바이오에탄올: 발효 및 증류 프로세스 안정화를 통한 수율 극대화

바이오에탄올은 전통적으로 옥수수, 사탕수수, 밀, 수수와 같은 1세대 식량 작물의 당을 발효하여 생산되어 왔습니다. 전 세계적으로 탈탄소화 정책이 강화됨에 따라 에탄올은 화석연료 기반 휘발유를 대체하는 저탄소 연료로서 그 역할이 확대되고 있습니다.

업계는 전주기 배출량을 줄이고 식량 생산과의 경쟁을 완화하기 위해 1세대 원료에서 벗어나 2세대 원료라고도 불리는 셀룰로오스계 원료로 점차 전환하고 있습니다. 농업 잔재물, 임업 부산물, 전용 에너지 작물을 비롯한 비식량 원료에는 발효 가능한 당이 리그노셀룰로오스 구조 내에 포함되어 있어 먼저 이를 분해해야 합니다.

이 원료들은 리그노셀룰로오스로부터 발효 가능한 당을 배출하기 위해 추가적인 전처리 및 효소 가수분해 단계가 필요합니다. 이러한 전환 과정은 배출 저감에 기여하지만, 원료 변동성이 커지고 생물학적 프로세스가 더욱 복잡해진다는 문제가 있습니다.

에탄올 수요는 도로 운송 분야를 넘어 다음과 같은 다양한 분야에서 증가하고 있습니다.

• 항공 산업: 지속가능항공연료(SAF) 생산 경로 확대
• 화학 산업: 에탄올을 재생 원료로 활용
• 산업용 연료: 에너지 집약적 프로세스의 탈탄소화 지원

플렉스 연료 차량 보급 확대와 SAF 생산 경로의 지속적인 개발로 인해 안정적이고 수율이 높은 생산 프로세스의 필요성이 더욱 커지고 있습니다. 원료의 종류가 다양해질수록 효율적인 전환, 높은 제품 순도, 원활한 다운스트림 운영을 보장하기 위해 발효 및 증류 프로세스를 정밀하게 제어하는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다.

전 세계적으로 탈탄소화 이니셔티브가 가속화됨에 따라 바이오에탄올은 화석연료 기반 휘발유를 대체하고 전주기 배출량을 줄이는 데 점점 더 중요한 역할을 하고 있습니다. 미국과 브라질은 미국의 Renewable Fuel Standard(RFS)와 브라질의 RenovaBio 같은 강력한 정책적 지원에 힘입어 여전히 세계 최대의 에탄올 시장으로 남아 있습니다. 이러한 제도를 통해 에탄올 혼합 의무 비율을 지속적으로 높이고 저탄소 생산 경로에 대한 인센티브를 제공하고 있습니다.  

세계에서 가장 빠르게 성장하는 에탄올 시장 중 하나인 인도에서는 정부가 2023년에 시작한 E20 연료 보급 프로그램을 전국적으로 확대 추진하고 있습니다. 이렇게 지속적인 확대 노력으로 인해 일관된 품질의 고순도 에탄올에 대한 수요가 더욱 증가하고 있습니다.

유럽연합(EU)에서는 Renewable Energy Directive(RED II/III)에 따라 회원국들이 운송 부문에서 재생 에너지 사용 비중을 2030년까지 29%로 확대하거나 온실가스(GHG) 배출 강도를 14.5% 감축해야 합니다 . 이 지침은 특정 에탄올 혼합 비율을 의무화하지는 않지만, 유럽 전역에서 1세대 및 셀룰로오스계 에탄올 보급을 촉진하고 있습니다.

이처럼 증가하는 수요는 에탄올 생산업체에 더 높은 발효 수율 유지, 생물학적 변동성 제어, 증류 프로세스의 에너지 사용 안정화라는 운영상의 과제를 안겨주고 있습니다. 특히 발효 프로세스는 매우 민감하여 작은 편차라도 전체 생산 사슬에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 생산 효율을 유지하고 글로벌 바이오에탄올 시장의 요구사항을 충족하기 위해서는 정확한 프로세스 측정과 엄격한 발효 제어가 필수적입니다.

산업용 바이오에탄올 생산은 일반적으로 다음 세 단계로 이루어집니다.

1. 원료 준비: 바이오에탄올 원료는 다양한 공급원에서 얻을 수 있습니다. 사탕수수즙, 수수, 당밀과 같은 당 함량이 높은 원료는 직접 발효할 수 있습니다. 옥수수나 밀과 같은 전분 기반 원료는 고온 가열과 효소 처리를 통해 당으로 전환됩니다. 이 전환 단계에서는 전분-당 전환 프로세스를 면밀히 모니터링하여 에너지 사용을 최적화하고 총 가용 당을 최대한 확보할 수 있도록 지원합니다.
2. 발효: 준비된 매시는 pH와 영양분을 조정한 후 효모를 접종합니다. 발효는 대형 교반 탱크에서 진행되며, 효모의 생존성과 발효 효율을 유지하기 위해 온도, pH 및 CO₂ 배출 가스를 모니터링합니다. 작은 편차라도 당 전환 효율을 저하시킬 수 있으며, 다운스트림 분리 프로세스에 영향을 미치는 부산물 생성을 초래할 수 있습니다.
3. 증류 및 탈수: 에탄올이 풍부하게 함유된 '발효액'은 증류 시스템으로 이송되고, 비어 컬럼이 가열을 통해 물과 고형물로부터 에탄올을 분리합니다. 온도와 에탄올 농도 측정을 포함한 증류 프로세스 모니터링에 따라 증류탑 효율이 결정됩니다. 최종 탈수 프로세스를 통해 에탄올은 연료급 순도에 도달합니다.

각 단계는 바이오에탄올 수율과 에너지 소비에 직접적인 영향을 미치기 때문에 효율적인 운영을 위해서는 신뢰할 수 있는 측정 솔루션이 필수적입니다.

발효 및 증류 프로세스가 정상 운영 범위 내에 있더라도 수율 저하와 불안정성의 초기 징후가 종종 나타날 수 있습니다. 이러한 증상은 일반적으로 에탄올 프로세스 제어의 취약점을 반영하고, 대부분 경보가 발생하기 전에 먼저 나타납니다.

• 발효 배치 종료 시 에탄올 농도가 예상보다 낮음
• 배치 간 당 소비 속도의 변동성 증가
• 과도한 거품 발생 또는 예기치 않은 CO₂ 배출 패턴
• 아세트산이나 글리세롤 같은 부산물 생성 증가
• 증류 프로세스에서 목표 순도 달성에 더 많은 에너지 필요
• 환류비, 압력 또는 온도의 변동 같은 증류탑 불안정으로 인해 규격 미달 에탄올 생산

이러한 문제들은 발효 또는 증류 프로세스 내부의 근본적인 불균형이 표면으로 드러난 결과입니다. 생물학적 활동이나 증류탑 거동의 작은 변화조차도 빠르게 누적되어 에너지 사용량과 에탄올 순도에 더 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 변화의 원인을 파악하는 것이 생산 안정화를 위한 첫걸음입니다.  

앞서 소개한 지표들은 운영자가 관찰하는 현상이지만, 실제 원인은 생산 프로세스의 생물학적 단계와 열적 단계 깊숙한 곳에 존재하는 경우가 많습니다. 발효는 일관된 미생물 환경이 중요한 반면, 증류는 안정적인 열 및 물질 전달에 의존합니다. 어느 한 단계라도 최적의 범위를 벗어나면 작은 편차가 에탄올 수율 감소, 에너지 소비 증가, 제품 품질 변동 등으로 확대될 수 있습니다. 이러한 근본 원인을 이해하는 것은 전반적인 에탄올 프로세스 제어를 개선하고 예측 가능한 운영을 유지하는 데 필수적입니다.

• 효모 대사를 변화시키는 pH 드리프트: 당 전환 속도가 감소하고 에탄올 수율이 저하됩니다.
• 발효조 내 온도 변동: 효모가 스트레스를 받아 반응 속도가 느려지고 다운스트림 증류 프로세스의 증기 사용량이 증가합니다.
• 최적화되지 않은 당 또는 영양분 공급: 알코올 생성량의 배치 간 편차가 발생하고 발효 반응 속도가 불안정해집니다.
• 비효율적인 CO₂ 관리: 미생물 활동 변화가 발생하고 초기 오염 또는 효모 생존성 문제의 발견이 어려워집니다.
• 신뢰성 있는 당, 영양분 및 에탄올 농도 측정의 부재: 실시간 모니터링이 제한되고 중요 프로세스 변수의 효과적인 제어가 어려워집니다.

• 증류탑 불안정성: 압력 또는 온도 변동, 부적절한 환류 제어 등으로 인해 증류 효율과 에탄올 순도가 저하됩니다.
• 분리 효율 감소: 에너지 소비와 내부 재순환량이 증가하고 최종 에탄올 농도가 불균일해집니다.

이러한 운영 패턴은 발효 또는 증류 조건이 목표 범위를 벗어나기 시작했음을 나타내는 신호인 경우가 많습니다. 두 프로세스는 긴밀하게 연결되어 있기 때문에 작은 편차도 전체 효율에 영향을 줄 수 있습니다. 핵심 프로세스 변수를 모니터링하면 이상 징후를 조기에 감지하고 두 프로세스 모두를 최적의 운영 범위 내에서 유지할 수 있습니다.

신뢰성 있는 측정 솔루션을 통해 민감한 발효-증류 시퀀스를 연속적으로 모니터링하고 제어할 수 있는 프로세스로 전환할 수 있습니다.

소수의 핵심 측정 항목만으로도 미생물 활동, 당 전환, 에너지 사용량 및 분리 성능에 대한 초기 가시성을 확보할 수 있습니다. 또한 이러한 정보를 통해 바이오에탄올 생산 프로세스를 더욱 쉽게 관리하고 최적화할 수 있습니다.

• 발효 프로세스의 pH 측정: 효모 대사를 안정화하고 당-에탄올 전환을 최적화합니다.
• 발효 온도 모니터링: 효모 활동을 보호하고 반응 속도를 안정화합니다.
• 당 및 영양분 공급 유량 측정: 배치 전반에 걸쳐 일정한 기질 공급을 유지합니다.
• CO₂ 배출 가스 모니터링: 발효 활동과 효모 상태에 대한 실시간 정보를 제공합니다.

• 증류탑 온도 모니터링: 트레이 안정성과 분리 성능을 파악합니다.
• 증류탑 압력 측정: 기액 평형을 유지합니다.
• 환류 및 증기 유량 모니터링: 분리 효율과 에너지 소비를 제어합니다.
• 에탄올 농도 측정: 제품 순도를 검증하고 분리 손실을 파악합니다.

• 리보일러와 응축기의 온도 모니터링: 증류 시스템의 열 균형을 유지합니다. 프로세스가 불안정해지면 증기 소비량과 내부 재순환 부하가 증가합니다.
• 증기, 냉각수 및 응축수의 유량 측정: 증류 시스템의 에너지 불균형을 파악하고 전체 증류 에너지 수요를 제어합니다.
• 밀도 또는 전도도 측정을 통한 에탄올 순도 모니터링: 최종 에탄올 농도를 불균일하게 만들 수 있는 불순물, 수분 캐리오버 또는 탈수 불안정을 감지합니다.

측정 솔루션은 운영자가 발효 및 증류 프로세스를 신뢰성 있게 운영하는 데 필요한 데이터 기반을 제공합니다. 프로세스 신호가 정확할 때 운영자는 선제적으로 프로세스를 조정하여 당 전환, 미생물 활성, 증류탑 안정성 및 에탄올 순도를 유지할 수 있습니다. 핵심 변수에 대한 실시간 가시성을 확보하면 에탄올 프로세스 제어의 예측 가능성이 높아지고, 생물학적 단계와 열적 단계 전반에 걸쳐 변동성을 줄일 수 있습니다.

• 에탄올 농도 향상: 안정적인 발효 반응 속도와 일관된 미생물 활동을 통해 에탄올 농도가 향상됩니다.
• 에너지 소비 절감: 안정적인 증류 프로세스 운영과 향상된 열교환 효율을 통해 에너지 소비가 감소합니다.
• 규격 미달 배치 감소: 생산 프로세스 전반에 걸쳐 재작업이 감소하고 에탄올 농도가 안정화됩니다.
• 일관성 향상: 발효조 간 일관성 향상으로 당 이용률 및 CO₂ 방출의 배치 간 편차가 최소화됩니다.
• 안전 위험 감소: 압력 변동, CO₂ 축적, 에탄올 증기 관리와 관련된 안전 위험이 감소합니다.
• 가동 시간 향상: pH, 영양분, 에탄올 농도, 온도, 밀도와 같은 핵심 측정값의 변동이 최소화되고 불필요한 경보가 감소합니다.
• 설비 가동률 향상: 더욱 예측 가능한 생산 일정, 처리량 및 자원 계획을 수립할 수 있습니다.

바이오에탄올 생산 최적화는 지속적인 개선 과정입니다. 새로운 셀룰로오스계 바이오에탄올 생산 시설을 확장하든, 탄소 발자국을 줄이기 위해 기존 플랜트를 업그레이드하든 상관없이, 신뢰성 있는 측정 전략은 가장 중요한 자산입니다. 이를 통해 변동성과 운영 위험을 최소화하면서 품질이 우수하고 에너지 효율적인 에탄올 생산 프로세스를 구축할 수 있습니다.

이 섹션에서는 바이오에탄올 생산의 발효 안정성, 에탄올 수율 및 에너지 효율에 관한 일반적인 질문을 다룹니다. 특히 원료 변동성, 발효 비효율, 증류 안정성과 같은 대표적인 운영 과제에 초점을 맞춰 설명합니다.