초록 ▼

최종목표
○ 1세부 과제
- 경제성 있는 바이오 에탄올 상용화 설비 규모 (400,000 L/day) 설계를 위한 적정규모 바이오에탄올 Pilot Plant를 구축하여 엔지니어링 및 생산 공정 기술을 확립
○ 2세부 과제
- 물리/화학/생물 융합 전처리 기술개발을 위한 Plant Plant 구축 및 운전 (해조류 전처리 20L/day)
- 신규 해조류 당화효소 개발
- 화학적, 생물학적 촉매전환을 통한 중간체 생산기술 개발
- 해조류 혐기발효를 이용한 혼합유기산 생산기술 개발
개발내용 및

최종목표
○ 1세부 과제
- 경제성 있는 바이오 에탄올 상용화 설비 규모 (400,000 L/day) 설계를 위한 적정규모 바이오에탄올 Pilot Plant를 구축하여 엔지니어링 및 생산 공정 기술을 확립
○ 2세부 과제
- 물리/화학/생물 융합 전처리 기술개발을 위한 Plant Plant 구축 및 운전 (해조류 전처리 20L/day)
- 신규 해조류 당화효소 개발
- 화학적, 생물학적 촉매전환을 통한 중간체 생산기술 개발
- 해조류 혐기발효를 이용한 혼합유기산 생산기술 개발
개발내용 및 결과
○ 1세부과제
- 파일럿 플랜트 규모 기본설계(4,000 L/day) 및 설비구축완료
- HMF 5 g/L (목표 4 g/L) 내성 균주개량 및 장기간 발효능 150회 (목표 20회)
- 회분식 4톤, 연속식 2 톤/h 당화설비 도입 및 당화공정 최적화
- 혐기소화(회분식)를 통한 BMP(≥ 18.6 L/kg 원초)도출, 메탄생산성 2.6 L/L/d(목표 2.5 L/L/d)
- 식종량에 따른 저해물질 내성평가
- 상용화급 기본설계(400 KL/day) 엔지니어링 수행
○ 2세부과제
- 산/효소를 이용한 전처리 기술 개발 및 목표 당화수율 45% 이상 달성
- 해조류 슬러리 처리량 20 L/day 규모의 해조류 전처리 P/P 구축 및 운전 (당화 수율 45%, 이상 에탄올 발효수율 86% 달성)
- 신규효소 반응메카니즘 규명 및 AADC-electron mediator system 개발 및 이를 활용한 2-Butanone전환연구 수행 (목표전환율 70% 이상 달성)
- 발효조건 최적화 및 미생물 컨소시엄을 통한 혼합산 생산 목표수율 달성 (42% 이상, 생산성 1.41 g/L 이상)
- 30리터 발효기를 이용한 혼합유기산 생산 연속발효 실시 및 목표수율 달성 (생산수율 44.07 %, 생산성 1.69 g/L 달성)
기술개발 배경
○ 화석에너지 고갈과 기후변화 협약에 대비하여, 바이오에탄올, 바이오디젤 등의 바이오매스를 이용한 수송용 대체연료가 대안으로 인식되고 있으며, 기술 개발이 필요함.
○ 현재 에탄올 생산에 사용되는 1세대 에탄올 생산기술은 당질계혹은 전분질계 등 식용곡물로부터 생산되어, 에탄올 수요가 늘면 곡물가격과 연동되어 원료수급과 식량 안보에 직결되며 이를 해결하려는 대안으로 비식용작물(해조류)을 대상으로 한 차세대 에탄올 생산 기술이 전 세계적으로 활발하게 전개되고 있음.
○ 해조류는 기존의 식량자원과 경쟁하지 않고 식량자원의 수급에도 영향을 미치지 않으며, 대규모 육상 플랜테이션에 의한 환경파괴의 우려에서도 자유롭고, 성장성이 우수하며 넓은 가용 면적을 이용할 수 있는 장점이 있음.
○ 해조류를 이용한 차세대 바이오연료 생산 기술 개발을 통해 신시장 선점 및 에너지 안보 확보가 가능함
○ 해조류를 원료로 한 수송용 연료(바이오에탄올) 분야에서 국내 원천기술로부터 상용화를 위한 엔지니어링 기술 확보와 공정기술개발 확립
○ 실생산 단계에 적용하기 위한 최초의 파일럿플랜트 구축
핵심개발 기술의 의의
○ 탄소 중립적이기 때문에 저탄소 녹색성장에 기여하며, 생물 산업에 이용되어 생산기술 개발을 촉진할 수 있음. 또한, 국내 바이오에너지 산업의 새로운 부가가치 창출과 국제 경쟁력 제고에 기여 할 수 있음 1차 산업산물을 활용한 고부가가치 사업이며 원료의 생산 및 가공이 지방에서 이루어지므로 농어촌경제 활성화 및 지역균형발전에 이바지할 수 있음
○ 해조류를 원료로 하는 독자적인 기술로부터 상용설비 엔지니어링을 완성할 수 있는 인프라를 마련함.
○ 공정내 핵심기술(전처리, 당화공정) 부문에서의 시제품 제작과 운전결과를 토대로 독자적 기술 및 공정 노하우 확보
○ 원료에서부터 최종 생산품까지의 전체공정라인에 대한 일괄설비 및 기술공급을 가능케 하여 경쟁력을 확보함
적용 분야
수송용 연료(가솔린대체), 유기용매, 식∙의약품용 소재 등

목차 Contents

• 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 1
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 7
• 제 1세부과제 ... 16
• 제 출 문 ... 17
• 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 18
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 23
• 목 차 ... 31
• 표 목 차 ... 35
• 그 림 목 차 ... 36
• 제 1 장 서 론 ... 39
• 제 1 절 과제의 개요 ... 39
• 1. 개발기술의 중요성 ... 39
• 2. 연구개발의 필요성 ... 41
• 제 2 절 국내·외 관련 기술의 현황 ... 43
• 1. 국내외 기술현황 ... 43
• 가. 국내 기술 동향 및 수준 ... 43
• 나. 국외 기술 동향 및 수준 ... 44
• 1) 일반 현황 (일반 개요) ... 44
• 2) 미국 ... 45
• 3) 캐나다 ... 46
• 4) 브라질 ... 46
• 5) 일본 ... 46
• 6) EU ... 47
• 7) 목질계 파일럿플랜트 구축 사례 ... 48
• 다. 국내·외 바이오에탄올 시장 현황 및 전망 ... 49
• 1) 국내 바이오에탄올 시장 현황 및 전망 ... 49
• 가) 국내 바이오에탄올 시장현황 ... 49
• 나) 국내 바이오에탄올 시장전망 ... 50
• 2) 해외 바이오에탄올 시장 현황 및 전망 ... 51
• 가) 해외 바이오에탄올 시장현황 ... 51
• 나) 해외 바이오에탄올 시장전망 ... 53
• 라. 국내·외 바이오에탄올 생산플랜트 시장 현황 및 전망 ... 54
• 1) 국내 바이오에탄올 생산플랜트 시장현황 및 전망 ... 54
• 2) 해외 바이오에탄올 생산플랜트 시장 현황 및 전망 ... 54
• 제 3 절 기술개발 시 예상되는 기술적·경제적 파급 효과 ... 57
• 1. 산업·경제적 측면 ... 57
• 2. 정책적 측면 ... 57
• 3. 고용창출 측면 ... 58
• 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과 (기술개발 내용 및 방법) ... 60
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 60
• 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 61
• 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 62
• 1. 1차년도 ... 62
• 가. 개발목표 ... 62
• 나. 개발내용 및 개발범위 ... 62
• 2. 2차년도 ... 63
• 가. 개발목표 ... 63
• 나. 개발내용 및 개발범위 ... 63
• 3. 3차년도 ... 64
• 가. 개발목표 ... 64
• 나. 개발내용 및 개발범위 ... 64
• 제 4 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 66
• 제 3 장 결과 및 사업화 계획 ... 69
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 69
• 1. 1차년도 ... 72
• 가. 원료 선정 및 당화 ... 72
• 나. 실험방법 ... 73
• 다. 실험결과 ... 74
• 1) 증기 가압형 반응기(Autoclave) ... 74
• 가) 당화최적시간 ... 74
• 나) 산 촉매 농도 영향 ... 76
• 다) 입자 크기에 따른 당화효과 ... 76
• 2) 전기 직접 가열형 반응기 (30 L 1차 scale-up) ... 77
• 가) 당화최적시간 ... 78
• 나) 입자 크기에 따른 당화효과 ... 79
• 다) Scale-up에 따른 효과 ... 80
• 라. 발효 설비도입 (1단계 – 1차년도) ... 81
• 1) 설비 구성 ... 81
• 가) 재질 결정 ... 81
• 나) 발효설비 구성 및 사양 ... 81
• 다) 발효조 구성 및 운전조건 ... 82
• 마. Pilot Plant 설비 기본설계 ... 83
• 1) 기본개념도 (Basic Description) ... 83
• 2) 공정개요 (Process Description) ... 83
• 가) 원료 저장 및 분쇄 (Pretreatment) ... 83
• 나) 회분식 및 연속식 당화 (Saccharification) ... 84
• 다) 중화 (Neutralization) ... 84
• 라) 고액분리 (Decanting) ... 84
• 마) 발효 (Fermentation) ... 84
• 바) 증류 (Distillation) ... 85
• 사) 무수화 (Dehydration) ... 86
• 3) 기본설계 (Basic Engineering) ... 86
• 가) 유틸리티 계상 ... 87
• 나) PFD ... 89
• 바. 발효조건 검토 및 균주 개량 (I) ... 90
• 1) 발효조건 검토 ... 90
• 가) 실험방법 ... 90
• 나) 실험결과 ... 92
• 2) 균주개량 ... 101
• 가) 실험방법 ... 102
• 나) 실험결과 ... 103
• 사. 고효율 혐기성 소화공정 연구(Ⅰ) ... 105
• 2. 2차년도 ... 109
• 가. 100 L 회분식 당화기 설계 및 제작 ... 109
• 1) 최적 당화온도 및 시간 산출 ... 109
• 가) Gracilaria chorda ... 109
• 나) Eucheuma spinosum ... 110
• 나. 당화공정 설비 (2단계 – 2차년도) ... 112
• 1) 5 KL 회분식 당화기 ... 113
• 2) 연속식당화기 (Continuous Saccharification System) ... 113
• 다. 균주 개량 및 발효조건 검토(Ⅱ) ... 114
• 1) 균주개량 ... 115
• 가) 변이주의 5-HMF 내성 측정 ... 115
• 나) 변이주의 에탄올 생성능 측정 ... 115
• 2) 발효조건 최적화 (1차년도 계속) ... 117
• 가) 반복적인 회분 발효실험 ... 117
• 나) 반연속 발효실험(Semi-continuous fermentation) ... 118
• 다) 해조류 당화액을 이용한 발효실험 ... 121
• 라. 분쇄 및 저장설비 도입 (2단계 – 2차년도) ... 131
• 1) 해조류 분쇄 설비 ... 131
• 2) 중화 반응조 (Neutralization reactor) ... 132
• 3) 데칸터 (Decantor) ... 133
• 4) 연속 농축조 (Concentrator) ... 134
• 5) 저장조 (Storage Tank, 100 ton) ... 135
• 마. 유틸리티 및 공정배관 (Utillty) ... 136
• 1) 설비 ... 136
• 2) 배관 ... 137
• 바. 고효율 혐기성 소화공정 연구(Ⅱ) ... 138
• 1) Lab-scale 공정 고부하 운전 ... 138
• 가) 유입기질 ... 138
• 나) 실험 방법 ... 138
• 다) 분석 방법 ... 138
• 라) 5-HMF의 농도에 따른 영향 ... 139
• 2) 운전조건 별 pH, Biogas 조성 및 발생량, VFA거동파악 ... 140
• 3) Lab-scale 고율 혐기성 공정 최적화를 위한 반응기 수정 ... 140
• 3. 3 차년도 ... 142
• 가. 설비공정 검증 및 시운전 ... 142
• 1) 당화시스템 (회분 및 연속식 당화기) ... 142
• 가) 공정배관 및 연결라인 조정 ... 142
• 나) 회분식 당화기 설비시운전 및 안정화 ... 142
• 다) 연속식 당화기 설비 시운전 및 안정화 ... 142
• 2) 고액분리 (데칸터) ... 144
• 3) 발효 설비 (Fermentation Instrument) ... 144
• 가) 0.5 KL, 5 KL, 10 KL, 25 KL 멸균 및 이송 시험 ... 145
• 나) 탱크 용량별 멸균유지 시간 집계 ... 145
• 다) 탱크 용량별 이송 시간 집계 ... 147
• 4) 연속 농축조 ... 148
• 5) 5 KL 실증실험 ... 148
• 가) 당화 ... 148
• 나) 발효 ... 151
• 나. 에탄올 회수 및 무수화 설비 도입 ... 154
• 1) 회수(증류)시스템 ... 154
• 가) 증류 설비방식 ... 154
• 나) 증류설비 시운전 ... 156
• 2) 무수화 설비 ... 157
• 가) 무수화 설비방식 ... 157
• 나) 무수화 설비 시운전 ... 158
• 다. 기타 설비도입 (3단계 – 3차년도) ... 160
• 1) 혐기성 소화조 ... 160
• 2) Modified Finer ... 162
• 3) 운반 장구 (스키드로더, 지게차, 크레인) ... 163
• 가) 스키드 로더 및 지게차 ... 163
• 나) 크레인/호이스트 ... 164
• 4) 제어시스템 (HMI : Human Machine Interface, PLC : Programmble Logic Controller) ... 165
• 라. 상용화급 (400 KL/day) 기본설계 ... 166
• 1) 기본 설계 개요 ... 166
• 2) Work Scope ... 167
• 3) Material & Heat balance ... 168
• 4) P&ID ... 169
• 5) Utility consumption ... 170
• 마. 고효율 혐기성 소화공정 연구(Ⅲ) ... 171
• 1) 최대허용 유기물 부하량 ... 171
• 2) 유입기질의 저해물질 농도에 따른 메탄생성 특성 및 대응방안 ... 171
• 4. 해조류 바이오에탄올 파일럿 플랜트 구축 ... 174
• 가. 시제품 설비 도입현황 ... 175
• 나. 도입설비 목록 ... 176
• 다. Pilot Plant 구축 이력 ... 178
• 5. 해조류 안정적 원료 수급을 위한 기술개발 ... 179
• 가. 해외 양식현황 (필리핀) ... 179
• 1) 필요성 ... 179
• 2) 내용 ... 179
• 3) 해조류 양식 (필리핀 보홀주, 팔라완주) ... 179
• 4) 홍조류 시범양식 및 촉성양식 연구 결과 ... 179
• 5) 홍조류 촉성 양식 ... 180
• 나. 국내 홍조류(꼬시래기) 시범 양식 ... 180
• 1) 필요성 ... 181
• 2) 시범양식 내용 ... 181
• 3) 연구방법 및 결과 ... 181
• 다. 대량 생산을 위한 종묘 개발 ... 182
• 1) 필요성 ... 182
• 2) 개발 내용 ... 182
• 3) 결과 ... 182
• 6. 해조류 효소당화용 분해효소 개발 ... 183
• 가. 목적 및 필요성 ... 183
• 나. 연구내용 및 실험방법 ... 183
• 다. 주요결과 ... 187
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 190
• 제 3 절 시장 현황 및 사업화 전망 ... 191
• 제 4 절 고용 창출 효과 ... 194
• 제 5 절 자체보안관리진단표 ... 195
• 최종보고서 요약서 ... 196
• 제 2세부과제 ... 198
• 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 199
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 205
• 목 차 ... 210
• 제1장 서론 ... 211
• 제1절 개발기술의 중요성 및 필요성 ... 211
• 제2절 국내·외 관련 기술의 현황 ... 211
• 제3절 기술개발 시 예상되는 기술적·경제적 파급효과 ... 213
• 제2장 기술개발 내용 및 방법 ... 215
• 제1절 최종목표 및 평가방법 ... 215
• 제2절 1차년도 개발목표 및 개발내용 ... 216
• 제3절 수행결과의 보안등급 ... 223
• 제4절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리현황 ... 224
• 제3장 결과 및 사업화 계획 ... 225
• 제1절 연구개발 최종결과 ... 225
• 제2절 연구개발 추진 체계 ... 307
• 제3절 시장현황 및 사업화 전망 ... 308
• 제4절 고용 창출 효과 ... 308
• 제5절 자체보안관리진단표 ... 309
• 최종보고서 요약서 ... 311
• 끝페이지 ... 313