바이오 연료를 더 저렴하게 만들기 위해, 연구원들은 생산 공정에서 가장 비용이 많이 드는 두 단계인 단단한 식물 물질의 분해와 그 결과로 생성된 화학적 구성 요소를 최종 연료로 업그레이드하는 과정을 근본적으로 재설계하고 있습니다. 핵심 전략은 비용이 많이 들고 에너지 집약적인 물리적 및 화학적 방법을 보다 효율적이고 표적화된 생물학적 및 촉매적 해결책으로 대체하는 것입니다.
저렴한 바이오 연료의 주요 장벽은 원료 식물 재료의 비용이 아니라 그것을 분해하는 어려움입니다. 따라서 가장 중요한 연구 목표는 현재 가혹한 화학 물질과 높은 에너지 투입이 필요한 작업을 수행하기 위해 더 나은 효소와 미생물을 설계함으로써 이 "분해" 단계의 비용을 극적으로 줄이는 것입니다.
핵심 과제: 단단한 식물 분해
첨단 바이오 연료는 목재, 풀, 농업 폐기물과 같은 비식용 바이오매스로 만들어집니다. 리그노셀룰로스라고 불리는 이 물질은 자연적으로 분해에 저항하도록 설계된 단단한 구조를 가지고 있습니다. 이 저항을 극복하는 것이 첫 번째이자 가장 비용이 많이 드는 장애물입니다.
전처리 문제
효소가 셀룰로스의 귀중한 당에 접근하기 전에 단단한 리그노셀룰로스 구조를 열어야 합니다. 이를 전처리라고 합니다.
현재 방법은 종종 고온, 고압 및 가혹한 산 또는 염기를 사용합니다. 이러한 공정은 높은 에너지 소비와 부식 방지 반응기 필요성으로 인해 비용이 많이 듭니다.
연구원들은 셀룰로스를 더 낮은 온도에서 용해할 수 있는 이온성 액체라는 새로운 용매를 사용하거나 분해 과정을 자연적으로 시작하는 곰팡이를 사용하는 등 더 온화하고 저렴한 전처리 방법을 개발하고 있습니다.
효소의 높은 비용
전처리 후, 특수 효소를 사용하여 긴 셀룰로스 사슬을 연료로 발효될 수 있는 단순한 당으로 분해합니다.
이러한 효소는 반복적인 원자재 비용과 유사한 주요 운영 비용입니다. 주요 연구 목표는 생물 반응기 내부의 가혹한 조건에 대해 더 효과적이고, 더 빠르며, 더 탄력적인 효소를 발견하거나 설계하는 것입니다.
유전 공학을 통해 과학자들은 이러한 효소를 더 저렴하고 더 높은 활성으로 생산하도록 미생물을 변형하여 연료 갤런당 비용을 직접적으로 낮추고 있습니다.
리그닌으로부터 가치 창출
리그노셀룰로스에는 리그닌이라는 또 다른 주요 구성 요소가 포함되어 있습니다. 이 복잡한 고분자는 종종 폐기물로 취급되어 단순히 열을 위해 연소됩니다.
중요한 연구 영역은 리그닌 가치화—리그닌을 탄소 섬유, 플라스틱 또는 기타 산업용 화학 물질과 같은 귀중한 부산물로 전환하는 방법을 찾는 것입니다—입니다.
한때 폐기물이었던 것에서 두 번째 수익원을 창출함으로써 기본 바이오 연료 생산의 전반적인 비용을 상당히 줄일 수 있습니다.
업그레이드 공정 간소화
분해 후 생성된 당, 오일 또는 가스의 혼합물은 "업그레이드"되어 최종 연료가 되어야 합니다. 이것이 두 번째로 집중적인 연구 초점 영역입니다.
당에서 연료로
셀룰로스 에탄올 생산에서 목표는 당을 알코올로 발효시키는 것입니다. 그러나 리그노셀룰로스는 두 가지 주요 유형의 당(C5 및 C6)을 포함하며, 전통적으로 양조에 사용되는 효모는 한 가지 유형만 소비할 수 있습니다.
과학자들은 사용 가능한 모든 당을 효율적으로 발효시켜 시작 바이오매스로부터의 연료 수율을 최대화하고 공정 경제성을 개선하는 새로운 균주의 효모와 박테리아를 공학적으로 설계하고 있습니다.
더 나은 촉매 개발
재생 디젤 또는 지속 가능한 항공 연료와 같은 "드롭인" 탄화수소 연료를 생산하기 위해 중간 당 또는 바이오 오일은 촉매를 사용하여 업그레이드됩니다.
이러한 촉매는 종종 귀금속을 기반으로 하며 비쌀 수 있으며 바이오 오일의 불순물에 의해 비활성화되거나 "피독"될 수 있습니다. 연구는 지구상에 풍부한 금속으로 만들어진 더 저렴하고 더 강력한 촉매를 생성하여 효과를 잃지 않고 더 오래 작동할 수 있도록 하는 데 중점을 둡니다.
"성배": 통합 생물학적 공정
가장 진보된 연구 개념은 통합 생물학적 공정(CBP)입니다. 이는 모든 단계를 단일 반응기에서 수행할 수 있는 단일 "슈퍼 유기체" 또는 미생물 커뮤니티를 설계하는 것을 포함합니다.
이 미생물은 셀룰로스를 분해하기 위한 자체 효소를 생성한 다음 결과를 생성된 당을 즉시 바이오 연료로 발효시킬 것입니다. 분해와 업그레이드를 결합함으로써 CBP는 공정의 전체 단계를 제거하여 플랜트를 극적으로 단순화하고 자본 및 운영 비용을 절감할 수 있습니다.
상충 관계 이해
비용 절감 달성은 간단한 경로가 아니며 여러 상충되는 요소를 균형 잡는 것을 포함합니다.
원료 대 공정 비용
가장 저렴하고 가장 풍부한 바이오매스 공급원(예: 나무 조각, 옥수수 속대)은 종종 분해하기 가장 어렵고 비용이 많이 듭니다. 연구원들은 원자재의 낮은 비용과 필요한 기술의 높은 비용 사이에서 균형을 맞춰야 합니다.
수율 대 속도
일부 전환 경로는 매우 빠를 수 있지만 연료 수율이 낮을 수 있으며, 다른 경로는 높은 수율을 달성할 수 있지만 너무 오래 걸리거나 너무 많은 에너지가 필요할 수 있습니다. 최적의 해결책은 경제적으로 실행 가능하기 위해 모든 측면에서 "충분히 좋은" 공정입니다.
순도 대 견고성
발효를 위해 매우 순수한 당 흐름을 생성하는 것은 비용이 많이 듭니다. 대안적으로, "불순한" 중간체 혼합물을 처리할 수 있을 만큼 충분히 견고한 미생물이나 촉매를 개발하는 것은 절대적인 연료 수율이 약간 낮더라도 더 비용 효율적인 접근 방식이 될 수 있습니다.
귀하의 목표에 맞는 올바른 선택
연구의 초점은 바이오 연료 개발에 대한 다양한 전략적 목표에 맞게 조정될 수 있습니다.
- 단기 상업화에 중점을 둔 경우: 기존 효소 칵테일을 최적화하고 모든 당 유형을 보다 효율적으로 발효하도록 미생물을 공학적으로 설계하는 데 투자하십시오.
- 장기적인 파괴적인 비용 절감에 중점을 둔 경우: 통합 생물학적 공정 및 리그닌으로부터 고부가가치 부산물 생성에 대한 기본 연구를 우선시하십시오.
- 드롭인 탄화수소 연료 생산에 중점을 둔 경우: 바이오 오일 및 합성 가스 업그레이드를 위한 더 저렴하고 독성 방지 촉매 개발에 집중하십시오.
궁극적으로 첨단 바이오 연료를 경제적으로 경쟁력 있게 만드는 것은 복잡한 다단계 제조 공정을 간소화되고 우아한 생물학적 전환으로 변환하는 데 달려 있습니다.
요약표:
| 연구 초점 영역 | 주요 목표 | 잠재적 영향 |
|---|---|---|
| 분해 | 더 저렴한 효소 및 더 온화한 전처리 방법(예: 이온성 액체) 개발 | 에너지 및 화학 물질 투입 비용 절감 |
| 업그레이드 | 모든 당을 발효하고 강력한 촉매를 만들기 위해 미생물 공학 | 연료 수율 극대화 및 생산 간소화 |
| 리그닌 가치화 | 리그닌 폐기물을 고부가가치 부산물(예: 탄소 섬유, 플라스틱)로 전환 | 연료 비용을 상쇄하기 위한 2차 수익원 창출 |
| 통합 생물학적 공정(CBP) | "슈퍼 유기체"를 사용하여 분해 및 업그레이드를 단일 단계로 결합 | 자본 및 운영 비용의 극적인 감소 |
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