보고서 정보
주관연구기관 |
한국바이오연구조합 |
연구책임자 |
이희종
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2015-05 |
과제시작연도 |
2014 |
주관부처 |
산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
등록번호 |
TRKO201600017788 |
과제고유번호 |
1415134714 |
사업명 |
바이오의료기기산업핵심기술개발사업 |
DB 구축일자 |
2017-09-20
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키워드 |
2.3-부탄다이올.바이오매스.발효.분리정제.생산성.균주개발.1.3-부타디엔.탈수반응.
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초록
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최종목표
□ 바이오화학공정을 이용한 2,3-BDO 및 유도체 생산
◦ 2,3-BDO 생산용 균주 개발(2,3-BDO 100 g/L 이상)
◦ 2,3-BDO 생산을 위한 발효 및 분리 등 생물학적 공정개발
(생산성 2.5 g/L/h, in-situ 회수율 90% 이상, 정제 순도 95% 이상)
◦ 2,3-BDO 유도체 생산을 위한 화학 촉매 공정개발(수율 80% 이상)
개발내용 및 결과
□ 2,3-BDO 생산용 균주발굴 및 대사회로 최적화 기술개발 (서강대)
◦ 2,3-BDO 생산용
최종목표
□ 바이오화학공정을 이용한 2,3-BDO 및 유도체 생산
◦ 2,3-BDO 생산용 균주 개발(2,3-BDO 100 g/L 이상)
◦ 2,3-BDO 생산을 위한 발효 및 분리 등 생물학적 공정개발
(생산성 2.5 g/L/h, in-situ 회수율 90% 이상, 정제 순도 95% 이상)
◦ 2,3-BDO 유도체 생산을 위한 화학 촉매 공정개발(수율 80% 이상)
개발내용 및 결과
□ 2,3-BDO 생산용 균주발굴 및 대사회로 최적화 기술개발 (서강대)
◦ 2,3-BDO 생산용 신규 균주 2종 발굴 및 유전체/전사체 분석을 바탕으로 개량한 결과 2,3-BDO 생산량 142.5g/L, 생산성2.5g/l/h, 생산수율 0.46g/g 달성
◦ 기존 2,3-BDO 생산 균주들을 유전체/전사체 분석을 바탕으로 대사회로를 최적화하여 2,3-BDO 생산량 101.4g/L, 생산성2.54g/l/h, 생산수율 0.47g/g 달성
◦ 2,3-BDO 생산 균주의 배양 조건 최적화 및 산업용 바이오매스를 이용한 배양을 통해 산업용 균주로서의 활용 가능성 확인.
폐글리세롤을 탄소원으로 2,3-BDO 생산량 131.5g/L, 생산수율 0.44g/g 달성
◦ (2R,3R)-2,3-BDO, (2S,3S)-2,3-BDO 생산이 가능하도록 균주를 개량하고 고수율 생산 가능성을 확인함
◦ 신규 균주 및 개량 균주들의 병원성을 확인하고, 관련된 유전자들의 제거 및 동물실험을 통한 검증으로 비병원성 균주를 확보함
◦ 논문 29건 게재, 2건 게재 확정
◦ 특허 국내 출원 5건, 등록 10건, 해외 출원 2건
□ 고효율 2,3-BDO 생산을 위한 발효 및 분리공정 개발 (GS칼텍스)
◦ 2,3-BDO 생산 균주 탐색 및 선정 (2종)- Klebsiella Oxytoca, Klebsiella Pneumoniae
◦ 사용 가능 탄소원 탐색 및 최적화 : 전분질계, 섬유소계 바이오매스
◦ 2,3-BDO 생합성 경로 탐색
◦ 최적 발효 조건 탐색 : 상용배지 개발 및 최적화
◦ 분리/정제 공정 screening을 위한 Feasibility test
◦ Lab. scale 분리/정제 조업 조건 최적화 및 Pilot scale-up
◦ Pilot 운전을 통한 고순도 2,3-BDO 정제 기술 확보
□ 2,3-BDO 유도체 생산용 고효율 촉매공정 및 제품 개발 (화학연)
◦ 바이오 2,3-BDO로부터 2,3-BDO유도체(부타디엔, 부탄온, 디메틸옥시란 및 레진) 생산 화학촉매 기술 확보(2,3-BDO유도체 수율 80% 이상, 2,3-BDO유도체 선택도 90% 이상, 촉매 수명 300시간 이상)
◦ 실증 공정용 펠렛형 공업촉매 생산기술 확보(5kg/batch)
◦ 반응물 기준 1 ton/year 이상 실증공정 운전 결과에 근거한 100,000ton/year 규모의 Demo plant의 기본 설계기술 완성
기술개발 배경
◦ 국제사회는 지구 환경보호를 위해 온난화의 주범인 화석원료의 사용을 저감하려는 노력을 기울이고 있으며, 이에 따라 화석원료를 기반으로 제조된 화학제품에 대하여 탄소세 등 각종 규제를 강화하고 있음. 향후에는 온실가스발자국이 큰 제품에 대한 환경무역장벽이 예상됨에 따라, 온실가스 발생을 획기적으로 저감하면서 화학제품을 생산하는 기술의 확보가 국가경쟁력을 결정할 것임.
◦ 다양한 산업적 가치를 지닌 플랫폼용 화학물질인 2,3-부탄다이올 생산 및 활용을 위한 바이오화학산업 공정개발을 통하여 기존의 석유기반 화학공정을 대체하고 온실가스 및 폐기물 발생을 저감하는 친환경적 기술을 개발하고 이를 산업화하기 위한 핵심 요소기술 확보가 필요함.
◦ 2,3-BDO를 고효율 저비용으로 생산하고 이를 효율적으로 1,3-butadiene 등으로 전환하는 바이오화학 하이브리드 공정기술을 개발함으로써 저탄소 녹색성장을 추구하는 성장동력의 기반을 확립할 수 있음.
◦ 최근 중동지역에서 에틸렌 분해설비 증설과 세일가스 생산에 따른 납사분해설비의 채산성 악화로 인해 가동률이 감소될 것이므로, 이로 인해 2,3-BDO 유도체인 부타디엔의 수급에 큰 차질이 예상됨. 따라서 이러한 문제를 타개하기 위해 부타디엔 생산의 원료물질에서 납사 의존도를 줄이기 위해 석유 대체자원(천연가스, 석탄, 바이오매스)으로부터 부타디엔을 제조하는 연구개발이 시급함.
◦ 바이오화학산업에서 원천기술을 확보하여 앞으로 도래할 바이오경제 시대에 성장동력화하기 위해 기술로드맵을 만드는 등 정부차원의 노력을 기울이고 있음.
핵심개발 기술의 의의
◦ 2,3-BDO을 포함하는 C-Zero 하이드로카본 생산기술은 바이오리파이너리 기술의 원천기술 개발 확보 측면에서 중요한 기술이며, 2,3-BDO 생산 균주 개발, 저가 기질 이용 생산 기술 및 공정 확보, 유도체 전환 및 생산을 위한 촉매와 반응 공정의 최적화 등의 핵심 기술에 대한 개발이 완료 될 경우 2,3-BDO 생산 기술에 대한 상업화 및 시장 진입이 가능할 뿐만 아니라 이들 요소 기술을 기반으로 후속 바이오케미칼 상업화에 따른 신시장 창출 및 점유율 확대를 통하여 국가경쟁력을 강화할 수 있음
◦ 현재 화학 산업과 시장은 생물 유래 생물 소재 또는 바이오플라스틱을 별도 시장으로 인식하고 있기 때문에 시장의 성숙 정도에 따라 향후 대응책이 필요한 것으로 보이지만, 2,3-BDO의 여러 유도체 제품 중 하나인 부타디엔 (1,3-butadiene)은 BR (Butadiene Rubber), NBR(Nitrile-Butadiene Rubber), SBR (Styrene Butadiene Rubber) 등 합성 고무 시장의 성장에 따라 지속적으로 수요가 증가할 가능성이 높음.
◦ 부타디엔은 NCC (naphtha cracking center) 공정에서 에틸렌, 프로필렌과 동시에 생산되는 부산물 성격의 올레핀 (Olefin)으로 NCC 이외의 상업 공정은 존재하지 않지만, 중동의 에탄크래커 및 셰일가스 적용 확대에 따라 향후 NCC 공정의 경쟁력이 약화될 경우 부타디엔 수급이 불안정해질 가능성이 높으므로 부타디엔 생산을 위한 기술 개발을 확대해야 하며, 이를 위한 전구체로서 2,3-BDO의 중요성이 매우 높다고 할 수 있음.
◦ 본 과제를 통해 2,3-BDO 생산을 위한 Pilot 설비를 구축하여 기술검증에 활용하였고, 시간당 1ton/year 수준의 Bench 규모 2,3-BDO 유도체(부타디엔, 메틸에틸케톤, 부틸렌옥사이드) 합성 공정 기술을 개발함.
◦ 해외기술 의존 없이 100천톤 규모의 데모 플랜트 건설을 위한 Basic Package를 완성하였고, 해당 제품의 산업화 뿐만 아니라 응용연구를 통해 다양한 바이오화학 제품 개발에 영향을 줄 것으로 기대함.
적용 분야
◦ 2,3-BDO의 보습성, 항균성 등을 활용할 경우 퍼스널케어 제품의 용제로서 적용 가능하며, 바이오매스를 원료로 하는 생물 공정 기술 기반의 친환경 제품이므로 마케팅 및 시장 확대가 용이할 것임.
◦ 탈수, 탈수소, 에스테르화 등의 반응을 통하여 액체연료 첨가제(liquid fuel additive), 산업용제로 활용도가 높은 MEK(methyl ethyl ketone), 합성고무 제조에 사용되는 부타디엔(1,3-butadiene), 식품첨가제 및 향료물질로 사용되는 아세토인(acetoin)과 디아세틸(diacetyl), 열경화성 고분자 소재의 가소제, 화장품 및 의약품 제조에 사용되는 폴리우레탄의 전구체 등 다양한 용도로 사용 가능함.
◦ 바이오 부탄다이올 유도체(부타디엔, 메틸에틸케톤, 부틸렌옥사이드) 생산 및 바이오알콜(에탄올, 부탄올 등) 유도체 생산이 가능함.
◦ 1,4-BDO, 1,3-BDO 등 C4 Diols가 다양한 분야에서 널리 사용되고 있으므로 2,3-BDO의 물성을 활용한 신규 응용처 발굴 가능
(출처: 기술개발사업 최종보고서 초록)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 제 출 문 ... 3
- 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 5
- 기술개발사업 주요 연구성과 ... 15
- 목차 ... 27
- 제 1 장 서론 ... 29
- 제 1 절 과제의 개요 ... 29
- 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 36
- 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 36
- 제 2 절 연차별 목표 및 개발 내용 ... 39
- 제 3 절 수행 결과의 보안등급 ... 41
- 제 4 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 41
- 제 3 장 결과 및 사업화 계획 ... 42
- 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 42
- 1. 연구개발 추진 일정 ... 42
- 2. 연구개발 추진 실적 ... 51
- 3. 기술개발 결과의 유형 및 무형 성과 전체를 기재 ... 62
- 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 71
- 제 3 절 시장 현황 및 사업화 전망 ... 72
- 제 4 절 고용 창출 효과 ... 72
- 제 5 절 자체보안관리진단표 ... 73
- 부 록 ... 75
- 끝페이지 ... 134
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