초록 ▼

핵심기술
○ 국내 토착 합성가스 발효 균주의 확보
○ 합성가스 발효 혐기성 미생물의 Wood-Ljungdahl경로 관여 유전자 제어기술
○ 바이오매스와 가연성 폐기물의 혼합가스화를 위한 하향식 가스화장치 및 합성가스 정제기술
최종목표
바이오매스나 가연성 폐기물로부터 생산되는 합성가스를 기질로 하는 미생물을 활용하여 바이오에탄올 생산 기술에 필요한 원천 요소기술의 개발
개발내용 및 결과
1) 기술경쟁력 확보를 위한 합성가스 발효균주의 개발
· 국내 토착 합성가스 발효 균주를 탐색·분리에 성공

핵심기술
○ 국내 토착 합성가스 발효 균주의 확보
○ 합성가스 발효 혐기성 미생물의 Wood-Ljungdahl경로 관여 유전자 제어기술
○ 바이오매스와 가연성 폐기물의 혼합가스화를 위한 하향식 가스화장치 및 합성가스 정제기술
최종목표
바이오매스나 가연성 폐기물로부터 생산되는 합성가스를 기질로 하는 미생물을 활용하여 바이오에탄올 생산 기술에 필요한 원천 요소기술의 개발
개발내용 및 결과
1) 기술경쟁력 확보를 위한 합성가스 발효균주의 개발
· 국내 토착 합성가스 발효 균주를 탐색·분리에 성공하여 등록
· 아세트산 생성 기능을 억제시키기 위한 knock-out 시스템 을 도입하여 형질전환 균주를 성공적으로 개발
· 에탄올 생성 기능을 과발현 시키기 위한 over-expression 균주의 개발
2) 에탄올 생성대사 경로의 해석
· 탄소동위원소비 분석을 통한 일산화탄소 흡수 및 생성 효율을 평가
· Wood-Ljungdahl경로 및 관여 유전자 단편 분리 및 해석
3) 합성가스 발효를 위한 배지 및 운전 조건의 평가
· 배지의 pH 등 주요 인자에 따른 발효 효율 평가
· 압력 등 운전 조건 등의 영향 평가
4) 바이오매스 및 가연성 폐기물 가스화
· 다양한 종류의 하향식 가스화장치의 제작 및 운전
· 제한된 부존 자원량을 고려한 폐기물 혼합 가스화 기술 확보
· PE 및 RDF의 혼합 가스화 운전 조건 확립
5) 합성가스를 기체기질로 공급하기 위한 가스 정제기술 개발
· 가스정제를 위한 단위 설비의 제작 및 운전
· 가스정제 설비 공정 확립
· 가스 흡인과 정제를 일체화한 수봉식 진공펌프 기반 정제
설비 개발
6) 합성가스 발효를 위한 생물반응조 설계 기술개발
· 합성가스 물질전달효율 평가
· 멤브레인 활용 생물반응조의 설계와 운전
기술개발배경
○ 기술적 측면
· 당 기반 바이오에탄올 생산기술에 비해 거의 모든 바이오매스 및 가연성 폐기물을 원료를 에탄올 생산이 이용이 가능함
· 합성가스로부터 에탄올을 생산하는 화학적 공정에 비해 반응이 상온에서 이루어지고 합성가스 조성비에 대한 조건이 상대적으로 용이함
· 기존의 합성가스 발효 균주는 미국과 독일에서 개발된 것으로 상용화를 위해서는 어려움이 많음
· 합성가스 발효에 의한 유기산 및 연료 생산기술 개발은 비교적 최근에 추진되고 있으며, 국내 생명공학과 연계하여 낮은 생산성을 극복할 필요가 있음
○ 산업·경제적 측면
· 바이오에너지 분야는 고용창출효과가 대단히 높음
· 화석연료가 생산되지 않는 우리나라에서 수송용연료로서 바이오 에탄올을 생산·공급한다는 측면에서 큰 의의
· 폐기물의 자원화가 다양하게 이루어지고 있으나, 열과 전기를 생산하는데서 벗어나 바이오연료를 생산함으로써 파급효과가 큼
· 제한적으로나마 석유 수입대체효과를 기대할 수 있음
○ 정책적 측면
· 기후변화에 대처하기 위한 온실가스 감축방안의 노력으로서, 미래를 적극적으로 준비할 수 있음
· 의무감축량이 할당된 시점에서 본 연구와 관련된 기술의 수요는 크게 증가할 것으로 예상됨
· 단기적으로는 바이오매스와 가연성폐기물의 혼합 가스화를 통해 열/전기의 생산, 중장기적으로는 열병합과 연계한 바이오에탄올 생산이 가능하므로 사업화 및 정책 추진에 유리 핵심개발기술의 의의
○ 해외 합성가스 발효 미생물에 대응한 국내 토착 균주의 확보
○ 에탄올을 생산하는 ljungdahl경로에 관여하는 유전자 제어기술을 확보하여, 추후 부탄올 등 다양한 생성물 생산이 가능한 합성가스 발효 균주를 개발할 수 있는 원천 기술을 확보
○ 아세트산 생성억제와 에탄올 생산능이 과발현된 형질 전환체를 각각 개발하였음
○ 바이오매스와 가연성 폐기물 가스화를 위한 장치를 개발하고, 가스화장치 운전 know-how를 확보하여 국내 가용 자원 특성을 고려한 합성가스 생산 기술 확보
○ 합성가스를 기질로 하는 생물반응조 설계 기술을 확보
적용분야
○ 하향식 가스화장치를 독립적으로 운용하여 열병합 또는 발전시설로의 보급이 가능
○ 폐비닐 등 가연성 폐기물로부터 단순 소각에 의한 에너지 회수가 아닌 에너지 밀도가 상대적으로 높은 바이오연료를 생산
○ 합성가스 발효 뿐만 아니라 다양한 유용 혐기성 미생물의 형질전환체 생산에 도입

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 3
• <기술개발사업 주요 연구성과> ... 11
• 목차 ... 16
• 표목차 ... 20
• 그림목차 ... 22
• 제 1 장 서론 ... 29
• 제 1 절 개발기술의 중요성 및 필요성 ... 29
• 1. 기술적 측면 ... 29
• 2. 산업경제적 측면 ... 31
• 3. 정책적 측면 ... 34
• 제 2 절 국내·외 관련 기술의 현황 ... 35
• 1. 바이오매스 가스화 및 합성가스 정제기술 ... 35
• 가) 가스화 장치 ... 35
• 1) 국내 현황 ... 35
• 2) 국외 현황 ... 36
• 나) 합성가스 정제 ... 37
• 2. 합성가스 발효 미생물 ... 49
• 가) 국내기술현황 ... 49
• 나) 국외기술현황 ... 50
• 1) 합성가스 발효 미생물에 관한 연구 ... 50
• 2) 합성가스 발효 미생물을 이용한 에탄올 상용화 기술 현황 ... 50
• 3. 유전공학을 이용한 혐기성미생물의 개량 ... 52
• 4. 합성가스 발효조 및 공정제어 ... 54
• 가) 국내 기술 현황 ... 54
• 나) 국외 기술 현황 ... 55
• 제 3 절 기술개발 시 예상되는 기술적·경제적 파급 효과 ... 55
• 1. 기술적 측면 ... 55
• 2. 산업경제적 측면 ... 56
• 3. 정책적 측면 ... 57
• 제 2 장 기술개발 내용 및 방법 ... 58
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 58
• 1. 최종 목표 ... 58
• 2. 평가 방법 ... 59
• 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 59
• 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 60
• 1. 1차년도 연구개발 내용 및 범위 ... 60
• 2. 2차년도 연구개발 내용 및 범위 ... 60
• 3. 3차년도 연구개발 내용 및 범위 ... 61
• 제 3 장 결과 및 사업화 계획 ... 63
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 63
• 1. 합성가스 생산기술 개발 ... 63
• 가. 하향식 가스화 장치 개발 및 운전 ... 63
• 1) 하향식 가스화 장치 설계 및 제작 ... 63
• 2) 하향식 가스화 장치의 운전 ... 64
• 3) 요약 및 결론 ... 73
• 나. 바이오매스와 가연성 폐기물의 혼합 가스화 ... 74
• 1) 목질계 바이오매스의 단독 가스화 ... 76
• 2) RDF 혼합 가스화 ... 80
• 3) 폐비닐 펠렛 혼합 가스화 ... 83
• 4) 요약 및 결론 ... 87
• 다. 합성가스 조성에 따른 미생물의 영향 ... 87
• 1) 합성가스의 성분 조성 ... 87
• 2) 타르 ... 90
• 3) NO의 영향 ... 90
• 4) NH3의 영향 ... 91
• 5) 합성가스 조성에 따른 영향 ... 92
• 6) 요약 및 결론 ... 92
• 라. 합성가스 정제설비 및 운전 ... 92
• 1) 분진 제거 및 냉각 ... 92
• 2) 타르 제거 ... 94
• 3) 수봉식 진공펌프를 이용한 가스 정제 ... 95
• 4) 요약 및 결론 ... 99
• 마. 회전원판형 합성가스 발효조의 개발 ... 99
• 1) 회전원판형 발효조의 원리 및 구조 ... 99
• 2) 회전원판형 발효조를 이용한 미생물 배양 ... 101
• 3) 요약 및 결론 ... 102
• 사. 합성가스를 이용한 메탄 가스 생산 ... 102
• 1) 혐기성 소화액의 활용성 검토 ... 102
• 2) 합성가스를 이용한 메탄가스 생산 ... 104
• 3) 요약 및 결론 ... 106
• 2. 합성가스 발효 우수 미생물의 개발 ... 107
• 가. 합성가스를 기질로 하는 발효미생물에 대한 연구 및 기술동향 ... 107
• 나. 합성가스 발효미생물 확보를 위한 배지제조 및 미생물 배양 혐기조작기술 확립 ... 116
• 1) 합성가스 발효미생물 배양을 위한 배지조성 및 배지 제조 방법 ... 116
• 다. 합성가스 발효미생물 확보 ... 119
• 1) 합성가스 발효세균 농화과정의 고찰 ... 120
• 2) 연속적 계대배양을 통한 농화 배양체의 CO 발효능 제고 ... 125
• 3) 연속적 계대배양을 통한 농화 배양체의 ethanol 발효능 제고 ... 126
• 4) CO 발효미생물이 농화되는 과정 중 일어나는 군집구조 변화상 ... 129
• 5) 계대배양체의 CO 발효에 압력 및 pH가 미치는 영향 ... 135
• 6) 계대배양체로부터의 단일 균주 분리 ... 137
• 라. 분리균주 SG02의 합성가스 발효 특성 분석 ... 143
• 1) 성장 기질의 영향 ... 143
• 2) Yeast extract가 SG02의 합성가스 발효에 미치는 영향 ... 146
• 3) 배지의 initial pH가 SG02 균주에 미치는 영향 ... 150
• 4) 배지의 buffering capacity가 SG02의 CO 발효에 미치는 영향 ... 154
• 3. 탄소동위원소비를 이용한 발효과정의 탄소경로 해석 ... 159
• 가. 탄소동위원소비 분석을 위한 분리 방법 ... 159
• 나. 분석 방법 ... 160
• 1) 혐기성 미생물 배양(Batch incubation) ... 161
• 2) 배양액 중 미생물 분리 방법 ... 161
• 3) 배양액 중 에탄올 및 아세테이트 순수 분리하기 ... 161
• 다. 탄소동위원소비 분석에 의한 경로 해석 ... 163
• 1) 탄소동위원소비 분석 개요 ... 163
• 2) 분석 및 평가 방법 ... 173
• 3) 결과 및 고찰 ... 178
• 4) 요약 및 결론 ... 189
• 4. 유전공학을 이용한 합성가스 발효 미생물의 개량 ... 192
• 가. Clostridium ljungdahlii의 Ethanol 및 Acetate 생산을 위한 배양조건 ... 192
• 1) 개요 ... 192
• 2) 재료 및 방법 ... 193
• 3) 결과 및 고찰 ... 195
• 나. C. ljungdahlii에서 Acetate kinase 유전자 knock-out system 개발 및 에탄올 생산성 향상 ... 200
• 1) 개요 ... 200
• 2) 재료 및 방법 ... 201
• 3) 결과 및 고찰 ... 206
• 다. Clostridium ljungdahlii에서 Acetaldehyde dehydrogenase유전자의 과발현에 의한 에탄올 생산성 향상 ... 218
• 1) 개요 ... 218
• 2) 재료 및 방법 ... 220
• 3) 결과 및 고찰 ... 223
• 5. 합성가스의 물질전달속도/미생물반응속도 분석 ... 233
• 가. 기체기질로부터 생산물 반응의 화학양론적 분석 ... 233
• 나. 미생물 균주의 에탄올 생성반응 ... 234
• 다. C. ljungdahlii 배양에서 생장, 기질소모, 생성물 생산의 반응속도론적 고찰 ... 235
• 1) C. ljungdahlii 생장의 반응속도론적 고찰 ... 235
• 2) C. ljungdahlii에 의한 CO기질 소모의 반응속도론적 고찰 ... 236
• 3) C. ljungdahlii에 의한 에탄올 및 아세테이트 생산 반응 속도론적 고찰 ... 237
• 라. 기-액 물질전달 속도와 생물반응속도를 고려한 생물반응기 형태 선정 ... 239
• 1) 기-액 물질전달 향상을 위한 gas 공급장치 및 교반기 설계 ... 239
• 2) Impeller 형태가 기-액 물질전달에 미치는 영향 분석 ... 243
• 3) 교반속도가 기-액 물질전달에 미치는 영향 ... 244
• 6. 생물반응조 설계 및 제작 ... 247
• 가. 물질전달속도와 생물반응속도를 고려한 생물반응기 설계 ... 247
• 1) 물질전달속도 최대화를 위한 생물반응기 설계 ... 247
• 2) 물질전달속도와 생물반응속도를 고려한 생물반응기 설계 ... 249
• 나. 생물반응기 운전전략에 따른 균주생장을 위한 최적조건 및 에탄올생산을 위한 최적조건 결정 ... 251
• 1) 배지 조건에 따른 균주생장 및 에탄올생산수율 비교 ... 251
• 2) Hollow fiber membrane reactor 성능 검사 및 운전조건 결정 ... 256
• 3) pH에 따른 미생물 생장 및 에탄올 생산 비교 ... 258
• 4) 압력에 따른 미생물 생장 및 에탄올 생산 비교 ... 265
• 7. 에탄올 증류/농축공정의 최적화 ... 268
• 가. 에탄올 분리공정 설계 ... 268
• 1) Pervaporation을 이용한 액-액 분리공정 설계 ... 268
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 272
• 제 3 절 시장 현황 및 사업화 전망 ... 273
• 1. 연구개발 사업성과의 사업화 가능성 ... 273
• 2. 시장규모 ... 274
• 가. 주 시장 ... 274
• 나. 시장규모 ... 274
• 참고문헌 ... 276