| [일본] 식량자원과 경쟁하지 않는 재생가능 바이오연료 생산
하나의 작물에서 바이오연료(Biofuel)와 동물용 사료를 효율적으로 생산하는 방안이 가능할 것으로 보인다. 이러한 방안은 멀리 떨어진 지역에서 별도의 공정을 거치지 않고 농장에서 바로 적용이 가능하다는 장점이 있다. Biotechnology for Biofuels 저널에 발표된 이번 연구는 식량자원과 경쟁하지 않으면서 화석연료의 대체자원으로서 실용적 가능성이 있음을 보여주고 있다.
에탄올(Ethanol)을 포함한 1세대 바이오연료는 옥수수나 사탕수수와 같은 식량자원을 이용하여 생산된다. 그렇지만 바이오연료가 연료안보를 증진할 수 있는 재생가능 자원으로 인식되면서도 이들을 생산하는 일은 식량 재배와 관련한 토지사용을 제한한다거나 식량가격을 상승시킨다는 논쟁을 불러일으키고 있다. 짚이나 목재와 같은 비식용 자원의 발효(Fermentation)를 이용하는 2세대 바이오연료는 유망한 대체방안으로 소개되고 있으나 이 또한 제약사항이 있다.
일본 농업환경기술연구소(National Institute for Agro-Environmental Sciences) 소속이자 이번 논문의 저자인 Mitsuo Horita는 "일반적으로 2세대 바이오연료 생산의 제약사항으로는 대규모 설비, 대량 바이오매스 수송, 정밀한 처리 공정 등을 들 수 있으며, 모든 과정에서 높은 비용과 대량의 에너지를 소비한다"고 말했다. 또한 그는 "지금 연구진이 지금 선보이는 시스템은 규모가 확장된 완전한 시스템으로 실제 농장의 상황에 적용할 수 있음을 보여주고 있다. 이 시스템은 특별한 설비를 필요로 하는 복잡한 공정 대신 동물사료인 사일리지(Silage, 저장목초)를 생산하기 위해 농부들이 이미 사용하고 있는 전통적인 공정에 간단히 적용될 수 있다. 새로운 공정을 적용하면 우수한 품질의 사료와 높은 에탄올 수율을 확보할 수 있으며 폐기물을 발생시키지 않는다"고 설명하였다.
고체발효(Solid-state Fermentation)로 알려진 이 공정은 효모(Yeast)와 효소(Enzyme)와 함께 수확되는 벼를 불침투성의 필름으로 감싼 둥근 더미 형태로 만든다. 이렇게 더미로 만들어지면 배양 기간을 거치게 되는데 벼의 당 및 탄수화물은 효모에 의해 에탄올로 변환된다. 이들이 축적되어 흘러나오면 증류하여 연료를 만들고, 증류공정의 밑부분에는 사일리지의 형태를 가진 고품질 동물사료가 남게 된다.
6개월의 배양기간 후 각각의 더미는 12.4 kg의 순수 에탄올을 생산하였으며, 이는 천연 사일리지 생산 과정에서 얻는 양과 비교했을 때 10배 높은 결과이다. 또한 테스트 기간에 더미에서 일정한 양의 에탄올이 지속적으로 유출되기 때문에 추출공정 없이도 1.7kg의 추가 에탄올을 쉽게 확보할 수 있었다. 그리고 남아 있는 더미 물질은 소가 소화하는데 필요한 젖산 및 당이 유사한 양을 포함하고 있고 조단백질(Crude protein) 함량도 높기 때문에 동물사료로 사용되는 사일리지와 비교할 만한 수준인 것으로 나타났다. 비록 이 시스템이 비교적 오랜 발효시간을 필요로 하지만 시스템이 별도의 에너지를 사용하지는 않는다. 진공 증류장치를 사용하면 더미에 축적되는 에탄올 중 약 86%를 추출할 수 있다. 또한 여기서 얻어지는 에탄올은 불용성 입자를 포함하고 있지 않기 때문에 자동차 연료로서 쉽게 탈수 및 농축하는 일이 가능하다.
이번 결과는 식량 및 바이오연료 생산에 모두 가능성을 보여주어 토지 사용과 관련한 이슈를 해결할 수 있음을 보여주고 있다. 이 시스템은 개인이 운영하는 지역 단위 농장까지 적용할 수 있어 지속가능한 바이오연료 생산이 가능하다. 이와 같은 일은 개발도상국의 농부에게 특히 더 많은 혜택을 줄 것으로 기대된다. 논문 저자는 이 시스템이 농촌지역에 확대 보급되기 전에 에탄올 수율 및 회수율 개선, 시스템 수명에 대한 환경평가 등 추가 연구가 이루어져야 한다고 밝혔다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 2월 4일]
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Renewable biofuel production avoids competition with food resources
The efficient production of both biofuel and animal feed from one crop is now possible, and can be done on a farm without the need for off-site processes. The research, published in the open access journal Biotechnology for Biofuels, demonstrates the practical potential of an alternative to fossil fuels that does not compete with food resources.
'First-generation' biofuels include ethanol produced from food sources such as corn and sugarcane. While recognized as a renewable energy source with potential to improve fuel security, their production has caused controversy over competing land-use for food and increased grain prices. The fermentation of non-food sources such as straw and wood, known as 'second generation' biofuels, has been promoted as a promising alternative, but also has its limitations.
First author Mitsuo Horita from the National Institute for Agro-Environmental Sciences, Japan, said: "Generally, the bottlenecks in second generation biofuel production include the need for large facilities, bulky material transport and complicated treatment processes, all of which are costly and consume a great deal of energy.
"What we've now demonstrated is a complete and scaled-up system which shows its potential in a practical on-farm situation. Instead of a complicated process requiring special facilities, our system simply builds upon traditional processes already used by farmers for producing silage for animal feed. It results in a high yield of ethanol while producing good quality feed, with zero waste."
The process, known as 'solid-state fermentation', involves packing harvested whole rice plants with yeast and enzymes into a round bale wrapped in impermeable film. During incubation, sugars and starch in the rice plant are converted by yeast to ethanol, which accumulates and is then drained and distilled for fuel, leaving a bale of high quality animal feed in the form of silage.
In the tests, the process yielded up to 12.4 kg of pure ethanol per bale, after six months of incubation -- ten times more ethanol than would result from natural silage production. A steady amount of ethanol also continuously drained out in the effluent from the bale during the test, resulting in an additional 1.7 kg of ethanol that could be easily collected without extraction.
The remaining bale material was found to be comparable to normal silage for animal feed, containing a similar amount of lactic acid and sugars, and high crude protein content -- an essential dietary component for cattle.
Although the system requires a relatively long time for fermentation, no energy needs to be supplied into the system. The use of a vacuum distiller allowed the extraction of a total of 86% of the ethanol that accumulated in the bale. The ethanol also contained no insoluble particles, and could therefore be easily dehydrated and concentrated for use as automotive fuel.
The research shows the potential for complementary food and biofuel production, circumventing issues related to land-use competition. The system could be deployed at a local level by individual farmers, providing sustainable biofuel production, and could be particularly beneficial to farmers in the developing world.
The authors note that further studies into improving the ethanol yield and recovery ratio, and an environmental assessment of the system's complete life cycle, should also be carried out before the system is widely established in rural areas.
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