 분석했을 때는 식이섬유와 지방의 양이 30% 이상이나 된다. 모자반은 당질보다는 식이섬유가 상대적으로 많이 함유되어 있는 편이지만, 톳의 경우는 식이 섬유보다 당질이 월등하게 많이 함유되어 있다.
(3) 홍조류
- 종류 : 우뭇가사리, 개우무, 김, 카라기난, 꼬시 래기, 해태
- 특징 : 다른 조류보다 비교적 깊은 물에 서식하 며, 크기가 비교적 작은 반면 종류가 다양하다. 홍조 류는 녹조류, 갈조류보다 서식 범위가 넓어 얕은 수심 에서부터 광선이 닿는 깊은 수심에 이르기 까지 자생하고 있다. 따라서 다른 조류보다 종의 수효가 많다.
해태, 즉 김은 월등히 많은 양의 단백질과 탄수화물을 지니고 있는 건강식품인데 해태의 단백질 속의 아미노산에는 알라닌(Alanine), 글루탐산(Glutamic acid), 발린(Valine), 아스파틱산(Aspartic acid), 류신(Leucine), 글리신(Glysine), 아기닌(Arginine) 등이 많이 들어 있어 쇠고기만큼이나 많은 양의 단백질을 함유하고 있다.
또 해태에는 비타민A가 뱀장어의 10배 이상이 함유되어 있어 이로 인한 결핍증을 해소 하는 좋은 식품이며, 비타민 B2인 리보플라빈이 많이 함유되어 있을 뿐만 아니라 각종 비타민이 많이 들어 있다. 특히 무기염류인 칼슘과 철분이 많이 들어있으 며, 각종 미네랄이 풍부하게 들어있다. 또한 방향성 물질이 포함되어 있어 맛과 향이 좋은 식품으로 평가 받고 있으며, 알칼리성을 나타내고 있다.
생김의 경우 에는 비타민 C가 다른 식품에 비해 월등히 많이 들어 있다. 해조류에는 해태처럼 뛰어난 건강식품이 있는가 하면, 한천처럼 아주 간단하게 카라닌처럼 다소 복잡하게 가공되어 사용되는 매우 중요한 간접식품도 있다. 한천의 종류중 하나인 우뭇가사리는 주로 식용, 약용, 연구용, 공업용 등의 용도로 다양하게 활용되고 있다. 식용으로서 잼, 젤리, 양묵, 수프의 제조 첨가물로서 영양적으로 많은 양의 탄수화물을 지니고 있는 것이 특징이며, 철분과 칼슘도 상당량 함유하고 있다.
홍조류에서 추출하는 강력한 점성을 지닌 카라기난이 있는데 생산 효율이 무려 25~30%나 되며 알긴산의 기능보다 매우 우수하다. 케이크, 푸딩, 커스터드, 도넛, 과자등 각종 빵 제품, 커피크림, 된장, 여러 가지 식생활 불가분의 관계를 지니고 있다. 카라기닌은 알긴산 보다 아주 강력한 점성을 지니고 있는 것이 특징이다.
나. 해조류의 양식
최선의 바이오매스를 선택했다 하더라도 원료확보가 이뤄지지 않는다면 에너지화가 불가능하다. 이를 해결하기 위해서는 에너지로 전화할 수 있는 해조류의 대량양식이 필요하다. 해조류 중 탄수화물 함량이 제일 높은 것으로 알려진 홍조류는 <그림 2-4>와 같이 전세계적으로 분포되어 있으나 특히 동남아 등지에 가장 많이 분포되어 있는 것으로 조사되었다.
홍조류 분포도 참조)해조류의 양식은 우량종을 양식지역에 이식하는 선발육종 방식으로 진행시킬 수 있다. 이러한 방법으로 양식 시 자연산에 비해 2~6배 이상 수확량을 향상시킬 수 있으며 꺽꽃이 방식으로 성체의 가지를 잘라 연결줄에 고정화시키는 간단하지만 수작업을 요하는 방식으로 진행될 수 있다.
홍조류는 극한 지방을 제외하고 거의 모든 바다에 고루 분포되어 있으나, 기초배양 실험 결과, 수온이 높은 곳에서의 성장률이 높아 온대나 아열대 지방에서 양식 시 생장률이 매우 높은 것으로 알려져 있다.
실제로 필리핀, 베트남, 인도 네시아 등지에서는 일 년에 5~6회 수확을 통한 대량 양식이 가능하다. 양식방법은 다음과 같이 두 가지 방법이 있으며 최소의 경비로 최대의 해조류 수확량을 얻을 수 있는 3D시스템을 사용 시 2D시스템 대비 10 배의 수확량을 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다.
(1) 2D 시스템 : 종묘 10cm 길이 100g을 30cm 간격으로 1ha 내에 10만개의 개체를 로프를 이용하여 seeding하는 방법 ( <그림 2-1>)
(2) 3D 시스템 : 수확량 효율을 높이기 위해 양식 구조를 수평 및 수직으로 배치하는 방법으로서 재배 가능 최대 수직 길이 도출하기 위해 (통상 10 미터까 지는 빛이 도달함) 10m(가로) × 10m(세로) ×10m(깊이)의 경우, 최대 해조류 수확량 도출할 수 있는 방법 (<그림 2-2>)
3. 해조류 바이오 에탄올
가. 해조류 바이오 알코올의 제조방법
한국생산기술연 구원에서는 해조류를 해양 신바이 오매스로 활용하여 현재 바이오 에탄올 제조기술에 대한 연구를 수행하고 있다. 해조류로부터 바이오 알코올을 얻기 위해서는 아래 <그림 3-1>과 같이 해조류 원료로부터 간단한 전처리 공정을 통해 갈락탄 성분인 Agar와 섬유소 성분인 Cellulose를 분리하는 공정이 필요하다.
여기서 얻어진 Agar와 Cellulose는 사실 및 그물 모양의 고분자로 이뤄진 물질로서 알코올로 발효를 시키기 위해서는 잘게 쪼개진 단당류 (Mono Sugars)로 전환시켜야 한다. 이 과정이 당화공정 (Saccharification) 이며 여기서 얻어진 galactose와glucose 등의 단당류는 효모나 발효균 주를 이용한 발효공정을 통해 에탄올과 같은 바이오 알코올을 얻을 수 있다.
여기서 얻어진 바이오 알코 올은 정제 및 농축과정을 통해 99.5% 이상의 순도를 갖는 연료형 알코올로 정제된 다음 자동차의 연료로 사용될 수 있다. 그러므로 해조류 바이오 에탄올 제조 공정은 크게 <전처리공정> → <당화공정> → <발 효공정> → <농축공정>으로 요약할 수 있다.
나. 해조류 바이오 에너지 추진비전
한국생산기술연구원은 지구온난화의 위험 수위가 극에 달할 것으로 전망되는 2025년 이전까지 안정적인 바이오 에너지를 확보한다는 목표를 세우고, 2007 년을 기점으로 2020년까지의 13년에 걸친 3단계 전략을 수행 중이다.
2007년부터 2010년까지의 1단계 과정에서는 해조류 대량 양산에 적합한 국내·외 재배지와 바이오연료 원천기술 확보에 집중한다는 구상이다. 이를 견인할 수 있는 범국가적 추진 체계가 수립되는 대로 해조류의 대량 재배지 선정, 생산성 높은 양식기술 개발, 실용화기술 개발 등의 역할 분담을 맡을 산·학·연 네트워크를 구성하는 것이 중요하다.
2015년까지의 2단계 기간에는 양산기술을 통해 확보된 바이오연료를 보급할 수 있는 유통체계 확립이 필요하다. 이를 위해서 우선 2020년까지 국내 휘발유 소비량의 20%를 바이오 알코올로 대체한 다는 목표를 세웠다. 수송 연료의 20%만 바이오연 료로 대체해도 7천억 원의 원유 수입 비용과 3천억 원의 이산화탄소 감축 비용을 합쳐 연간 1조 원 가량을 절감할 수 있으며, 2020년 이후에는 휘발유 대체 비율을 20%에서 40%까지 끌어 올리고, 세계 시장 진출을 겨냥한 수출 길을 여는 데 주력한다는 구상이다. 이를 통해 명실상부한 에너지 독립국가의 꿈을 이룰 수 있을 것으로 기대한다.
이를 위해서는 먼저 에너지 고갈과 지구온난화의 심각성에 대한 범국민적 공감대가 형성돼야 할 것으로 보인다. 정부 차원에서도 관련부서가 힘을 모으는범 부처 차원의 협력 틀이 필요하다.
또한 산학연 공동연구는 물론 대·중소기업으로의 기술 이전을 통해 생산과 판매가 활성화될 수 있도록 하는 유기적인 협력 네트워크 구축도 이루어져야 하겠다.
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