초록
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요 약 문
1. 제목
조류(algae)를 이용한 바이오에너지 생산기술
2. 사업의 목적 및 필요성
미세조류를 사용하여 생산될 수 있는 다양한 바이오에너지 자원(바이오 디젤, 바이오 가스, 수소, 에탄올, 에탄올 유도체, 제트 연료, 고부가가치 생화학 제품 등)의 해외 기술동향 및 기술개발 사례를 조사하는 사업은 국제 경쟁력을 갖추기 위하여 이 분야에서 한국에서의 기술개발이 지속적으로 필요한지를 간접적으로 평가할 수 있으며, 기술개발 중에 있는 국내기업
요 약 문
1. 제목
조류(algae)를 이용한 바이오에너지 생산기술
2. 사업의 목적 및 필요성
미세조류를 사용하여 생산될 수 있는 다양한 바이오에너지 자원(바이오 디젤, 바이오 가스, 수소, 에탄올, 에탄올 유도체, 제트 연료, 고부가가치 생화학 제품 등)의 해외 기술동향 및 기술개발 사례를 조사하는 사업은 국제 경쟁력을 갖추기 위하여 이 분야에서 한국에서의 기술개발이 지속적으로 필요한지를 간접적으로 평가할 수 있으며, 기술개발 중에 있는 국내기업, 대학 및 정부연구기관에 대해서도 지적 재산권 확보 및 방어를 위한 간접적인 참고자료서 유용할 것이다. 차세대 바이오 연료 사업은 세계각국에서 성숙한 산업이라기 보다는 초기 기술개발단계 및 상업화 적용 검토 단계이기 때문에, 국내에서의 신속한 기술개발 모델 및 road map 설정은 해외기술의 bench marking과 함께 요구되어진다. 그러므로, 현 단계에서 해외 기술개발 검토, 상용화 사례, 경제성, 지적재산권 보유 단계의 조사를 통하여, 한국에서 미세조류를 이용하여 바이오 연료를 생산하기 위한 사업에서 추후 지속적인 투자가 가능하게 하는 적합한 한국형 기술개발 모델들을 추천하고, 국제 공동 연구 및 해외기업과의 전략적 제휴와 같은 바이오 연료 기술의 해외 진출을 모색하기 위한 정보를 제시하는 것을 조사사업 목표로 제안한다.
3. 사업의 내용
미세조류를 이용한 바이오에너지 생산기술의 수요기반정보조사사업에서 조사되고 검토 되어진 주요 내용은 다음과 같다.
* 생물연료를 생산하는 조류 미생물 개발의 기술 동향 및 개발예
* 미세조류를 생산하기 위한 기술, 공정 조사 및 경제성 비교
* 미세조류에 의해 생산될 수 있는 연료 자원들의(에탄올, 수소, 바이오 가스, 바이오 디젤, 제트 연료, 고부가가치 생화학 제품)의 기술 정보, 타당성, 지속가능성 평가
* 미주에서 조류 이용 바이오연료를 생산하는 기술 및 plant를 보유하는 기업들의 동향, 핵심 기술 요약
* 국내에서 경쟁력을 갖출 수 있는 기술개발 범위의 제안 및 전망
4. 정보조사의 결과
온실가스에 의한 기후변화와 에너지 안보문제를 가지고 있는 화석연료에 기반하는 에너지를 대체하기 위한 재생에너지로서 바이오 연료에 대한 관심은 최근에 증대되어지고 있다. 전분 기반의 1세대 바이오 연료 원료는 식량 자원을 위협하는 문제에 직면하기 때문에 장기적으로 적합하지 못하며 2세대 바이오 연료의 원료인 목질계 바이오메스는 비식량 자원이지만 땅 및 산림을 요구한다는 단점을 가지고 있다. 한편 3세대 바이오 연료라고 할 수 있는 미세 조류는 성장속도가 빠르고, 비식량 자원이면서도 적은 수분의 요구성과 함께 육상에 배양 경작지를 필요로 하지 않는다는 점에서 국토면적이 협소한 한국에서는 매력적인 바이오 연료 자원이라고 할 수 있다.
미세조류 유래 바이오 연료에 대한 연구개발 및 투자는 전세계적으로 미루어지고 있는데, 현재 전세계적으로 약 150개의 크고 작은 미국 및 유럽회사들이 미세 조류에 기반하는 바이오 연료를 활발하게 연구하고 있다. 무엇보다도 미국 에너지청에서 발표한 로드맵에 위하면 기존의 바이오 에탄올이나 식물유래 바이오 디젤에 비해 미세 조류 유래 바이오 연료를 차세대 에너지원으로 설정하고 biorefinery 개념을 전략화하고 있다. 최근 발표된“algal 2020” 보고서에 의하면 미세조류 유래의 바이오 연료의 상업화를 위한 5개의 전략을 제시하고 있다. 이것은 미세조류 균주 개발에 의한 빠른 성장과 지방 함유량 증가, 조류 및 오일생산의 용이함과 생산 가격 저렴화, 마지막으로 조류 유래 다양한 상품의 생산을 의미한다. 또한, 미세조류 바이오 메스는 오일생산 및 바이오 디젤을 위한 응용 이외에도, 열화학적 또는 생물화학적 전환공정에 위하여 바이오 에탄올, 바이오 수소, 합성가스, 하이드로카본 등 다양한 바이오 연료를 생산하기 위한 잠재성을 가지고 있다. 또한 조류 바이오 메스는 혐기성 소화를 통하여 바이오 가스로도 전환될 수 있는 장점을 가지고 있다.
다양한 바이오 연료 자원으로서의 높은 잠재성 때문에 거대한 기술개발 투자와 함께 미세조류 이용성을 위한 많은 연구개발이 진행되고 있으나, 현재 단계에서는 미세조류 미생물을 이용한 바이오 연료 생산기술은 어느 나라에서도 상업화 단계에 있지 않다. 반면 부가가치가 높은 비연료 물질로서의 미세조류의 응용은 서구에서 이미 상업화에 성공하였고 더욱 다양한 응용분야에 대한 개발이 할발하다.
비록 상업화 및 실용화를 보증할 수 있는 가시적인 기술은 아직 확립되지 않았지만, 현상태에서는 미세조류를 이용하여 바이오 연료를 생산하는 것을 유망한 기술로 보는 것이 세계적인 추세이며, 다른 재생에너지 연료와 비교하여, 상업적 경쟁력을 갖추는 것은 수년내일 것으로 일부에서는 전망하고 있다. 미세조류를 이용한 많은 다른 생산품에 대한 잠재성이 있기는 하지만, 현 기술적 위치에서는 미세조류로부터 오일을 생산하는 기술은 가장 타당성이 있다. 미세 조류 오일은 바이오 디젤, 가솔린, 제트 연료로 전환될 수 있고, 석유 산업으로 부터 생산될 수 있는 프라스틱 또는 다른 화학물질을 생산할 수 있는 재생자원으로도 그 가능성을 지니고 있다. 미세조류로부터 에너지가 석유에 기반하는 교통에너지를 대체한다고 가정하면, 미국에서는 30 % 정도의 이산화탄소 방출을 절감할 수 있다고 하며, 미세조류로부터 오일은 원유의 가격이 배럴당 100달러 이상 일 때 고부가가치를 지닐 수 있는 있는 것으로 미국에서는 고려되고 있다.
현재 단계에서 미세조류 기반 바이오 연료를 에너지 위기를 해결 할 수 있는 최선의 대안으로 보는 것은 지나치게 이른 결과일 것이다. 실제 상업적으로 이용되기 위해서는 생산효율성과 비용구조, 조류의 대량 배양, 지질 추출, 전분 추출, 바이오 연료 생산 등에서 좀더 의미있는 기술의 향상이 반드시 필요하다. 조류 바이오 메스의 환경적 이점과 영향 등을 종합적으로 검토할 수 있는 전과정 평가는 관련 정책의 경정을 위하여 또한 필요하다 할 것이다. 미세 조류로 부터 바이오 연료 생산을 위한 공정 개발 분야에서는 한국의 기술 경쟁성을 위해서는 미세조류를 생산한 후 다양한 바이오 연료, 식량원, 및 유용물질을 동시에 추출 생산하는 한국형 biorefinery의 개념은 현재 미세조류 유래 바이오 디젤만으로는 가격 경쟁력 및 경제성이 낮다는 단점을 극복하기 위하여 제안되어진다.
다른 한편으로는 주로 공정 개발에 치우쳐 있는 미세조류를 이용한 바이오 연료의 개발에서 외국 선두 상업화 주자등들과 함께 경쟁력을 갗출 수 있는 다른 분야는 미세조류 균주의 개발이다. 합성생물학의 발전은 균주의 형질 전환 및 기질의 다양성 확보, 제품의 다양성 확보등에서 새로운 길을 제시하고 있다. 이러한 발전은 기존의 에탄올 또는 지질 생산 위주의 바이오 연료 개발의 틀에서 벗어나, 왁스류, 지방산에스테르, 알칸류, 제트연료 등의 다양한 물성의 바이오 연료의 개발을 미세조류로부터 가능하게 할 것이다. 따라서, 국내에서 다양한 제품을 구성할 수 있는 유전자를 확보하고, 합성대사경로를 디자인하고, 이를 균주에 도입하고 대사경로를 최적화하는 작업에 다양하고 꾸준한 노력을 들인다면 바이오 연료 생산 기술 확보에 우위를 점할 수 있을 것으로 사료된다. 한국과 같이 원료 자원이 부족한 특수성이 있는 경우, 균주개발 기술에 대한 독점적인 지적재산권를 보유하고, 해외 현지와 공동 연구개발시에 균주사용에 대한 라이센스를 제공하기 위한 권리를 보유하는 것이 적절한 것으로 사료된다. 물론, 이 경우에 바이오 연료를 생산하기 위한 우수한 미세조류 균주를 개발하고, 국가적 기술력으로 전환시키기 위한 정부, 학계, 기업의 집중적인 노력이 선행되어야 할 것이다.
5. 정보조사의 기대효과
미세조류를 이용한 바이오에너지 생산 기술의 수요기반정보조사 사업의 결과는 국제적 우위를 점할 수 있는 국내에서의 바이오에너지(바이오 연료) 생산 기술 방향을 제시하고 국내에서의 상용화 뿐만 아니라, 바이오에너지 기술의 해외사업을 도모하기 위한 가능성을 제시한기 위한 참고자료로 기대된다. 조류를 이용한 바이오에너지 생산 기술이, 단순히 화석에너지 사용의 의존도를 탈피하기 의한 기술적 접근보다, 타산업계의 동반 성장을 위한 시너지 효과를 제공하고, 에너지 및 바이오테크놀러지 산업계 등에서 고용시장을 증대시키기 위한 유망한 녹색 기술의(green technology)의 한 분야로서 국내에서 지속적으로 발전되어지기 위하여 기대되어진다.
목 차│Contents
제1장 서론 01
1.1 사업의 배경 및 필요성
1.2 사업의 목적
1.3 사업의 범위 및 내용
1.4 사업의 기대효과
제2장 해외 기술개발 현황 05
2.1 바이오 에너지 자원개발의 당위성 및 에너지 전망
2.2 미세조류 유래 바이오 연료의 배경
2.3 미세조류 바이오 연료의 가치
2.4 미세조류 유래 바이오 연료의 상업화를 잠재력
2.5 미세조류 유래 바이오 연료의 연구개발 동향
제3장 사업 내용 19
3.1 미세조류 바이오 메스의 생산 기술
3.1.1 광독립영양적 생산
3.1.2 종속영양적 생산
3.1.3 혼합영양적 생산
3.1.4 미세조류 생산과 바이오 연료 생산성 요소
3.2. 미세조류 생산에서 부가 공정
3.2.1 미세 조류를 이용한 이산화탄소 제거공정
3.3 미세조류의 회수 및 분리 기술
3.3.1 회수방법
3.3.2 미세조류 바이오 메스의 추출과 정제
3.4 바이오 연료를 생산하는 미세 조류 균주 개발
3.5 미세조류 이용 바이오 연료 전환 기술
3.5.1 열화학적 전환에 의한 제품
3.5.2 생화학적 전환에 의한 제품
3.5.3 미세조류 추출물의 기타 응용
3.6. 조류이용 바이오 연료의 기술 개발 사례
3.6.1 바이오 디젤 및 관련 생산물의 기술개발
3.6.2 바이오 알콜 및 관련 생산물의 기술개발
3.6.3 바이오 수소 생산의 기술개발 사례
제4장 조류 바이오 연료의, 타당성, 지속가능성, 국내에서의 전략 및 전망 75
4.1 미세조류 기반 바이오 연료의 타당성 평가
4.2 미세조류 바이오 연료의 지속가능성 평가
4.3 국내에서 기술개발 범위의 제안 및 기술 경쟁성을 위한 전략
4.3.1 균주 탐색 및 개량에 대한 기술 경쟁성을 위한 한국의 전략
4.3.2 미세조류 기반 바이오 연료 공정개발에 대한 기술 경쟁성을 위한 한국의 전략
4.3.3 추진되어지기 위한 미세조류 이용 바이오 연료생산의 기술분야
참고문헌 85
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