연료 에탄올

바이오에탄올이라고도 불리는 연료에탄올은 생물학적 가공을 통해 얻은 에탄올을 말한다. 오늘날 에탄올의 95%는 바이오에탄올이고 단지 5%만이 원유, 천연가스, 석탄에서 생산됩니다. 현재 에탄올 생산은 주로 전분(주로 옥수수, 카사바 등의 식량작물)과 설탕(사탕수수, 사탕무 등)을 발효원료로 사용하여 에탄올을 생산하는 기술이다. 에탄올을 생산하기 위한 곡물 발효의 산업적 적용은 제한적이며 식량이나 토지를 놓고 사람과 경쟁하는 등의 단점이 있으므로 새로운 원료를 찾는 것이 필수적이다.

셀룰로오스는 지구상에서 가장 풍부한 재생자원으로 연간 총 생산량이 1500×108t에 달하는 것으로 추정되며, 이는 막대한 바이오매스 에너지를 담고 있다. 우리나라의 농작물 짚(예: 볏짚, 밀짚 등)의 연간 생산량은 약 7×108t(표준 석탄 5×108t에 해당)에 달합니다. 셀룰로오스는 다당류 물질입니다. 각 셀룰로오스 거대분자는 n개의 포도당 잔기(무수글루코스)로 구성되며, 이는 1-4개의 글리코시드 결합(산소 다리)으로 서로 연결됩니다. 그림 16.1과 같습니다.

그림 16.1 셀룰로오스의 구조 모식도

셀룰로오스는 상온에서 가수분해되지 않으며, 고온에서도 가수분해 속도가 매우 느립니다. 촉매의 작용 하에서만 셀룰로오스의 가수분해 반응이 크게 진행될 수 있습니다. 일반적으로 사용되는 촉매는 무기산 또는 셀룰라아제입니다. 셀룰라아제는 바이오에탄올 전환 과정에서 매우 중요한 역할을 하며, 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스를 포도당으로 가수분해하여 에탄올로 전환할 수 있는 풍부한 기질을 제공합니다. 효모와 자연의 일부 박테리아는 혐기성 조건에서 포도당을 발효하여 에탄올을 생산할 수 있습니다. 그 중 셀룰라아제 가수분해 방정식은 다음과 같다(Mou Xiaohong, 2009):

Trichoderma Biology

셀룰라아제를 사용하여 천연 셀룰로오스를 포도당으로 분해하는 과정에서는 섬유질에 의존해야 합니다. 셀룰로오스 효소의 세 가지 구성 요소가 함께 작용하여 과정을 완료합니다. 즉, 셀룰로오스 고분자인 첫 번째 엔도-β-글루카나제(EC3.2.1.4, Cx 효소, CMC 효소, EG라고도 알려져 있음)와 엑소-β-글루카나제입니다. β-글루카나아제(EC3.2.1.91, Cl 효소, 셀로비오하이드롤라아제 또는 CBH라고도 함)는 셀로비오스를 분해하고, 이는 셀로비아제(EC3.2.1.21, β-글루코시다아제 또는 CB라고도 함)에 의해 셀로비오스로 더 분해됩니다. ) 포도당을 생성합니다.

현재 국내외 식물셀룰로오스로부터 연료에탄올을 생산하는 다양한 공정 중 크게 4가지 당화발효 공정, 즉 단계적 당화발효(SHF)와 동시당화발효(SSF)가 있다. ). ), 동시 당화 및 발효(SSCF) 및 복합 바이오프로세싱(CBP). SSCF 공정은 동일한 발효조에서 셀룰라아제 가수분해와 C5당 및 C6당의 발효를 동시에 수행할 수 있습니다. 이 공정은 셀룰라아제에 대한 포도당의 피드백 억제 효과를 완화하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 장비 투자를 절약할 뿐만 아니라 발효액 내 에탄올에도 도움이 됩니다. 알코올의 축적은 발효액의 최종 에탄올 농도를 높이고, 에탄올 회수 장치에서 에탄올 증류의 에너지 소비를 줄이며, 생산 비용을 크게 절감합니다. 셀룰로오스로부터 바이오에탄올을 생산하기 위한 동시 당화 및 발효 공정의 다이어그램은 그림 16.2에 나와 있습니다(Carlos Sáez, 2000).

많은 미생물이 셀룰라아제를 생산하는데, 셀룰로오스를 가수분해하는 데 가장 적합한 효소는 트리코더마(Trichoderma)에서 나옵니다. T.reesei는 세계에서 가장 널리 연구되고 사용되는 셀룰라제 산업용 미생물입니다. 그 장점은 효소 시스템이 높은 셀룰라제 활성을 가지며, 효소 시스템에 포함된 단백질 중 60개 이상이 엑소뉴클레아제(Exonuclease)입니다. (CBH)는 결정성 셀룰로오스를 분해하는 강력한 능력을 가지고 있습니다.

그림 16.2 셀룰로오스 원료로부터 에탄올 생산의 개략도

1998년 난징임업대학교는 헤이룽장성에 완전한 식물 섬유 연료 에탄올 시험 생산 라인을 건설했습니다. 임업 식물 섬유 매일 5t (일일 에탄올 생산량은 0.8t).

공기 건조된 식물 섬유는 증기 폭발에 의해 전처리되었습니다. 셀룰라제 제조에 사용된 균주는 T.reesei 및 효모 NL05였습니다. 셀룰라제의 제조는 셀룰라제를 탄소원으로 사용하는 20m3 생물 반응기에서 수행되었습니다. 일정한 교반 속도와 환기량으로 합성됩니다. 효소 생산 사이클이 완료된 후, 효소액을 사용하여 남은 증기 주입 물질을 가수분해합니다. 식물섬유의 효소적 가수분해는 2개의 32m3 반응기에서 매일 진행되며, 증기주입재료의 10%는 매일 셀룰라제 제조에 사용되고, 나머지 90%는 생성된 셀룰라제에 의해 효소적으로 가수분해된다. 효소가수분해온도는 (50±1)℃이고, 효소가수분해 초기 pH값은 4.80이다. 오탄당 육탄당 동시 에탄올 발효 균주는 피치아 파스토리스 NL02이며, 효소 가수분해물의 에탄올 발효는 5m3 발효조에서 진행된다. 식물섬유 증기분무재료가 셀룰라제의 작용으로 단당류로 분해된 후, 프레스 여과 및 세척을 통해 특정 농도의 가수분해된 설탕 용액이 얻어지며, 가수분해된 설탕 용액 중의 오탄당과 육탄당은 제한된 산소 공급 하에서 효모에 의해 동기화됩니다. 조건에서 에탄올로 발효됩니다.

미국 에너지부는 노보자임스와 협력해 셀룰로오스 가수분해효소 개발에 3,000만 달러를 투자해 옥수수대를 효소적으로 가수분해해 설탕으로 만든 뒤 이를 발효시켜 에탄올을 생산하는 연구도 진행 중이다. 연간 가공 옥수수 공장을 건설하기 위한 DOE 200t의 짚과 6900gal의 연료 에탄올을 사용하는 파일럿 공장의 생산 기술은 다음 단계로 나누어집니다. 먼저 옥수수 짚을 분쇄하고 1.1 황산으로 전처리한 다음 Trichoderma 셀룰라제를 첨가합니다. 셀룰로오스 90을 포도당으로 전환하기 위해 36시간 동안 당화시키는 단계; 시럽을 41°C로 냉각시키고 계속 발효시켜 7.5 농도의 에탄올을 증류 분자체로 흡착 및 탈수시켜 99.5 에탄올을 생성시키고, 폐기물을 생성시킨다. 잔여물은 건조되어 연료로 사용됩니다.

또한 Stevenson et al.(2002)은 Trichoderma를 이용하여 셀룰로오스를 직접 발효시켜 에탄올을 생산하는 방법을 보고하였고, 이는 Trichoderma 발효 경로를 더욱 확장시켜 에탄올을 생산하게 하였다. 그들은 소똥에서 Trichoderma A10 균주를 분리했습니다. 이 균주는 혐기성 조건에서 셀룰로오스 또는 설탕 물질을 직접 에탄올로 전환할 수 있습니다. 이는 셀룰로오스 함량이 50g/L인 MM 배지에서 혐기적으로 배양되었습니다. 배양조건을 최적화하여 단계적 전배양 및 심부혐기배양 후 에탄올 수율은 2g/L에 도달할 수 있습니다. , 에탄올의 수율이 가장 낮습니다.