리그닌의 변신 - 산업 폐기물에서 차세대 에너지원으로!

리그닌의 변신 – 산업폐기물에서 차세대 에너지원으로!

대학생신재생에너지기자단 19기 유홍주

 

 

[자료 1. 목질바이오매스의 구성성분]

출처 : researchgate

 화석연료의 고갈, 과도한 화석연료의 사용으로 인한 기후변화 등으로 인해 전 세계적으로 신재생에너지는 중요한 에너지원으로 위치하고 있다. 특히 바이오매스는 인류의 오랜 역사 동안 이용되어 왔다. IEA의 통계에 따르면, 바이오매스는 전세계 에너지원의 4% 이상을 담당하고 있으며 IEA의 blue map 시나리오는 2050년 바이오매스의 사용량이 석탄, 오일, 천연가스 각각의 사용량을 넘어설 것으로 전망하고 있다. 우리가 사용하는 바이오매스의 90%는 식물이 차지하고 있다. 그 중에서도 목질계 바이오매스가 대부분인데, 목본은 2차 세포벽으로 이루어진 물관으로 구성되어 있기 때문이다.  2차 세포벽은 셀룰로스, 헤미셀룰로스, 그리고 리그닌으로 이루어져 있는데, 이 중 목본 식물의 75%를 차지하는 셀룰로스와 헤미셀룰로스는 각각 6탄당과 5탄당이다. 당을 갈아서 발효시키면 에탄올을 얻을 수 있고, 알코올 반응을 시키면 가솔린을 생산할 수 있는 등 다양한 공정 방법으로 원하는 연료를 목질계 바이오매스로부터 만들 수 있다.

 

[목질 바이오매스의 한계, 리그닌]

 여러 종류의 에너지를 얻을 수 있는 목질계 바이오매스에도, 한 가지의 넘어야 할 장벽이 있다. 그것은 바로 ‘리그닌’이라는 성분이다. 리그닌은 식물을 단단하게 만들어주는 역할을 한다. 식물이 다치지 않게 하려 조직을 튼튼하게 하는 것이다. 목본 바이오매스로부터 연료를 생성하기 위해서는 셀룰로스와 헤미셀룰로스를 추출해야 하는데, 그러기 위해서는 리그닌을 제거해야 한다. 하지만 리그닌은 식물을 단단하게 만들기 때문에 앞서 말한 성분을 추출하기가 굉장히 어렵다. 따라서 화학적 전처리가 필수적이다. 하지만 이 과정은 느리고 비싸기 때문에 바이오매스 사용에 있어서 해결해야 할 문제로 자리 잡고 있다. 또한 리그닌 분자는 다른 재료와 잘 섞이지 않아 따로 상업적인 활용도 거의 불가능하다. 뿐만 아니라 리그닌을 열분해할 때 발생하는 리그닌 오일은 점도가 매우 높아 활용이 어렵다는 문제점도 존재한다. 결국 리그닌은 바이오매스 시장에 버려지는 물질, 즉 폐기물인 것이다. 하지만, 이러한 문제점들을 해결할 수 있는 새로운 기술들이 등장하고 있다. 

[바이오 항공유 대량생산 기술 개발]

 2020년, 한국과학기술연구원 청정에너지연구센터에서는 리그닌을 활용하여 항공유 급의 바이오연료를 생산하는 기술을 개발하였다. 앞서 리그닌을 열분해할 때 점도가 높은 리그닌 오일이 나온다고 했는데, 이 리그닌 오일은 점도가 물보다 750배나 높아 항공유 등을 대량생산하는 연속 공정에 이용하는 것은 매우 어려웠다. 하지만 리그닌오일에 촉매를 이용해 수소 첨가 반응을 일으켜 리그닌 오일을 분해하여 점도가 기존보다 35배 이상 묽은 20cP정도로 낮춘 리그닌 오일을 만들었다. 이렇게 만들어진 리그닌 오일과 기존의 리그닌 오일을 섞어 혼합유를 만들고, 이에 수소를 첨가한 후 산소를 제거하는 연속공정으로 처리하여 바이오연료를 생산하였다.

[자료2. 수소첨가반응을 이용한 바이오 항공유]

출처 : 한국경제

리그닌으로 만든 바이오 항공유는 환경오염 논란을 빚는 폐식용유로 만든 항공유 등을 대체할 수 있다. 또한 2027년부터 시행할 예정인 ‘항공유 온실가스 규제’에 대응하는 연료로 주목받고 있다. 쓰레기였던 리그닌이 차세대 친환경 연료로 탈바꿈한 것이다.

[리그닌 바이오 연료 시스템]

 UNIST에서는 2019년, 리그닌을 이용하는 바이오 연료 시스템을 개발했다. 바로 리그닌을 이용해 수소 생산 효율을 높이는 시스템이다. 수소를 생산하는 친환경적인 방법으로는 대부분이 알고 있는 ‘물의 전기분해’가 있다. 물에 전압을 흘려주면 수소와 산소가 동시에 발생하는 공정 방법이다. 하지만 이 과정은 속도가 느리고 복잡해 수소의 생산 효율이 낮다. 하지만 이 과정은 속도가 느리고 복잡해 수소의 생산 효율이 낮다. 수소 기체는 수소이온에서 전자를 얻어 만들어지는데, 이 전자가 나오는 산소 발생 반응의 속도가 매우 느리기 때문이다. 이에 UNIST 연구팀은 전자 공급원으로 리그닌을 이용하는 바이오 연료 시스템을 개발했다. 저렴한 금속 촉매(PMA)를 이용해 낮은 온도에서 리그닌을 분해하고, 그 과정에서 생성되는 전자를 추출해 수소를 만드는 원리이다.

[자료3. 리그닌 바이오 연료 시스템]

출처 : unist

 물의 전기분해 과정은 높은 에너지와 귀금속 촉매가 필요했는데, 리그닌을 이용하면 비교적 적은 에너지와 값싼 촉매를 이용하여 수소를 생산할 수 있다. 또한 리그닌이 분해되면서 ‘바닐린’이나 ‘일산화탄소’가 발생하는데, 이는 각종 산업공정에 유용하게 사용될 수 있다. 리그닌은 분해가 어렵다고 알려졌지만, 몰리브덴 기반 촉매(PMA)를 이용하면 낮은 온도에서 쉽게 분해될 수 있다. 이 방법을 사용하여 리그닌을 분해한다면 ,수소에너지와 가치 있는 화학물질을 생성할 수 있다.

 

 이 외에도 유전자 조작을 하여 목본 식물에서 리그닌 함량을 줄이는 등의 기술을 이용하여서도 효율적으로 바이오매스를 이용하기도 한다. 바이오매스뿐 아니라 다양한 신재생에너지는 존재한다. 태양에너지, 풍력에너지, 지열에너지 등 널리 알려진 에너지들이다. 이 에너지들은 모두 친환경 에너지이지만, 에너지의 산물은 모두 전기에너지이다. 바이오매스는 이들과는 다르게 열에너지, 전기에너지, 여러 종류의 연료 등 원하는 형태의 에너지를 얻을 수 있다.

[자료4. 목질 바이오매스의 공정방법에 따른 에너지 종류]

출처 : 티스토리

 이러한 부분에서 바이오매스는 친환경에너지로서 굉장한 잠재력과 가치를 갖고 있다. 바이오매스 중에서도 가장 많이 이용하는 목질계 바이오매스의 큰 단점인 리그닌에 대한 연구가 계속되고 있다. 현재 이뤄지고 있는 연구가 하루빨리 상용화되고, 발전한다면 화석연료가 고갈된 미래에도 별다른 문제 없이 우리는 에너지를 이용할 수 있을 것으로 기대해볼 수 있을 것이다. 세계적으로 환경문제의 양상이 더욱 심화되고 환과 에너지 문제 해결을 위한 바이오에너지 개발이 대두됨에 따라 리그닌의 활용 기술은 유망한 미래기술이라고 감히 말해본다.

 

참고문헌

[서론]

1)이진원, 박창훈, “바이오에너지의 종류와 생산방법”, 지상강좌, P.499, 2011

2)이온도, “목질계 바이오매스 가스화 기술 현황 및 전망”, 기획특집: 목질계 바이오매스 에너지화, P.27, 2012

[목질 바이오매스의 한계, 리그닌]

1)양윤정, “바이오매스 활용해 수소 생산까지, 바이오 연료시스템”, unist news center, 2020.01.21.

https://news.unist.ac.kr/kor/20200120-2/

[바이오 항공유 대량생산 기술 개발]

1)연합뉴스, “바이오소재 ‘리그닌’ 활용도 개선법 찾았다”, the science times, 2019.12.31.

https://www.sciencetimes.co.kr/news/%EB%B0%94%EC%9D%B4%EC%98%A4-%EC%86%8C%EC%9E%AC-%EB%A6%AC%EA%B7%B8%EB%8B%8C-%ED%99%9C%EC%9A%A9%EB%8F%84-%EA%B0%9C%EC%84%A0%EB%B2%95-%EC%B0%BE%EC%95%98%EB%8B%A4/

1)윤병효, “바이오연료 열풍 다시 부나, 상공 선박도 적용 검토”, 전기신문, 2020.12.17.

2)국가과학기술연구회, 네이버, “목재 폐기물로 나는 비행기? 리그닌 활용한 바이오 항공유 개발!”, 2020.7.24., 2021,4,3

[리그닌 바이오 연료 시스템]

1)원호섭, “바이오연료 폐기물 ‘리그닌’의 재발견”, 매일경제, 2019.07.07.

https://www.mk.co.kr/news/it/view/2019/07/495258/

1)남상호, “정의선-최태원, ‘정유공장’에서 ‘수소’이야기를?”, mbc news, 2021.03.02.

2)김봉수, “‘효율 4배’ 일체형 그린 수소 연료전지 개발”, 아시아경제, 2021.03.08

[결론]

1)이진원, 박창훈, “바이오에너지의 종류와 생산방법”, 지상강좌, P.499, 2011