셀룰로오스계 에탄올

Cellulosic ethanol

셀룰로오스 에탄올은 식물의 씨앗이나 과일이 아닌 셀룰로오스(식물의 끈이 많은 섬유)에서 생산되는 에탄올이다.그것은 풀, 나무, 조류 또는 다른 식물에서 생산될 수 있다.그것은 일반적으로 바이오 연료로 사용하기 위해 논의된다.식물이 자라면서 흡수하는 이산화탄소는 식물에서 만들어진 에탄올이 연소될 때 배출되는 이산화탄소의 일부를 상쇄하기 때문에 셀룰로오스 에탄올 연료는 화석 연료보다 낮은 탄소 발자국을 가질 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

셀룰로오스 에탄올에 대한 관심은 옥수수나 사탕수수로 만든 에탄올을 대체할 수 있는 잠재력에 의해 주도됩니다.이러한 식물들은 식품에도 사용되기 때문에, 에탄올 생산에 그것들을 돌리는 것은 식품 가격 상승을 야기할 수 있다; 반면에, 셀룰로오스 기반의 공급원은 일반적으로 식물들의 섬유질 부분이 대부분 사람이 먹을 수 없기 때문에 식품과 경쟁하지 않는다.또 다른 잠재적인 이점은 셀룰로오스 원천의 높은 다양성과 풍부함이다; 풀, 나무 그리고 조류는 지구의 거의 모든 환경에서 발견된다.심지어 종이와 같은 도시 고체 폐기물 성분도 에탄올로 만들어질 수 있습니다.셀룰로오스 에탄올의 현재 주요 단점은 옥수수나 사탕수수 에탄올보다 더 복잡하고 더 많은 단계를 필요로 하는 높은 생산 비용입니다.

셀룰로오스 에탄올은 2000년대와 2010년대 초에 큰 관심을 받았다.미국 정부는 특히 상용화에 대한 연구에 자금을 지원했으며 차량 연료에 첨가되는 셀룰로오스 에탄올의 비율에 대한 목표를 설정했다.셀룰로오스계 에탄올을 전문으로 하는 많은 신규 기업들과 더불어 파일럿 규모의 생산 플랜트에 투자하고 있다.하지만, 2010년대의 낮은 석유 가격과 함께 곡물 기반 에탄올의 훨씬 더 저렴한 제조는 셀룰로오스 에탄올이 이러한 확립된 연료에 비해 경쟁력이 없다는 것을 의미했다.그 결과, 2010년대 중반까지 대부분의 새로운 정유 공장들이 문을 닫았고, 새로 설립된 많은 회사들이 파산했다.일부는 여전히 존재하지만, 주로 시연이나 연구 목적으로 사용됩니다. 2021년 현재, 어느 것도 규모에 맞는 셀룰로오스 에탄올을 생산하지 않습니다.

개요

셀룰로오스 에탄올은 리그노셀룰로오스로부터 생산되는 바이오 연료의 한 종류로, 주로 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌으로 구성된 구조 재료이다.리그노셀룰로오스의 인기 있는 공급원은 농업 폐기물 제품(예: 옥수수 그루버 또는 나무 조각)과 스위치글라스 및 미스카투스 [1]종과 같은 풀 모두를 포함합니다.이러한 에탄올 생산 원료는 풍부하고 다양하다는 장점이 있으며, 옥수수나 사탕수수 [2]설탕과는 달리 식품 생산과 경쟁하지 않을 것이다.하지만, 그들은 또한 발효에 의해 에탄올을 생산하는데 전형적으로 사용되는 미생물이 설탕 단량체를 이용할 수 있도록 하기 위해 더 많은 가공을 필요로 하는데, 이것은 셀룰로스에서 유래한 [3]에탄올의 가격을 상승시킨다.

셀룰로오스 에탄올은 정제된 [4]휘발유보다 온실 가스 배출량을 85% 줄일 수 있습니다.반면, 전분 기반 공급 원료가 어떻게 생산되느냐에 따라 천연가스를 가장 자주 사용하는 녹말 에탄올(예: 옥수수)은 온실가스 배출을 전혀 [5]줄이지 않을 수 있다.2011년 미국 국립과학아카데미에 따르면 리그노셀룰로오스 바이오매스를 [6]연료로 전환할 수 있는 상업용 바이오 정제기는 존재하지 않는다.규정에서 요구하는 양에 셀룰로오스 에탄올의 생산 부재는 2013년 1월 25일 발표된 미국 콜롬비아 특별구 항소법원의 결정의 기초가 되었으며, 환경보호청이 미국 내 자동차 및 트럭 연료 생산자에게 부과한 요건은 다음과 같다.셀룰로오스계 바이오 연료를 제품에 [7]포함시킵니다.이러한 문제들은 다른 많은 어려운 생산 과제들과 함께 조지 워싱턴 대학 정책 연구자들을 "단기적으로, [셀룰로식] 에탄올은 가솔린 [8]대체의 에너지 안보와 환경 목표를 충족할 수 없다"고 진술하게 만들었다.

역사

프랑스의 화학자 앙리 브라코노는 1819년에 [9]셀룰로오스가 황산으로 처리됨으로써 당으로 가수 분해될 수 있다는 것을 처음으로 발견했다.가수 분해된 설탕은 발효를 통해 에탄올을 형성하기 위해 처리될 수 있다.에탄올 생산은 1898년 독일에서 시작되었는데, 이 곳에서는 산이 셀룰로오스를 가수 분해하는 데 사용되었다.미국에서 Standard Alcohol Company는 1910년 South Carolina에 셀룰로오스 에탄올 생산 공장을 처음으로 열었다.이후 루이지애나에 두 번째 공장이 문을 열었다.그러나 두 공장 모두 1차 세계대전 이후 경제적인 [10]이유로 문을 닫았다.

나무로 만든 에탄올의 공정을 상업화하려는 첫 시도는 1898년 독일에서 이루어졌다.셀룰로오스를 포도당으로 가수 분해하기 위해 희석산을 사용했으며, 목재 폐기물 100kg당 7.6리터(톤당 18 US gal(68 L))를 생산할 수 있었습니다.독일은 곧 바이오매스 톤당 약 50 US 갤런(190 L)의 생산량에 최적화된 산업 공정을 개발했다.이 과정은 곧 미국으로 옮겨졌고, 제1차 세계대전 동안 남동쪽에서 가동된 두 개의 상업용 공장이 절정에 달했다.이 식물들은 "미국 공정"이라고 불리는 1단계 희석 황산 가수분해법을 사용했습니다.생산량은 원래 독일 공정(톤당 에탄올 25갤런(95L) 대 50)의 절반이었지만 미국 공정의 처리량은 훨씬 더 높았다.제1차 세계대전이 끝난 직후 목재 생산량의 감소로 공장들은 문을 닫아야 했다.그 사이 USFS의 산림 제품 [11][12][13]연구소에서 희산 가수 분해에 관한 소량의 연구가 꾸준히 이루어졌다.제2차 세계대전 중 미국은 다시 셀룰로오스 에탄올에 의존했고 이번에는 합성고무 생산을 위해 부타디엔으로 전환했다.벌컨 구리 공급 회사는 톱밥을 에탄올로 바꾸는 공장을 건설하고 운영하기로 계약받았다.이 발전소는 산림 제품 연구소가 개발한 원래의 독일 Scholler 공정을 수정한 것에 기초하고 있습니다.이 공장은 건조톤당 50 US gal(190 L)의 에탄올 수율을 달성했지만 여전히 수익이 나지 않아 전쟁 [14]후 폐쇄되었다.

지난 20년 동안 효소 기술의 급속한 발전과 함께, 산 가수 분해 과정은 점차 효소 가수 분해로 대체되었다.헤미셀룰로오스를 가수분해(분리)하기 위해서는 공급원료의 화학적 전처리가 필요하므로 보다 효과적으로 당으로 전환할 수 있다.묽은 산 전처리는 USFS의 임산물 연구소에서 목재의 산 가수 분해에 대한 초기 연구를 기반으로 개발되었습니다.최근 산림 제품 연구소는 위스콘신 대학 매디슨과 함께 목재 [15]셀룰로오스의 강력한 효소 가수 분해를 위해 리그노셀룰로오스의 재항의를 극복하기 위해 아황산염 전처리를 개발했습니다.

2007년 1월 23일 미국 대통령 조지 W. 부시는 2007년 국정연설에서 2017년까지 350억 미국 갤런(130×10^9L)의 에탄올에 대해 제안된 명령을 발표했습니다.그해 말, 미국 에너지부는 목재 칩, 스위치그라스, 감귤류 [16]껍질과 같은 비전통적인 공급원으로부터 에탄올 생산을 촉진하는 것을 목표로 3억8500만 달러의 보조금을 지급했다.

생산 방법

셀룰로오스 에탄올 연구를 위한 생물반응기.

생물학적 접근법을 사용하여 에탄올을 생산하는 단계는 다음과 같습니다.[17]

  1. 목재나 짚과 같은 리그노셀룰로오스 재료를 가수 분해에 적합하게 만드는 "전처리" 단계
  2. 셀룰로오스 가수분해(셀룰로오스 분해) 분자를 당으로 분해하는 방법
  3. 당용액의 미생물 발효
  4. 순수 알코올을 제조하기 위한 증류 및 탈수

2010년, 유전자 조작 효모 균주가 자체 셀룰로오스 소화 [18]효소를 생산하기 위해 개발되었습니다.이 기술을 산업 수준으로 확장할 수 있다고 가정하면, 셀룰로리시스(cellulysis)의 하나 이상의 단계를 제거하여 소요 시간과 생산 비용을 [citation needed]모두 줄일 수 있습니다.

리그노셀룰로오스는 가장 풍부한 식물 재료 자원이지만 단단한 구조 때문에 사용성이 저하됩니다.그 결과 셀룰로오스를 리그닌 씰 및 그 결정구조에서 해방시켜 후속 가수분해공정에서 [19]접근할 수 있도록 하는 효과적인 전처리가 필요하다.지금까지 대부분의 전치료는 물리적 또는 화학적 수단을 통해 이루어집니다.효율성을 높이려면 물리적 및 화학적 사전 처리가 모두 필요합니다.물리적 전처리는 밀링 또는 압출과 같은 기계적 가공 방법으로 바이오매스 입자 크기를 줄이는 것을 포함합니다.화학 전처리는 리그노셀룰로오스를 부분적으로 탈중합시켜 효소가 미생물 [20]반응을 위해 셀룰로오스에 접근할 수 있도록 한다.

화학적 전처리 기술로는 산 가수분해, 증기폭발, 암모니아 섬유팽창, 유기소르브, 아황산염 전처리,[15] SO2-에탄올수 분화,[21] 알칼리 습식산화 및 오존 전처리가 [22]있다.효과적인 셀룰로오스 해방 외에도 이상적인 전처리는 분해 생성물의 형성을 최소화해야 한다. 왜냐하면 분해는 이후의 가수분해 및 발효 [23]단계를 억제할 수 있기 때문이다.억제제의 존재는 필요한 해독 단계로 인해 에탄올 생산 비용을 더욱 복잡하게 만들고 증가시킨다.예를 들어, 산 가수분해는 아마도 가장 오래되고 가장 많이 연구된 전처리 기술일지라도, furfural과 hydroxymethylfurfurfurfural을 포함한 [24]몇 가지 강력한 억제제를 생산한다.암모니아 섬유 팽창(AFEX)은 억제제를 [25]생성하지 않는 유망한 전처리의 한 예입니다.

대부분의 전처리 공정은 산림 바이오매스 등 리그닌 함량이 높은 사료 원료에 적용하면 효과가 없습니다.여기에는 대체 또는 전문적 접근법이 필요합니다.Organosolv, SPORL(리그노셀룰로오스의 재저항을 극복하기 위한 산화물 전처리), SO2-에탄올-수(AVAP®) 공정은 산림 바이오매스, 특히 연목종의 셀룰로오스 전환을 90% 이상 달성할 수 있는 3가지 공정이다.SPORL은 가장 에너지 효율적이며(전처리 시 단위 에너지 소비량 당 생산) 발효 억제제 생산이 매우 낮은 산림 바이오매스의 전처리를 위한 견고한 프로세스입니다.유기졸브 펄핑은 특히 경목에 효과적이며 희석 및 [26]침전에 의해 소수성 리그닌 제품을 쉽게 회수할 수 있습니다.</ref> AVAP® 공정은 모든 유형의 리그노셀룰로오스를 소화가 잘 되는 깨끗한 셀룰로오스, 분해되지 않은 헤미셀룰로오스당, 반응성 리그닌 및 리그노술폰산염으로 효과적으로 분류하고 [27][28]화학물질을 효율적으로 회수하는 것이 특징이다.

셀룰로오스 분해 과정

셀룰로오스의 가수분해(셀룰로오스 분해)는 알코올로 발효될 수 있는 단순당을 생성합니다.셀룰라아제 분해 과정에는 크게 산을 이용한 화학적 과정과 [17]셀룰라아제를 이용한 효소적 반응 두 가지가 있습니다.

화학적 가수분해

19세기 및 20세기 초에 개발된 전통적인 방법에서는 셀룰로오스를 [29]산으로 공격함으로써 가수분해를 한다.묽은 산은 고온 및 고압에서 사용할 수 있으며, 더 농축된 산은 저온 및 대기압에서 사용할 수 있습니다.산과 설탕의 복호화 셀룰로오스 혼합물은 물의 존재 하에서 반응하여 개별 당분자를 완성한다(가수분해).그런 다음 이 가수분해 생성물을 중화시키고 효모 발효를 사용하여 에탄올을 생산한다.앞에서 설명한 바와 같이 묽은 산 공정의 중요한 장애물은 가수 분해가 매우 가혹하여 발효를 방해할 수 있는 독성 분해 생성물이 생성된다는 것이다.BlueFire Reenewables는 거의 많은 발효 억제제를 생성하지 않기 때문에 농축산을 사용하지만, 상업적으로 [citation needed]매력적이려면 재활용[예: 이동층 크로마토그래피 분리 시뮬레이션]을 위해 설탕 흐름에서 분리해야 합니다.

농업연구원의 과학자들은 그들이 밀짚에 남아 있는 거의 모든 설탕에 접근하여 발효시킬 수 있다는 것을 발견했다.설탕은 분해하기 어려운 것으로 악명 높은 식물의 세포벽에 위치해 있습니다.이 설탕에 접근하기 위해 과학자들은 밀짚을 알칼리성 과산화물로 전처리한 후 세포벽을 부수기 위해 특화된 효소를 사용했다.이 방법은 밀짚 [30]1톤당 93 US 갤런(350L)의 에탄올을 생산했습니다.

효소 가수분해

셀룰로오스 사슬은 셀룰라아제 효소에 의해 포도당 분자로 분해될 수 있다.이 반응은 소와 양과 같은 반추동물의 위에서 체온에서 일어나는데, 여기서 효소는 미생물에 의해 생산된다.이 과정은 이 전환의 다양한 단계에서 여러 효소를 사용합니다.유사한 효소 시스템을 사용하여 리그노셀룰로오스 물질은 비교적 가벼운 조건(50 °C 및 pH 5)에서 효소적으로 가수분해될 수 있으며, 따라서 효소 활성을 저해하는 부산물의 형성 없이 효과적인 셀룰로오스 분해가 가능하다.희석산을 포함한 모든 주요 전처리 방법은 에탄올 [25]발효를 위해 높은 당 수율을 달성하기 위해 효소적 가수분해 단계를 필요로 한다.

곰팡이 효소는 셀룰로오스를 가수분해하는데 사용될 수 있다.원료(종종 목재 또는 짚)는 가수 분해에 [31]적합하도록 전처리해야 합니다.2005년 Iogen Corporation은 Trichoderma reesei 균을 사용하여 효소 가수분해 [32]과정을 위해 "특히 조작된 효소"를 분비하는 공정을 개발 중이라고 발표했습니다.

또 다른 캐나다 회사인 SunOpta는 증기 폭발 전처리를 사용하여 루이지애나 주 제닝스에 있는 베레니엄(옛 셀루놀 사)의 시설, 스페인 살라망카에 있는 아벤고아 사(社)의 시설, 자오동에 있는 차이나 리소스 알코올 사(社)에 기술을 제공하고 있습니다.CRAC 생산 시설에서는 옥수수 스투버를 [33]원료로 사용하고 있습니다.

미생물 발효

주요 기사:에탄올 발효

전통적으로, 제빵 효모(Saccharomyces cerevisiae)는 맥주 산업에서 육탄당(육탄당)으로부터 에탄올을 생산하기 위해 오랫동안 사용되어 왔습니다.리그노셀룰로오스계 바이오매스에 존재하는 탄수화물의 복합성 때문에 상당량의 자일로스 및 아라비노스(리그노셀룰로오스의 헤미셀룰로오스 부분에서 유래한 5탄당)도 가수분해액에 존재한다.예를 들어 옥수수 스토버의 가수분해물은 총 발효당의 약 30%가 자일로스이다.그 결과, 발효 미생물이 가수분해물로부터 이용 가능한 모든 범위의 당을 사용할 수 있는 능력은 셀룰로오스 에탄올 및 잠재적으로 바이오 기반 [citation needed]단백질의 경제 경쟁력을 높이기 위해 필수적이다.

최근 몇 년 동안 연료 에탄올 생산에 사용되는 미생물에 대한 대사 공학은 상당한 [34]진전을 보였습니다.셀룰로미세스 세레비시아에 더해 대사공학을 통해 셀룰로오스계 에탄올 생산을 위한 Zymonas mobilis, Escherichia coli 등의 미생물을 대상으로 하고 있다.대체 발효 생물에 대한 매력은 5개의 탄소당을 발효시켜 사료 원료의 수율을 향상시키는 능력이다.이 능력은 박테리아를 기반으로 하는 [citation needed]유기체에서 종종 발견된다.

최근에는 인공 [36][37]효모가 [38]자일로스와 아라비노스를 효율적으로 [39]발효시키는 것이 설명되고 있다.효모세포는 특히 셀룰로오스계 에탄올 공정에 매력적이며, 높은 에탄올 및 억제제 농도에 내성이 있으며 낮은 pH값으로 성장하여 세균 [citation needed]오염을 줄일 수 있기 때문입니다.

복합 가수분해 및 발효

셀룰로오스 기질을 에탄올로 직접 전환할 수 있는 박테리아가 있다.클로스트리듐 서모셀룸은 셀룰로오스를 분해하고 에탄올을 합성하기 위해 복잡한 셀룰로솜을 사용한다.그러나 C. 서모셀럼은 셀룰로오스 대사 중에 에탄올 외에 아세테이트와 젖산염을 포함한 다른 제품도 생산하여 공정의 효율성을 낮춥니다.에탄올 생산 [40]경로에 초점을 맞춘 박테리아를 유전공학함으로써 에탄올 생산을 최적화하기 위한 연구도 있다.

가스화 과정(열화학적 접근)

귀싱부르겐란트오스트리아의 유동층 가스화기

가스화 과정은 셀룰로오스 사슬의 화학적 분해(셀룰로오스 분해)에 의존하지 않습니다.셀룰로오스를 설탕 분자로 분해하는 대신, 원료에 있는 탄소는 부분 연소에 해당하는 양을 사용하여 합성 가스로 변환됩니다.일산화탄소, 이산화탄소 및 수소는 특별한 종류의 발효기에 공급될 수 있다.효모를 이용한 설탕 발효 대신, 이 과정은 클로스트리디움 리중달라이 [41]박테리아를 사용합니다.이 미생물은 일산화탄소, 이산화탄소, 수소를 섭취하고 에탄올과 물을 생산한다.이 프로세스는 다음 3단계로 나눌 수 있습니다.

  1. 가스화 — 복잡한 탄소 기반 분자를 분해하여 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소로 접근합니다.
  2. 발효 - 클로스트리듐 정달리 유기체를 사용하여 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 에탄올로 변환합니다.
  3. 증류 - 물과 에탄올 분리

최근의 연구는 위에 [42]언급된 것보다 일산화탄소로부터 에탄올을 만드는 데 두 배 더 효율적인 것으로 보이는 클로스트리듐 박테리아를 발견했다.

또는 가스화에 의한 합성가스를 촉매반응기에 공급하여 에탄올 및 기타 고알코올을 열화학적 [43]과정을 통해 제조할 수 있다.이 과정은 또한 [44]퀘벡주 웨스트베리의 시설에서 몬트리올에 본사를 둔 Enerkem이 성공적으로 입증한 대안 개념인 다른 유형의 액체 연료를 생산할 수도 있습니다.

헤미셀룰로오스-에탄올

셀룰로오스와 헤미셀룰로오스를 에탄올로 변환하는 경제적인 방법을 개발하기 위한 연구가 집중적으로 이루어진다.셀룰로오스 가수분해물의 주요 산물인 포도당을 에탄올에 발효시키는 것은 이미 확립된 효율적인 기술이다.그러나 헤미셀룰로오스 가수분해물의 펜토스당인 자일로스의 변환은 특히 포도당의 존재에서 제한인자이다.게다가 헤미셀룰로오스가 셀룰로오스 에탄올 [45]생산의 효율과 비용 효율을 높인다는 점도 무시할 수 없다.

Sakamoto(2012) 등은 헤미셀룰라아제 효소를 발현시키는 유전공학 미생물의 가능성을 보여준다.연구진은 다음과 같은 능력이 있는 재조합 사카로미세스 세레비시아 균주를 만들었다.

  1. 세포 표면에 있는 엔도실라아제 코디슬레이스를 통해 헤미셀룰라아제를 가수분해한다.
  2. 자일로스 환원효소 및 자일리톨 탈수소효소의 발현에 의해 자일로스를 동화시킨다.

이 변종은 볏짚 가수분해물을 반혈당 성분을 함유한 에탄올로 바꿀 수 있었다.또한 제어주보다 2.5배 많은 에탄올을 생산할 수 있어 에탄올을 [45]생산하기 위한 세포 표면 공학의 매우 효과적인 과정을 보여주었다.

이점

에탄올 연료의 일반적인 장점

에탄올은 [46][47]가솔린보다 깨끗하고 효율적으로 연소됩니다.식물은 성장하면서 이산화탄소를 소비하기 때문에 바이오에탄올은 화석 [48]연료보다 전반적으로 탄소 배출량이 적다.석유 대신 에탄올을 사용하는 것은 또한 한 나라의 [49]석유 수입 의존도를 낮출 수 있다.

옥수수 또는 설탕 기반 에탄올보다 셀룰로오스 에탄올의 장점

다음 항목도 참조하십시오.미국 내 에탄올 연료의 환경 및 사회적 영향, 바이오 연료의 간접 토지 이용 변화 영향 및 저탄소 연료 표준
미국 환경보호청
드래프트 라이프 사이클온실가스 감축 결과
다양한 시간 범위 및 할인율 접근법에[50] 대해
(간접적인 토지 이용 변화 효과의 증가)
연료 경로 100년 이상
2% 할인
평가하다		 30년 이상
0% 할인
평가하다
옥수수 에탄올(천연가스 건식기)(1) -16% +5%
옥수수 에탄올(최적의 경우 NG DM)(2) -39% -18%
옥수수 에탄올(석탄 건조기) +13% +34%
옥수수 에탄올(바이오매스 드라이 밀) -39% -18%
옥수수 에탄올(바이오매스 드라이 밀 포함)
열과 전력의 조합)		 -47% -26%
브라질 사탕수수 에탄올 -44% -26%
스위치 그래스의 셀룰로오스 에탄올 -128% -124%
옥수수 스토버에서 추출한 셀룰로오스계 에탄올 -115% -116%
주의: (1) 건식기(DM) 플랜트는 커널 전체를 분쇄하여 일반적으로 생산한다.
단 하나의 주요 공동 생성물: 용해성이 있는 증류기 곡물(DGS)입니다.
(2) 최선의 경우 식물은 습식 증류기 곡물을 공동 생산한다.

옥수수나 사탕수수와는 달리 식품 생산과 경쟁하지 않는 셀룰로오스계 에탄올의 상업적 생산은 이러한 식량 작물에 대한 압력을 완화시켜 줄 것이기 때문에 매우 매력적일 것이다.

셀룰로오스 바이오매스는 가공비가 비싸지만 곡물이나 과일보다 훨씬 저렴하다.게다가 셀룰로오스가 식물의 주성분이기 때문에 과일이나 씨앗뿐만 아니라 식물 전체를 수확할 수 있다.이것은 훨씬 더 나은 수확을 낳는다; 예를 들어, 스위치 그래스는 [51]옥수수보다 에이커당 두 배 많은 에탄올을 산출한다.셀룰로오스 생산을 위한 바이오매스 재료는 비료, 제초제, 그리고 그 광범위한 뿌리와 같은 투입물을 적게 필요로 하며, 토양 품질을 개선하고, 침식을 줄이고, 영양소 [52][53]포획을 증가시킨다.셀룰로오스 에탄올의 전체 탄소 배출량과 지구 온난화 가능성은 상당히 낮으며(차트 참조),[54][55][56] 순수 에너지 생산량은 옥수수 기반 에탄올의 몇 배이다.

잠재적인 원료도 풍부하다.전 세계에서 발생하는 생활폐기물의 약 44%가 식품과 [57]녹색으로 구성되어 있습니다.미국에서만 매년 에탄올 생성에 사용될 수 있는 셀룰로오스 함유 원료 중 약 3억2300만 톤이 버려지고 있습니다.여기에는 도시 목재 폐기물 3680만톤, 1차 제분 잔여물 9050만톤, 산림 잔여물 4500만톤, 옥수수 스투버와 [58]밀짚 1억5070만톤 등이 포함된다.게다가, 농업에 가장 가까운 땅에서도 스위치그라스 같은 셀룰로오스 생산 작물을 심을 수 있으며,[59] 이로 인해 현재 미국으로 수입되는 모든 석유를 대체할 수 있는 충분한 생산량을 얻을 수 있다.

종이, 골판지, 포장재는 전 세계 가정 [57]폐기물의 약 17%를 차지하고 있습니다.다만, 이 중 일부는 재활용되고 있습니다.셀룰로오스를 함유하고 있어 [60]셀룰로오스계 [58]에탄올로 변형이 가능하기 때문에 분해 과정에서 강력한 온실가스인 메탄 생산을 피할 수 있다.

단점들

일반적인 단점

에탄올 연료의 주요 전반적인 단점은 압축비가 [49]낮은 가솔린 엔진에서 에탄올을 사용할 때 가솔린에 비해 연비가 낮다는 것입니다.

옥수수 또는 설탕 기반 에탄올보다 셀룰로오스 에탄올의 단점

셀룰로오스계 에탄올의 주요 단점은 높은 비용과 생산 복잡성으로 인해 에탄올의 상용화에 [61][62]큰 걸림돌이 되고 있다.

경제학

세계 바이오에탄올 시장은 규모가 크지만(2019년 약 1100억 리터) 대부분은 [63]셀룰로오스가 아닌 옥수수나 사탕수수로 만들어진다.2007년에 셀룰로오스 소스로부터 에탄올을 생산하는 비용은 ca로 추정되었다.갤런당 2.65달러(리터당 0.58유로)로 [64]옥수수로 만든 에탄올보다 약 2~3배 비쌉니다.그러나 셀룰로오스계 에탄올 시장은 상대적으로 작고 정부 [62]보조금에 의존하고 있다.미국 정부는 당초 셀룰로오스 에탄올 목표치를 2011년 10억 리터에서 [65]2022년 600억 리터로 점차 확대했다.하지만,[61] 이러한 연간 목표들은 그것들을 달성할 가능성이 없다는 것이 명백해진 후 거의 항상 포기되어 왔다.셀룰로오스 에탄올을 생산하는 대부분의 공장은 2010년대 초에 [62][66]취소되거나 폐기되었다.DuPont, General Motors 및 BP가 건설하거나 자금을 조달한 공장은 폐쇄되거나 [67]매각되었습니다.2018년 현재 [62]미국에는 주요 공장 1개만 남아 있습니다.

대규모 생산으로 재배하기 위해서는 셀룰로오스 바이오매스는 주로 농작물 생산을 위해 농지의 기존 용도와 경쟁해야 한다.미국의 22억 6천만 에이커(910만 km2)의 미개척지 [68]중 33%는 임야, 26%는 목초지, 20%는 작물이다.2005년 미국 에너지 및 농업부의 연구에 따르면 13억 톤의 바이오매스가 이론적으로 에탄올을 사용할 수 있으며 임업, [69]농업에 대한 허용 가능한 영향도 유지할 수 있다고 합니다.

옥수수 에탄올과의 비교

현재 셀룰로오스는 옥수수나 사탕수수보다 에탄올 가공이 더 어렵고 더 비싸다.미국 에너지부는 2007년에 셀룰로오스 에탄올을 생산하는데 갤런당 약 2.20달러의 비용이 들 것으로 추정했는데, 이는 옥수수에서 추출한 에탄올의 2~3배에 달한다.식물 세포벽 조직을 파괴하는 효소는 [64]옥수수 0.03달러에 비해 에탄올이 갤런당 0.40달러입니다.그러나 셀룰로오스계 바이오매스는 에너지, 비료, 제초제와 같은 투입량이 적고 토양 침식이 적고 토양 비옥도가 향상되기 때문에 옥수수보다 생산 비용이 저렴하다.또, 에탄올 제조 후에 남은 발효 불능 및 미변환 고형물을 연소시켜, 변환 플랜트의 운전이나 전력 생산에 필요한 연료를 제공할 수 있다.옥수수 기반 에탄올 공장을 운영하는 데 사용되는 에너지는 석탄과 천연 가스에서 얻어진다.지역자립연구소는 1세대 상업용 플랜트의 셀룰로오스 에탄올 비용이 인센티브를 제외하고 갤런당 1.90~2.25달러 수준이 될 것으로 추산하고 있다.이는 옥수수 에탄올의 현재 갤런당 1.20~1.50달러, 일반 휘발유(보조금 및 세금 포함)[70]의 현재 소매가격이 갤런당 4.00달러 이상인 것과 비교됩니다.

효소 비용 장벽

셀룰라아제 및 셀룰로오스 에탄올 생산에 사용되는 헤미셀라아제는 1세대 에탄올에 비해 가격이 비싸다.옥수수 곡물 에탄올 생산에 필요한 효소는 생산되는 에탄올 1입방미터당 2.64-5.28달러이다.셀룰로오스계 에탄올 생산 효소의 가격은 79.25달러로 예상되는데,[71] 이는 20-40배 더 비싸다는 것을 의미한다.비용 차이는 필요한 양에 기인한다.셀룰라아제 계열의 효소는 1~2계단 더 작은 효율성을 가진다.따라서, 그것은 생산 과정에서 40배에서 100배 더 많은 효소를 필요로 한다.바이오매스 1톤당 15~25kg의 [72]효소가 필요합니다.보다 최근의[73] 추정치는 더 낮으며, 바이오매스 공급 원료의 드라이톤당 1kg의 효소를 제안합니다.효소 가수분해를 수행하는 혈관의 긴 배양 시간과 관련된 자본 비용도 상대적으로 높습니다.전체적으로 셀룰로오스계 에탄올 생산에 효소는 20~40%의 중요한 부분을 차지한다.최근의[73] 논문은 셀룰라아제 효소가 어떻게 생산되는지가 핵심 요소이며, 그 범위를 현금 비용의 13-36%로 추정한다.외부에서 생산되는 셀룰라아제의 경우 효소 생산은 현금 비용의 36%에 달한다.별도의 공장에서 생산되는 효소의 경우 분율은 29%이고, 통합 효소 생산의 경우 분파는 13%입니다.통합 생산의 주요 이점 중 하나는 포도당 대신 바이오매스가 효소 성장 배지라는 것입니다.바이오매스는 비용이 적게 들고, 그로 인해 발생하는 셀룰로오스 에탄올을 100% 2세대 바이오 연료로 만듭니다. 즉, '[citation needed]연료용 식품'을 사용하지 않습니다.

공급원료

일반적으로 사료 원료에는 숲(우디) 바이오매스와 농업 바이오매스의 두 종류가 있습니다.미국에서는 연간 약 14억 톤의 바이오매스가 지속적으로 생산될 수 있다.약 3억 7천만 톤 또는 30%가 산림 [74]바이오매스입니다.산림 바이오매스는 농업 바이오매스보다 셀룰로오스 및 리그닌 함량이 높고 헤미셀룰로오스 및 회분 함량이 낮다.특히 자일로스와 같은 탄소 헤미셀룰로오스 당이 매우 높은 5가지 전처리 가수분해물의 발효 어려움과 낮은 에탄올 수율 때문에 산림 바이오매스는 농업 바이오매스보다 상당한 이점을 가지고 있습니다.산림 바이오매스는 또한 높은 밀도를 가지고 있어 운송 비용을 상당히 절감합니다.매년 수확할 수 있기 때문에 장기 보존이 불필요합니다.산림 바이오매스의 0에 가까운 화산재 함량은 운송 및 처리 시 사하중을 크게 감소시킨다.생물 다양성에 대한 요구를 충족시키기 위해, 산림 바이오매스는 미래의 바이오 기반 경제에서 중요한 바이오매스 원료 공급 혼합물이 될 것이다.그러나 산림 바이오매스는 농업 바이오매스보다 훨씬 완강하다.최근 USDA 산림 제품 연구소는 위스콘신 대학 매디슨과 함께 자일란 함량이 낮은 연목종을 포함한 산림(우디) 바이오매스의 강한 거부감을 극복할 수 있는 효율적인 기술을[15][75] 개발했다.단회전 집약 재배나 수목 재배는 삼림 바이오매스 [76]생산에 거의 무제한의 기회를 제공할 수 있다.

슬레이시, 나무 꼭대기, 톱밥, 톱밥, 폐지펄프 등은 셀룰로오스계 에탄올 [77]제조용 산림 바이오매스 원료다.

스위치그라스(Panicum virgatum)는 토종 톨그라스 프레리 풀이다.단단하고 빠른 성장으로 알려진 이 여러해살이풀은 따뜻한 달 동안 2-6피트 높이까지 자랍니다.스위치글래스는 습지, 평원, 하천, 해안 및 주간 고속도로를 포함한 미국 대부분의 지역에서 재배할 수 있습니다.자가 파종(파종용 트랙터 없음, 파종 전용)으로 많은 질병 및 해충에 강하고 비료 및 기타 화학 약품을 적게 사용하여 높은 수확량을 낼 수 있습니다.또한 열악한 토양, 홍수 및 가뭄에도 견딜 수 있으며, 토양 품질을 개선하고 뿌리 시스템 [78]유형으로 인한 침식을 방지합니다.

Switchgrass는 연방보전예비계획(CRP)에 의해 보호되는 토지의 승인된 커버 작물이다.CRP는 최근 작물이 재배된 토지에서 작물을 재배하지 않은 것에 대해 생산자에게 비용을 지불하는 정부 프로그램이다.이 프로그램은 토양 침식을 줄이고, 수질을 향상시키며, 야생동물 서식지를 증가시킨다.CRP 땅은 꿩, 오리 등 고지대 사냥과 많은 곤충들의 서식지로 이용된다.바이오 연료 생산용 스위치 그래스는 생태적 지속 가능성을 높이고 CRP 프로그램의 비용을 낮출 수 있는 보존 예비 프로그램(CRP) 토지의 사용을 검토해왔다.그러나 CRP 규칙을 [78]수정하여 CRP 토지를 경제적으로 사용할 수 있도록 해야 합니다.

Miscanthus × giganteus는 셀룰로오스 에탄올 생산을 위한 또 다른 실행 가능한 공급 원료입니다.이 풀은 아시아 원산으로 미스카누스 시넨시스와 미스카루스 사카리플라루스의 무균 잡종이다.그것은 수확량이 많고 재배 비용이 저렴하며 다양한 기후에서 잘 자란다.하지만 살균성이 있기 때문에 식물성 증식도 필요하기 때문에 가격이 [79]비싸집니다.

칡이 [80]바이오매스의 귀중한 원천이 될 수 있다는 의견이 제기되었다.

셀룰로오스계 에탄올 상용화

보조금과 보조금으로 인해 2000년대 초에 셀룰로오스 에탄올 연구와 시범 공장의 붐이 일어났다.바이오매스를 가공해 에탄올로 바꿀 수 있는 정유소를 건설한 회사는 이오겐, POET, 아벤고아, 듀폰, 다이버사, 노보자임스, 디아디치 등의 기업이 효소 연구에 투자했다.그러나 대부분의 발전소는 기술적 장애물을 극복하기가 너무 어려워 2010년대 초에 취소되거나 폐쇄되었다.2018년 현재,[62] 오직 한 개의 셀룰로오스 에탄올 공장만이 가동되고 있다.

2010년대 후반에는 셀룰로오스계 에탄올을 상용화하기 위해 다양한 기업이 소규모로 시도하기도 했지만, 그러한 사업은 일반적으로 실험적인 규모로 유지되고 보조금에 의존하는 경우가 많았다.그란비오, 라이젠, 센트로 데 테크놀로지아 카나비에이라가 각각 브라질에서 파일럿 규모의 설비를 운영하고 있으며,[81] 2019년에는 약 3000만리터를 생산하고 있습니다.1991년 효소 제조사로 시작해 2013년 셀룰로오스 에탄올 위주로 재편된 이오겐은 셀룰로오스 에탄올[82] 제조 특허를 다수 보유하고 있으며 라이젠 [83]공장에 기술을 제공하고 있다.2021년 현재 셀룰로식 에탄올 기술을 개발하고 있는 다른 기업으로는 Inbicon(덴마크)이 있으며, 시범 생산 공장을 운영하거나 계획하고 있는 기업으로는 New Energy Blue(미국),[84] Sekab(스웨덴),[85] Clariant(루마니아)[86]가 있습니다.셀룰로오스계 에탄올 자산을 보유한 스페인 기업 아벤고아는 [87]2021년 파산했다.

호주 재생 에너지 기관은 주정부 및 지방정부와 함께 탄광에서 [88]벗어나 지역 경제를 다각화하기 위한 노력의 일환으로 2017년과 2020년에 뉴사우스웨일스에 시범 공장을 설립하는 데 부분적으로 자금을 지원했다.

미국 정부의 지원

2006년부터, 미국 연방 정부는 셀룰로오스 원료로부터 에탄올의 개발을 촉진하기 시작했습니다.2008년 5월 의회는 셀룰로오스 에탄올을 포함한 2세대 바이오 연료의 상용화를 위한 자금을 포함하는 새로운 농업 법안을 통과시켰다.2008년 식품보존에너지법은 옥수수 알맹이 전분에서 생산되지 않은 모든 연료를 효과적으로 포함하는 "고급 바이오 연료"를 생산하기 위한 데모 규모의 바이오 제련소 개발 및 건설 비용의 최대 30%를 지원하는 보조금을 제공했다.그것은 또한 상업적인 규모의 생물 제철소를 [89]건설하기 위해 2억 5천만 달러까지 대출 보증을 서도록 허용했다.

2011년 1월 USDA는 Coskata, Enerkem 및 INEOS New Planet Bio Energy가 소유한 3개 시설에서 셀룰로오스 에탄올의 상용화를 지원하기 위해 2008년 팜 법안을 통해 4억500만달러의 대출 보증을 승인했습니다.이 프로젝트는 연간 총 7300만 갤런(280,000m3)의 생산 능력을 나타내며 2012년부터 셀룰로오스 에탄올 생산을 시작할 예정입니다.USDA는 또한 첨단 바이오 [90]연료 생산을 확대하기 위해 지급을 받을 첨단 바이오 연료 생산국 목록을 발표했다.2011년 7월, 미국 에너지부는 [91]아이오와주 Emmetsburg에 건설되는 상업용 규모의 공장에 대한 1억500만달러의 대출 보증을 POET에 제출했습니다.

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