[대만] 높은 탄소 전환 수율을 가지는 새로운 바이오 부탄올 생산 기술
대만의 하이테크 응용 연구소인 산업기술연구소(Industrial Technology Research Institute, ITRI)는 탄소지수가 음의 값을 가지는 셀룰로오스계 바이오 부탄올 생산을 위한 기술인 부티픽스(ButyFix) 기술을 발표하였다. 부티픽스 기술은 3단계의 과정으로 이루어진다. 1단계는 단당류들을 배출하기 위한 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스의 가수분해이다. 2단계 공정은 부티레이트(Butyrate)를 생산하는 단당류들의 발효이다. 3단계 공정은 에스테르화 반응과 수소처리 반응을 통한 부티레이트의 화학적 전환을 통한 부탄올 생산이다.
ITRI는 가수분해 공정에서 금속염/유기산으로 이루어진 ‘환경용매(eco-solvent)’를 사용하였다. 1차로 셀룰로오스의 크리스털 구조가 파괴되어 용해된 에스테르(Ester)를 만든다. 이후 에스테르가 유기산에 의해 가수분해되어 글루코스를 만든다. 공정은 비교적 온화한 온도 조건에서 이루어진다. ITRI의 시험 결과를 보면 총 단당류 수율이 95wt%에 도달하였다.
ITRI는 미생물들에 채용된 특별한 유전자들을 제어하고 이산화탄소가 재이용될 수 있는 특정한 경로로 발효 과정 도중에 발생되는 이산화탄소의 경로를 재배치시키기 위한 특별한 공정들을 이용하고 있다. 이와 같은 공정들을 이용하여 부티레이트를 매우 높은 수율로 생산할 수 있으며 발효 공정으로부터 발생된 이산화탄소를 제거하였다.
부티픽스는 100%의 이론적인 최대 탄소 전환 수율을 달상하였다고 ITRI는 발표하였다. 이는 전체 공정이 최적화된다면 발효에 의해서 모든 탄소가 생산품으로 고정화될 수 있음을 의미한다. 반대로 에탄올 또는 부탄올 생산을 위한 다른 모든 현재의 발효 공정들은 이론적인 최대 탄소 전환 수율이 67%이다. 이는 소비되는 1개의 글루코스당 2분자의 이산화탄소가 배출되기 때문이다.
ITRI는 1g의 단당류당 0.7g의 부티레이트 수율을 달성할 수 있음을 보여주었다. 이는 전환 수율이 94%임을 의미한다. 탄소 수율은 전통적인 아세톤-부탄올-에탄올(Acetone-butanol-ethanol, ABE) 공정의 2.67배이다. 또한 상대적으로 높은 효율들에서 서로 다른 단당류들을 전환시킬 수 있다.
ITRI에 따르면, 부티픽스 부탄올은 현재의 휘발유, 바이오에탄올 가격 이하이며 정부의 보조금 없이1갤런당 2불의 수송 연료 비용을 달성할 수 있다. 부티픽스는 바이오연료 제조 회사들과 화학회사들에게 라이선스되어 이용될 수 있다. ITRI는 이 개발을 통해서 2013 R&D 100상을 수상하였다.
[원문보기]
Taiwan’s ITRI introduces cellulosic bio-butanol production technology; pathway with highest carbon conversion yield
ITRI (Industrial Technology Research Institute), a Taiwan-based high-tech applied research institution, is introducing ButyFix, a technology for cellulosic bio-butanol production with a negative carbon footprint. ButyFix uses a three-step process: (1) the hydrolysis of cellulose and hemicellulose to release sugars; (2) fermentation of the sugars to produce butyrate; and (3) the chemical conversion of butyrate via esterification and hydrogenation to butanol.
ITRI uses a metal salt/organic acid “eco-solvent” in its hydrolysis process; the crystalline structure of cellulose is first destroyed, forming a soluble ester, which is then hydrolyzed by the organic acid to glucose. The process operates in mild temperatures; benchmarking results cited by ITRI show a 95 wt.% total sugar yield.
ITRI uses proprietary processes to regulate certain genes in specially adapted micro-organism and re-directs the CO2 generated during fermentation to the desired pathway where the CO2 can be re-utilized. This results in high yields of butyrate and eliminates CO2 emissions from the fermentation process.
ButyFix has a theoretical maximum carbon conversion yield of 100%, ITRI says, meaning that all carbon can be fixed in the product by fermentation if the process is optimized. By contrast, all other current fermentation processes for ethanol or butanol production have a theoretical maximum carbon conversion yield of 67% because of two molecular CO2 emitted per glucose molecule consumed.
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| ITRI says that ButyFix is the leader in yield. Source: Tong 2013. Click to enlarge. |
ITRI has shown it can achieve a butyrate yield of 0.70 g/g-sugar, which is 94% of carbon conversion yield. This carbon yield is 2.67 times of traditional acetone-butanol-ethanol (ABE) process. The same strain can also convert different sugars at relatively high efficiencies.
ButyFix butanol can achieve a transportation-fuel price of US$2.00/gallon, according to ITRI—well below current gasoline and bio-ethanol prices and without government subsidies.
ButyFix is available for licensing to biofuel- and chemical-processing organizations. ITRI received a 2013 R&D 100 Award for this development.
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