농업바이오매스 주요성분 추출 위한 암모니아 공법 개발
바이오매스에서 발효당과 에탄올 생산 ‘시험공장’ 구축

“처음 실험실 수준에서 축적한 기술과 노하우를 바탕으로 바이오매스(광합성으로 생산되는 식물체)로부터 바이오에탄올 생산 공정을 완성하고, 또 직접 바이오에탄올을 생산했을 때의 감개무량함은 지금도 잊을 수가 없습니다. 특히 농업 바이오매스를 이용한 바이오에탄올 생산 시범공장을 구축하고, 공정개발을 위해 관련 연구기관, 기업체와 협업으로 파일럿플랜트(본격 생산을 앞둔 시험적 설비)를 구축할 수 있어 더욱 보람이 큽니다. 지금까지 우리 생활의 편의를 위한 에너지, 플라스틱, 섬유, 화장품 등 모든 재료들은 석유화학기반이었지만, 이제 가까운 미래에는 농업 바이오매스가 그 자리를 차지하게 될 것이라고 확신합니다.”

그동안 화석연료를 통한 에너지였다면, 앞으로는 식물을 통한 에너지 대체가 현실화를 눈앞에 두고 있다. 이 같은 바이오에탄올 생산에 선도적 연구를 주도하는 곳이 국립식량과학원 바이오에너지연구소다. 특히 차영록 연구사(55)는 2008년 바이오에너지연구소 설립부터 줄곧 자리를 지켜온 바이오에너지 연구 분야의 선두주자로 꼽힌다.
 차 연구사는 그동안 ‘섬유질계 바이오매스의 연속식 전처리 시스템 개발’ 등 특허등록만 5건에 이른다.

또한 ‘싱글스크루 반응기를 이용한 억새의 연속식 알칼리 전처리 연구’ 등 학술발표 등의 성과도 50건 이상이다. 이 같은 공로로 지난 2016 국가연구개발 우수성과 100선 선정 그리고 2017 제50회 과학의 날 대통령표창 등 다수의 수상도 했다.
“지구온난화 방지를 위한 온실가스 감축 등 화석연료를 대체하기 위해 신재생에너지 비중은 지속적으로 확대되고 있습니다. 국내 신재생에너지 중에서 바이오에너지의 경우 2012년 15.2%에서 2035년 18%까지 늘릴 계획이기도 합니다. 또한 바이오매스 기반의 전 세계 바이오플라스틱 생산량은 2018년 200만 톤에서 2024년 240만 톤으로 20% 증가될 것으로 전망됩니다.”

친환경 화학 소재로 기후 대응 및
에너지 안보 제고 ‘기대’
차 연구사는 앞으로는 농업 바이오매스를 에너지원으로 바이오연료 및 친환경 생분해성 플라스틱 등 바이오화학 소재 생산 연구가 더 절실해질 수밖에 없다고 강조했다.
“농업 바이오매스를 바이오화학 소재로 활용하기 위해서는 먼저 셀룰로오스, 리그닌을 추출하는 공정이 필요합니다. 연구 초기에는 실험실 규모의 회분식 고온고압 폭쇄 반응기(1회씩 처리하는 반응기)를 이용해 볏짚으로부터 셀룰로오스를 추출하기 위한 암모니아 추출 공법을 우선 개발했지요. 그리고 이후부터는 실험규모를 확대해 벤치 규모의 연속식 스크루형 반응시스템을 개발하게 됐습니다.”

차 연구사는 이 연속식 시스템을 통해 억새 바이오매스로부터 글루코오스와 같은 발효당을 130g/ℓ(당 전환율 90% 이상)을 생산할 수 있는 기술을 개발할 수 있었다. 뿐만 아니라 당 전환공정에 필수적인 효소 사용량을 기존대비 66% 절감하는 기술도 개발했다.
“향후 국내에서 E3(휘발유에 바이오에탄올 3% 혼합) 연료를 사용 할 경우 농업 바이오매스유래의 바이오에탄올 생산 공정비용 절감에 크게 기여할 것입니다. 특히 바이오에탄올 상용화를 위해 우리 바이오연구소가 유일하게 바이오매스를 하루 100kg 처리할 수 있는 대용량 파일럿플랜트(시험공장)를 구축해서, 현재 억새 1톤으로부터 170~180ℓ를 생산 할 수 있는 기술도 확보한 상태입니다.”

차 연구사와 연구소 팀원들은 이 외에도 섬유질의 엉킴 현상을 해결한 원료 연속 공급 장치, 알칼리 흑액 재활용 기술(화학약품 사용량 기존대비 약 70% 절감) 등 다양한 공정기술 들도 속속 내놓고 있다.
또 압출식 스크루형 연속 전처리 시스템 개발로 세계 최고수준의 발효당을 생산해낸 것을 비롯해 섬유질의 효소당화공정에 투입되는 효소량을 기존대비 66% 절감하는 기술 개발 등으로, 국내 E3 도입 시 1500억 원의 경제적 효과는 물론 섬유질계 발효당은 바이오플라스틱과 같은 화학제품 원료로 사용이 가능해 2000억 달러가 넘는 초대형 바이오화학 시장에 초석이 될 것으로 기대를 모으고 있다.

“석유화학산업은 에너지, 연료, 플라스틱, 섬유, 화장품, 세제 등 생활전반에 걸쳐 영향을 미쳐 왔지만, 석유자원의 과다 사용으로 인한 지구온난화, 미세먼지 등 환경문제 야기가 심각합니다. 이를 조금이나마 친환경적으로 극복하기 위해 전 지구적으로 농업 바이오매스가 떠오르고 있고, 국내에서도 DB3(경유에 바이오디젤 3% 혼합)를 의무적으로 사용하는 상황입니다. 앞으로 휘발유 대체 E3 보급제도가 시행된다면 이산화탄소 배출량을 연간 80만 톤 이상 절감하고, 더불어 그 이상의 경제적 효과도 얻을 수 있다고 확신합니다.”