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폐목재에서 왜 당분을 추출할까?

  • 2017.10.31.
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‘아낌없이 주는 나무(The Giving Tree)’라는 유명한 그림책 제목 그대로다. 나무는 언제나 자신이 가진 모든 것을 아낌없이 던져주며 생존해 왔다. 사람들에게 온기를 제공하기 위해 자신을 불 속에 내던지거나, 쉴 수 있는 공간을 마련해 주기 위해 건축소재로도 활용됐다.

 

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나무 조각이나 볏짚 등을 활용한 저렴한 바이오매스 공정이 개발되고 있다 ⓒ Delaware.edu

 

이 뿐만이 아니다. 이 같은 물리적 헌신 외에 나무는 화학적으로도 사람들에게 유용한 물질을 제공해 주고 있다. 이른바 바이오매스(biomass)라 불리는 물질들로서, 석유를 대체 할 수 있는 바이오에탄올이나 바이오디젤 등이 이에 해당된다.

과학기술 전문 매체인 피스오알지(phys.org)는 미국의 과학자들이 목재 등에 들어있는 섬유질 성분을 분해하여 경제성있는 바이오매스들을 만들 수 있는 공정을 개발했다고 보도하면서, 과거 두 단계로 이뤄지던 바이오매스 공정을 하나로 줄여 에너지와 물을 사용하는 비용을 획기적으로 줄였다고 밝혔다.

식물이나 나무에서 얻는 당류 성분인 목당

나무에서 설탕과 같은 당분을 얻는다고 하면 모두들 의아하게 생각하겠지만, 사탕수수를 떠올리면 금방 의문이 풀린다. 설탕을 포함한 당분들은 모든 식물에 조금씩 함유되어 있는데, 사탕수수 경우에는 다량으로 포함되어 있기 때문에 설탕을 만들 때 사탕수수를 이용하는 것이다.

이처럼 식물이나 나무에서 얻는 당류 성분을 목당(wood sugar)이라고 부른다. 목당에는 포도당인 글루코오스(glucose)를 비롯하여 만노오스(mannose), 그리고 갈락토오스(galactose) 등 여러 가지 종류의 당류 성분들이 다양하게 존재한다.

자일리톨 껌으로 유명세를 탄 자일로오스(xylose) 역시 목당의 하나다. 자작나무에서 추출한 자일로스는 단맛을 가지는 당분의 하나로서, 볏짚이나 대나무 등에 들어 있는 자일란(xylan)의 가수 분해로 만들어진다.

 

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자일로오스는 자작나무에서 추출한 목당의 하나다 ⓒ free image

 

자작나무를 잘게 쪼개서 물에 넣고 가열하면, 다당체인 자일란이 분해되어 자일로오스로 바뀌게 되는데, 자일리톨은 바로 이 자일로스를 여러 공정을 거쳐 순도를 높인 뒤 환원시킨 감미료다.

이들 목당 중에는 설탕인 슈크로오스(sucrose)나 자일로오스처럼 사람이 직접 먹는 감미료로 사용되는 경우도 있지만, 대부분의 당분은 바이오에탄올(bioethanol) 같은 바이오매스를 만드는데 활용되고 있다.

바이오에탄올은 석유 등 화석 연료를 대체할 수 있는 차세대 연료다. 효소를 이용하여 옥수수나 고구마 등에서 당류 성분을 추출한 뒤, 이를 발효시켜 에탄올을 만드는 것이다. 이렇게 만들어진 에탄올을 휘발유와 섞어서 사용하기 때문에 그만큼의 화석연료를 절감할 수 있다.

하지만 바이오매스는 화석연료에 비해 경제성이 뒤떨어진다는 단점 때문에 아직도 미래의 에너지로만 여겨지고 있는 상황이다. 바이오매스가 좀 더 다양한 분야에서 활용되려면 지금보다 더 저렴한 처리 공정을 개발해야 한다는 것이 전문가들의 의견이다.

 

목재 속 섬유질 성분을 쉽게 분해하는 연구 진행

미 델라웨어 대학의 부설 기관인 에너지혁신촉매센터(CCEI) 소속의 연구진은 연방정부의 지원을 받아 현재 목재 등에 들어있는 섬유질 성분을 쉽게 분해하여 이를 바이오매스로 전환하는 연구를 진행하고 있다.

이들이 개발하고 있는 바이오매스 반응 공정의 핵심은 둘을 하나로 만드는 것이다. 과거 두 단계로 이뤄지던 바이오매스 공정을 하나로 통합하여 에너지 비용을 줄이고 물 사용량을 감소시키는 것.

연구진의 한 관계자는 “의자나 신발 등 우리가 매일 사용하는 수천 종의 제품에는 모두 석유로 만든 화학 물질이 들어 있다”라고 지적하며 “만약 이들 제품에 들어가는 화학물질을 석유가 아닌 바이오매스로 만든다면 화석연료의 사용량을 획기적으로 줄일 수 있을 것”이라고 전망했다.

문제는 바이오매스로 이들 물건을 만들 수 있느냐가 아니라 얼마에 만들 수 있느냐 하는 점이다. 가령 석유로 만든 화학물질이 kg당 100달러인 경우, 바이오매스로 만들었을 때 가격이 102~105달러 사이 정도라면 소비자들은 조금 비싸더라도 지갑을 열 수 있다.

그러나 현실은 그렇지 못하다. 바이오매스로 만든 화학물질이 보통 120~130달러 정도의 가격대를 형성하다 보니 소비자들이 쉽게 구매를 하지 못하는 것이다. 바이오매스가 비교적 오래 전부터 등장했음에도 불구하고 아직까지 활성화되지 못하고 있는 이유이기도 하다.

 

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옥수수 껍질이나 줄기를 이용한 저렴한 바이오매스 공정이 개발되고 있다 ⓒ free image

 

이에 대해 이번 연구의 책임자인 CCEI의 바수데 사하(Basudeb Saha) 박사는 “친환경 화학 물질과 연료를 만들기 위해 우리는 바이오매스를 활용하고 있지만, 식량으로 사용될 수 있는 옥수수나 고구마 등을 이용하는 것은 바람직하지 않다고 본다”라고 말했다.

사하 박사의 설명에 따르면 옥수수나 고구마 등은 식량 문제로 고생하고 있는 난민이나 저개발 국가의 주민들에게 양보하는 대신, 수확하고 남은 옥수수 줄기나 볏짚, 또는 억새풀의 대 등을 활용하면 더 저렴하면서도 같은 효율을 낼 수 있는 바이오에탄올을 만들 수 있다는 것이다.

사하 박사는 “이전 기술로는 이들 재료들을 화학적으로 분해하기 어려웠다”라고 밝히며 “세포막을 강하고 단단하게 만드는 리그닌(lignin)이라는 고분자가 당분과 결합하게 되면 접착제 같은 역할을 하면서 분해를 어렵게 만들었기 때문”이라고 설명했다.

이에 따라 연구진은 리그닌에서 당류 성분을 분리하고, 당류도 복잡한 다당류에서 간단한 구조의 단당류로 전환함으로써 이전 기술에서는 볼 수 없었던 획기적인 공정을 개발하고 있다.

사하 박사는 “개발 중인 공정이 상용화된다면 전처리 없이도 섭씨 85도 정도의 낮은 온도에서 반응이 가능하도록 만들 수 있다”라고 전하며 “그렇게 되면 바이오매스를 만드는 비용과 에너지를 크게 줄일 수 있다”고 기대했다.​

 

 

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