234차 미국 화학회에서 제지 산업에서 발생되는 폐기물을 연료로 전환시키는 2가지 방법이 발표되었다. 다트모스(Dartmouth) 대학의 연구자들은 제지 슬러지를 자일로즈(Xylose) 발효 미생물들을 이용하여 에탄올로 전환시키는 방법을 연구하고 있다.

펜실베이니아(Penn State) 주립대학의 연구자들은 제지 산업에서 배출되는 블랙리커(Black liquor)를 석탄과 혼합하여 합성가스로 전환한 후에 디메틸 에테르(Dimethyl ether, DME)로 전환시키는 방법을 발표하였다.

제지 슬러지의 에탄올화

바이오매스 자원들의 연료화에 있어 셀룰로오스계 바이오매스들의 중요성이 점차 증가하고 있다. 특히 휘발유와 혼합하여 사용될 수 있는 에탄올에 대한 연구가 매우 활발하다. 이미 폐목재를 사용하여 옥수수 등의 에탄올 생산공정에서 사용하는 발효 공정을 이용하는 기술은 상용화를 앞두고 있는 상태이다.

또한 일부 기관에서는 열화학적 방법을 통해서 목재의 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌 등을 분해하여 에탄올을 생산하는 것을 고려하기도 하며 일부에서는 생물학적 전환과 열화학적 전환을 결합한 새로운 융합 공정도 개발하고 있다. 폐목재의 발생과 더불어 셀룰로오스계 바이오매스의 일종인 제지 슬러지의 에탄올 전환도 개발되고 있다.

미국 다트모스 연구팀은 수년 동안 제지 슬러지의 전환 방법을 연구하였다. 제지 슬러지는 펄프 및 제지 산업에서 가장 많이 발생하는 폐기물로 미국에서는 대부분 매립되어 처리된다. 제지 슬러지는 셀룰로오스 에탄올 생산 공정을 위한 원료로서 기술적인 장점들과 경제적인 장점들을 지니고 있다.

많은 경우에 제지 슬러지는 전처리가 필요하지 않아서 생산 비용을 저감하는 데 도움을 준다. 또한 슬러지 처리 비용을 저감하여 플랜트의 경제성을 향상시킨다. 제지 플랜트에서의 증기, 전력, 폐수 처리 등은 잠재적으로 비용을 증가시키는 요인이다. 슬러지로부터 회수하는 미네랄 요소들은 추가적으로 이익을 향상시키는 요인이 될 수 있다.

다트모스 연구자들은 고체 제지 슬러지를 이용하는 바이오 반응기를 개발하고 있다. 반응기에서 당화 반응과 발효가 동시에 일어나서 90% 이상의 가수 분해 수율을 보여주며 경제적으로 활용할 수 있는 농도의 에탄올을 생산한다.

ACS 회의에서 연구팀은 글루코즈와 자일로즈를 이용할 수 있는 2개의 가능한 미생물(Z. mobilis 8b, S. cerevisiae RWB222s)을 이용한 실험 결과를 보여준다. 글루코즈와 자일로즈의 당화와 발효의 동시 반응은 제지 슬러지의 에탄올 수율을 20% 정도 증가시켜 준다.

석탄과 블랙리커의 DME 전환

블랙리커는 목재에서 나오는 리그닌과 제지 공정에서 배출되는 화학 물질들과 물의 혼합물이다. 일반적으로 블랙리커는 무기질 화학물질들을 추출하여 재활용한 후에 보일러에서 연소시켜서 폐기시킨다. 그러나 연료 부분의 안드레 보에만(Andre L. Boehman) 교수는 블랙리커가 다수의 연료들을 생산하는 데 이용되는 합성가스로서 이용될 수 있다고 언급했다.

가능한 접근 방법은 석탄 슬러리와 혼합하여 가스화 시키는 것이다. 생산된 합성가스의 추가 전환을 통하여 다른 연료 제품들도 가능하나 펜실베이니아 주립대학 연구팀은 에너지 집중도가 적은 DME 생산을 고려한다.

블랙리커와 석탄의 DME 전환은 석탄만을 사용하여 DME를 생산하는 것보다 이산화탄소 배출량이 적다. 개발 공정에서 배출되는 탄소 물질들의 일부는 고체상으로 격리되어 지구 온난화 유발을 추가시키지 않는다.

펜실베이니아 대학뿐만 아니라 기업체도 블랙리커에 관심을 가지고 있다. 스웨덴의 볼보사도 제지 공장에서 배출되는 부산물인 블랙리커의 가스화를 위한 기술 개발에 투자를 하고 있다.

공정을 개발하고 있는 셈렉사의 고온 가스화 플랜트는 총 1,100시간 이상 블랙 리커로부터 합성가스를 생산하는 기록을 세운 상태이며 상용화를 위한 기술 개발을 추진하고 있다.

곡물류, 폐목재 등의 1차 바이오매스 자원의 이용이 확산되고 있으나 식량 문제 등의 또 다른 문제들을 야기시키고 있다. 이에 1차 산업에서 대량 배출되나 처리를 위하여 단순 매립 또는 소각되었던 제지 슬러지, 블랙리커 등의 2, 3차 바이오매스 자원들의 중요성이 커지고 있다.

특히 바이오매스의 수집 비용이 큰 1차 자원들보다 제지 공장 등의 플랜트에서 대량으로 발생되는 2, 3차 바이오매스 자원들은 바이오매스 에너지화의 생산 비용을 크게 낮출 수 있어 에너지 전환 플랜트의 대형화에 큰 도움을 줄 것으로 예상되고 있다.

(www.greencarcongress.com)