화석 연료에서 바이오 연료로: 바이오매스가 지속가능성을 견인하는 방법

바이오매스 유래 연료 및 화학 물질은 지속 가능한 에너지 및 화학 제품 생산을 위한 중요한 경로를 제시합니다. 이러한 소재는 식물 및 농업 자원에서 얻은 재생 가능한 유기 원료를 사용하여 일반적으로 석유 및 기타 화석 연료에서 추출되는 제품을 생산합니다. 바이오매스는 미국 그리드 수준 에너지 생산의 1%, 유럽 연합의 약 6%만을 차지하고 있지만, 바이오매스 전환 기술의 발전으로 수율이 증가하고 비용이 절감되며 이러한 소재의 지속 가능성이 향상되고 있습니다.

생화학 물질 및 바이오 연료에 대한 글로벌 시장은 지속적인 성장을 보이고 있습니다. 생화학 물질은 연평균 성장률(CAGR) 10.6%로 성장하여 2035년까지 2,400억~2,440억 달러 규모에 이를 것으로 예상되며, 바이오 연료는 약 7% 성장하여 2035년까지 2,700억 달러 이상의 가치를 기록할 것으로 전망됩니다. 이러한 성장은 에너지 수요 증가와 화석 연료에 대한 친환경적 대안의 필요성에 의해 추진되고 있습니다.

그러나 유망한 잠재력에도 불구하고 바이오매스 유래 연료 및 화학 물질은 상당한 도전에 직면해 있습니다. 대규모 생산 시설은 제한적이며 기존 전환 공정은 종종 높은 온도와 압력을 필요로 하여 자본 및 운영 비용을 증가시킵니다. 또한 이러한 공정은 값비싼 촉매를 필요로 하는 경향이 있으며 저가치 부산물을 생성할 수 있습니다. 원료 가용성과 식량 생산을 위한 토지 이용과의 경쟁 또한 지속적인 과제입니다. 더욱이 식량용 작물이 바이오 연료 생산으로 전환될 때 발생하는 식량 대 연료 갈등은 식량 안보와 가격 상승에 대한 우려를 낳고 있습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 연구자들은 농업 폐기물 및 잔재물과 같은 비식용 바이오매스 자원과 효율성 및 지속 가능성을 개선하기 위한 다양한 전환 공정에 집중하고 있습니다. 우리는 이 분야의 발전을 더 잘 이해하기 위해 가장 방대한 인적 관리 과학 정보 저장소인 CAS Content Collection^TM을 사용하여 바이오매스 관련 출판물 현황을 심층 분석했습니다.

우리는 정교하게 설계된 검색 전략을 사용하여 2015년부터 2025년 사이에 발표된 바이오매스를 고부가가치 제품으로 전환하는 연구 문헌 약 22만 건을 식별했습니다. 우리는 이러한 문헌에서 서지 정보, CAS 인덱스 개념 및 화학 물질을 체계적으로 추출하고 분석하여 연구 동향을 파악하고 바이오매스 전환 분야에 대한 의미 있는 통찰력을 도출했습니다. 분석 결과, 바이오매스 전환 및 관련 연구에 대한 저널 논문은 완만한 성장세를 보였으며 지난 10년간 출판물 수가 거의 두 배로 증가했습니다. 반면, 특허 출판물의 불규칙한 성장은 기초 연구와 상업화 사이의 연계가 약함을 시사하며, 이는 실질적인 구현을 저해하는 운영상의 어려움과 기술적 한계를 강조합니다(그림 1 참조).

그림 1: 바이오매스 전환 연구와 관련하여 발표된 저널 논문 및 특허 패밀리의 연도별 추이. 2025년 데이터는 8월까지의 일부 수치임. 출처: CAS Content Collection.

바이오매스 유래 소재에 대한 경제적, 환경적 필요성은 계속 증가할 것이므로, 우리는 이 중요한 그린 케미스트리 분야의 연구 궤적과 새로운 발전을 탐구하기 위해 원료, 공정 및 제품을 추가로 분석했습니다.

바이오매스 원료: 바이오 연료와 생화학 물질의 토대

바이오매스 원료는 바이오매스 가치화의 근본적인 원재료이며, 원료의 선택은 전환 기술의 효율성과 제품 결과에 상당한 영향을 미칩니다.

본 분석에서는 CAS에 색인된 개념들을 그 기원에 따라 식물성, 동물성, 도시 폐기물 등 여러 범주로 분류하였습니다(그림 2 참조).

[참고: CAS SciFinder®의 CAS Lexicon에 대해 자세히 알아보세요. CAS 개념은 필요에 따라 검색 쿼리를 더 정밀하게 또는 더 광범위하게 구성하는 데 도움을 주며, 익숙하지 않은 분야를 조사할 때 특히 유용합니다. CAS SciFinder에서 CAS Lexicon 검색 | CAS]

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그림 2: 바이오매스 원료 범주. 팩드 버블(Packed bubbles)은 데이터셋에서 확인된 주요 원료 그룹을 나타냅니다. 인접한 히트맵은 상위 10개 하위 범주를 강조하며, 색상 그라데이션은 출판물 수를 나타냅니다. 빨간색은 가장 높은 수치를, 녹색은 가장 낮은 수치를 의미합니다. 출처: CAS Content Collection.

식물성 잔재물과 폐기물은 풍부한 양과 높은 리그노셀룰로오스 함량 덕분에 출판물 분야에서 압도적인 비중을 차지합니다. 이 범주에는 짚, 목재, 껍질, 섬유와 같은 비식용 농업 잔재물이 포함되어 식량 대 연료 갈등 문제를 피할 수 있습니다. 이러한 물질은 주로 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌으로 구성되며, 그 조성은 원천에 따라 다릅니다. 짚은 방대한 가용성과 다양한 전환 경로에서의 활용성 덕분에 두드러집니다. 30~40%의 셀룰로오스, 20~30%의 헤미셀룰로오스, 15~20%의 리그닌을 함유하고 있어 효소 가수분해, 발효 공정, 열분해 및 가스화와 같은 열화학적 경로에 매우 적합합니다.

목재는 임업 잔재물(칩, 대패밥 등)에서 유래하는 두 번째로 지배적인 원료입니다. 높은 리그노셀룰로오스 함량, 낮은 수분, 높은 에너지 밀도 덕분에 연소, 가스화, 펠릿화 및 바이오차 생산에 효율적입니다. 사탕수수 가공 과정에서 나오는 섬유질 잔재물인 바가스(Bagasse) 역시 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스가 풍부하여 바이오에탄올, 바이오가스, 생화학 물질 생산에 널리 사용됩니다. 목재 가공 부산물인 톱밥은 미세한 입자 크기와 일관된 조성을 제공하여 바이오에탄올, 바이오연료 및 폴리올(자일리톨)로의 효율적인 전환을 가능하게 합니다.

식물성 식품 범주에는 옥수수, 쌀, 사탕무, 유박(oilseed meals), 과일, 채소와 같은 작물이 포함되며, 이는 주로 식품, 에너지 및 화학 제품 생산을 위한 재생 가능한 자원 역할을 합니다. 옥수수와 같은 작물은 바이오연료와 바이오플라스틱 생산에 사용되며, 기름 추출 후 부산물인 유박은 생분해성 필름 및 코팅제로 가치를 높입니다. 과일 및 채소 폐기물은 미생물 및 효소 전환 경로를 통해 유기산, 바이오연료, 비료를 생산하는 데 점점 더 많이 활용되고 있습니다.

유지(Oil and fats) 원료 범주는 식물성 물질이 주를 이룹니다. 이러한 우위는 에스테르 교환 반응 및 수소화 처리와 같은 잘 확립된 전환 기술에 의해 뒷받침됩니다. 이러한 장쇄 탄화수소의 재생 가능한 원천은 주로 트리아실글리세롤(TAG, 95~98%)로 구성됩니다. TAG는 고급 지방산과 글리세롤의 에스테르입니다. 또한 플랫폼 화학 물질 및 바이오연료 생산을 위해 점점 더 많이 활용되고 있습니다.

분뇨 및 가금류 깔짚과 같은 동물성 폐기물은 방대한 가용성과 확립된 전환 경로 덕분에 중요한 바이오매스 흐름을 나타냅니다. 이를 사용하면 재생 가능한 에너지를 생산할 뿐만 아니라 강력한 온실가스인 메탄 배출을 완화하는 데 도움이 됩니다.

도시 폐기물, 특히 유기물 분획은 음식물 쓰레기와 가공 잔재물이 주를 이룹니다. 이러한 물질은 탄수화물, 지질, 단백질이 풍부하여 혐기성 소화, 가스화 및 퇴비화에 적합합니다. 도시 폐기물의 가치화는 매립지로 향하는 폐기물을 줄일 뿐만 아니라 바이오가스, 바이오연료 및 플랫폼 화학 물질 생산을 가능하게 하여 지속 가능한 도시 폐기물 관리 전략을 지원합니다.

전환 공정: 바이오매스가 연료와 화학 물질이 되는 과정

다양한 바이오매스 원료를 연료, 플랫폼 화학 물질, 비료 및 의약품으로 변환하려면 복잡한 유기 구조를 분해하여 원하는 화합물로 전환할 수 있는 정교한 전환 기술이 필요합니다. 전환 경로의 선택은 의도된 최종 제품과 원료의 특성, 특히 원료의 수분 함량, 리그닌 조성 및 탄수화물 구조에 따라 결정됩니다.

바이오매스를 더 가치 있는 형태로 전환하기 위해 적용할 수 있는 여러 바이오매스 전환 기술이 있지만, 주된 기술은 열화학적, 생화학적, 화학적 기술입니다. 우리는 CAS에 색인된 개념을 분석하여 이 세 가지 전환 기술로 분류하고, 관련 문헌을 검토하여 근본적인 패턴과 새로운 트렌드를 파악했습니다(그림 3 참조).

그림 3: 바이오매스 전환 기술을 팩드 버블로 시각화했으며, 각 범주 내의 개별 공정은 히트맵으로 나타냈습니다. 색상 그라데이션은 출판물 수를 나타내며, 빨간색은 가장 높은 출판 활동을, 녹색은 가장 낮은 활동을 의미합니다. 출처: CAS Content Collection.

분석 결과, 열과 압력을 사용하는 열화학적 기술이 가장 많이 연구된 바이오매스 전환 플랫폼 중 하나임이 밝혀졌습니다. 이러한 공정은 다양한 원료를 신속하게 처리할 수 있고, 생화학적 접근 방식이 원료 조성에 의해 제한되는 경우에도 확장 가능하고 에너지 효율적인 솔루션을 제공하기 때문에 선호됩니다. 데이터셋의 주요 열화학 공정에는 탄화, 열분해, 가스화, 열분해(pyrolysis), 열수 반응이 포함됩니다. 탄화가 이 범주에서 선두를 달리고 있으며, 그 뒤를 열분해와 가스화가 잇고 있습니다. 이는 합성가스 및 바이오오일과 같은 바이오연료 생산은 물론, 환경적 응용을 위한 바이오차 및 하이드로차 생성에 있어 이러한 기술이 얼마나 중요한지를 강조합니다.

다음 주요 범주는 미생물과 효소를 사용하여 복잡한 바이오매스 구조를 에너지 밀도가 높은 화합물로 분해하는 생화학적 공정입니다. 이러한 방법은 온화한 조건에서 작동하며 탄수화물이 풍부한 원료에 효과적입니다. 이 공정을 통해 높은 선택성과 효율성으로 바이오연료와 생화학 물질을 생산할 수 있습니다. 데이터셋의 주요 생화학적 전환 공정에는 발효, 효소 가수분해, 혐기성 소화, 당화, 생분해가 포함됩니다. 발효는 세 가지 전환 공정 유형 중 가장 많이 기록되었으며, 이는 바이오에탄올, 유기산, 비료 및 기타 고부가가치 화학 물질 생산을 위한 산업적 성숙도와 광범위한 채택을 반영합니다.

마지막 범주는 합성 촉매와 시약을 사용하여 복잡한 바이오매스 구조를 더 단순한 고부가가치 화합물로 분해하는 화학적 전환 방법입니다. 기존 산업 시스템과의 호환성 덕분에 대규모 응용 분야에 이상적입니다. 데이터셋의 주요 화학적 전환 공정에는 가수분해, 산화, 에스테르 교환 반응, 수소화 및 환원이 포함됩니다. 가수분해가 지배적이며, 이는 복잡한 탄수화물을 단순당으로 분해하는 근본적인 역할을 강조합니다. 단순당은 이후 바이오연료 및 생화학 물질로 가공될 수 있습니다. 산화 및 수소화 공정의 두드러짐은 각각 플랫폼 화학 물질 및 드롭인 연료 생산에 사용됨을 반영합니다. 또한, 에스테르 교환 반응은 단순성과 효율성 덕분에 바이오디젤 생산의 핵심 화학 공정입니다.

이러한 경로들은 작동 원리는 다르지만, 지속 가능한 에너지와 고부가가치 제품을 생산하기 위한 실행 가능한 경로를 공동으로 제공함으로써 화석 자원에 대한 의존도를 줄여줍니다. 세 가지 공정 범주 전반에 걸친 문헌의 균형 잡힌 분포는 원료의 다양성과 제품 요구 사항에 따라 다중 기술적 접근이 필요하다는 업계의 인식을 반영하며, 상당한 연구량은 바이오매스 전환 기술의 성숙도와 지속적인 혁신 잠재력을 강조합니다.

주요 바이오매스 제품 범주

CAS Content Collection에 색인된 출판물에는 연구 내용에 따라 섹션 번호가 할당됩니다. 우리는 CAS 색인 섹션을 사용하여 출판물을 연료, 플랫폼 화학 물질 및 재료, 비료, 의약품의 네 가지 제품 범주로 분류했습니다. 연료 제품 범주가 가장 많은 출판물 수를 기록했으며, 플랫폼 화학 물질 및 재료가 그 뒤를 이었습니다. 비료는 세 번째로 많은 출판물 수를 기록했으며, 의약품 범주의 출판물은 상대적으로 적었습니다.

CAS 데이터베이스에는 "제품" 역할을 하는 수많은 색인된 개념이 포함되어 있습니다. 이 방대한 데이터셋을 관리하기 위해 화학적 조성이 유사한 제품 개념을 통합된 제품명으로 통합했습니다(그림 4 참조). 예를 들어, 숯, 코크스, 반코크스와 같은 관련 탄소 기반 재료는 "탄소 재료"라는 단일 범주로 그룹화되었습니다.

그림 4: 바이오매스 전환을 통해 얻은 제품. 거품은 제품 범주를 나타내며, 히트맵은 각 범주 내 주요 제품을 보여줍니다. 출처: CAS Content Collection.

연료 범주에서는 탄소 소재, 지방족 탄화수소, 에스테르가 주를 이룹니다. 플랫폼 화학물질 및 소재 범주에서는 탄소 소재, 고분자, 방향족 탄화수소가 주요 물질군에 해당합니다.

연료 및 화학물질/소재 범주에서 탄소 소재가 가장 큰 비중을 차지하지만, 각 범주 내의 구체적인 탄소 소재 유형은 크게 다릅니다. 연료 생산 분야에서는 주로 고체 연료 대체재로 사용되는 숯이 코크스 및 기타 탄소질 재료와 함께 주를 이룹니다. 반면, 플랫폼 화학물질 및 소재 분야에서는 복합재, 에너지 저장, 환경 정화 등 고부가가치 응용 분야를 위한 탄소 섬유, 나노 섬유, 활성탄과 같은 첨단 탄소 제품이 강조됩니다.

연료 및 플랫폼 화학물질/소재 범주에 공통으로 포함되는 또 다른 주요 제품은 에스테르입니다. 연료 분야에서는 지방산 메틸 에스테르(바이오디젤)가 주를 이루는 반면, 플랫폼 화학물질 분야에서는 올레오케미컬 응용을 위한 지방산 유도체를 포함한 다양한 유형의 에스테르가 활용됩니다.

The most common products in the fertilizers category are organic fertilizers, multinutrient fertilizers, and biofertilizers. Organic and multinutrient fertilizers provide the nutrients needed for plant growth, whereas biofertilizers contain live microorganisms that help plant growth and health. 

제약 범주에서 가장 흔한 제품은 천연 생리활성 화합물, 펩타이드 및 단백질 가수분해물, 탄소 소재입니다. 플라보노이드, 사포닌, 알칼로이드와 같은 천연 생리활성 화합물은 제약 산업에서 사용되는 바이오매스 유래 물질 중 일부입니다. 펩타이드는 대사 질환 및 암 치료에 사용됩니다. 단백질 가수분해물은 영양 지원 및 특정 치료 효과를 위해 제약 분야에서 활용됩니다. 탄소 소재는 생체 적합성, 높은 활성 물질 담지 능력, 전기 전도성뿐만 아니라 많은 활성 성분의 운반체 역할을 할 수 있는 능력 때문에 사용됩니다.

물질 동시 발생을 통해 확인하는 연구 활동

더 깊은 통찰을 얻기 위해 과학 문헌 및 기타 출처에서 수집된 공개 화학 물질 데이터베이스인 CAS REGISTRY®의 출판물 세트 전반에 걸쳐 물질의 동시 발생을 분석했습니다. 이러한 분석 유형은 서로 관련 없어 보이는 아이디어 간의 중요한 연결 고리를 밝혀내고 새로운 연구 돌파구가 어디에서 나올지 시사할 수 있습니다. 본 사례에서는 물질의 역할과 관계없이 물질 간 동시 발생, 제품-제품 물질 쌍, 촉매-촉매 쌍을 조사했습니다(그림 5 참조).

그림 5: 물질 쌍의 동시 발생 패턴. (A) 역할과 관계없는 모든 물질 쌍, (B) 제품-제품 쌍, (C) 촉매-촉매 쌍으로, 상위 조합에 대한 출판물 수와 특허 비율을 보여줍니다. 막대는 전체 출판물 중 특허가 차지하는 비율에 따라 색상으로 구분되었습니다. 출처: CAS Content Collection.

• 물질 동시 발생: 가장 빈번하게 발생하는 사례는 리그노셀룰로오스 바이오매스의 주요 구조 성분과 관련이 있으며, 셀룰로오스-리그닌, 셀룰로오스-헤미셀룰로오스, 헤미셀룰로오스-리그닌 쌍이 연구 출판물에서 주를 이룹니다. 이러한 연관성은 바이오매스 분획 및 가치화 전략의 통합적 성격을 반영하며, 연구자들은 처리 과정에서 이러한 바이오폴리머 간의 복잡한 상호작용을 해결해야 합니다. 탄소는 여러 동시 발생 패턴에서 중심 요소로 나타나며, 셀룰로오스, 리그닌, 수소 및 다양한 무기 화합물과 함께 등장합니다. 이러한 빈도는 바이오매스의 구조적 성분으로서의 역할과 열화학적 전환 공정, 특히 탄화 및 가스화 반응에서의 핵심 제품으로서 탄소가 갖는 이중적 역할을 강조합니다.

• 제품 동시 발생: 합성가스 성분에 대한 전략적 집중을 보여주며, 일산화탄소-수소, 수소-메탄, 일산화탄소-메탄 쌍이 높은 특허 활동을 보여 통합 가스화 및 합성가스 응용 분야에 대한 상업적 관심을 나타냅니다. 자일로오스와 포도당의 동시 발생은 헤미셀룰로오스와 셀룰로오스 가수분해 연구를 반영하며, 아세트산-부티르산 및 아세트산-프로피온산과 같은 유기산 쌍은 발효 경로 최적화를 보여줍니다. 벤젠-톨루엔 쌍은 리그닌 해중합을 통한 방향족 화합물 생산을 나타내며, 이는 고부가가치 화학물질 회수 전략을 의미합니다.

• 촉매 동시 발생: 바이오매스 전환을 위한 기존 촉매 시스템이 주도하고 있으며, 코발트-니켈 및 팔라듐-백금 쌍은 매우 높은 특허 비율을 보여 수소화 및 개질 반응에서의 상업적 중요성을 반영합니다. 여러 조합에서 니켈 함유 쌍이 우세한 것은 바이오매스 전환 촉매에서 니켈의 핵심적인 역할을 확인시켜 주며, 알루미나-실리카의 동시 발생은 바이오매스 처리 환경에서 촉매 성능과 안정성을 향상시키기 위한 지지체 최적화를 나타냅니다.

바이오연료: 원료, 전환 공정 및 제품 간의 연결

바이오매스 유래 연료는 기존 화석 연료의 실행 가능한 대안으로 자리매김할 수 있는 독특한 특성을 가지고 있습니다. 주로 더 높은 산소 함량과 낮은 황 및 질소 함량 덕분에 미립자 및 온실가스 배출이 줄어든 더 깨끗한 연소가 가능합니다. 바이오매스 분자의 산소화된 특성으로 인해 화석 연료보다 에너지 밀도는 낮지만, 바이오매스 연료는 연소 시 방출되는 CO₂가 바이오매스 성장 과정에서 흡수되는 양으로 이론적으로 상쇄된다는 탄소 중립이라는 중요한 장점을 제공합니다.

이러한 연료의 구성은 농업 및 유기 폐기물부터 유지류, 그리고 사용되는 특정 전환 공정에 이르기까지 원료 공급원에 따라 상당히 다릅니다.

바이오디젤, 바이오에탄올, 드롭인 연료, 바이오가스, 바이오오일과 같은 주요 바이오연료는 최소한의 인프라 수정만으로도 특정 화석 연료를 직접 대체할 수 있는 잠재력을 보여줍니다. 셀룰로오스 바이오매스를 발효시켜 생산하는 바이오에탄올은 휘발유를 대체하거나 혼합하여 옥탄가를 높일 수 있지만 리터당 에너지는 감소합니다. 유지류의 에스테르 교환 반응을 통해 생성되는 바이오디젤은 점도와 세탄가 면에서 석유 디젤과 매우 유사하여, 미립자 물질 및 탄화수소 배출을 줄이면서 직접 대체하거나 혼합하여 사용할 수 있습니다.

또한, 드롭인 바이오연료(액체 바이오 탄화수소)는 석유 연료와 완전히 호환되며 차량 엔진을 전혀 수정하지 않고도 동일하게 작동할 수 있습니다. 바이오가스와 고순도 바이오메탄은 난방, 전기 및 운송 분야에서 천연가스를 대체할 수 있으며, 바이오오일은 적절한 업그레이드 과정을 거치면 중유 대체재로서의 가능성을 보여줍니다.

바이오매스가 연료로 전환되는 다양한 경로를 이해하기 위해 연료 제품과 각 전환 공정 및 원료 간의 연결 관계를 도표로 정리했습니다(그림 6 참조).

그림 6: CAS Content Collection의 문서 수를 기반으로 연료 제품을 각 전환 공정 및 원료와 연결한 생키(Sankey) 다이어그램.

분석 결과, 탄소가 풍부한 물질이 주요 연료 제품을 구성하는 것으로 나타났습니다. 이는 주로 짚, 목재 및 기타 식물성 잔재물과 같은 원료를 사용하여 탄화, 열분해, 열분해와 같은 열화학적 공정을 통해 생성됩니다. 리그노셀룰로오스 잔재물은 바이오차, 숯, 코크스 등 안정적이고 에너지가 높은 고체 제품을 효율적으로 생산하는 열화학적 공정과 직접적으로 호환되기 때문에 탄소가 풍부한 연료가 주를 이룹니다.

그다음으로 중요한 것은 지방족 탄화수소 기반 연료로, 이는 수소화, 분해, 열분해와 같은 화학적 및 열화학적 공정을 통해 생산됩니다. 이러한 방법은 주로 식물성 오일과 리그노셀룰로오스 잔류물에 적용됩니다. 이러한 탄화수소의 중요성은 운송 및 산업 분야에서 기존 화석 연료를 대체할 수 있는 드롭인(drop-in) 바이오 연료를 개발하려는 지속적인 노력을 반영합니다.

바이오디젤이 대표적인 에스테르류는 주로 식물성 오일을 주원료로 하여 에스테르 교환 반응을 통해 합성됩니다. 이 제품과 관련된 방대한 문헌은 최근 몇 년간 바이오디젤이 확보한 확장성과 규제 지원을 잘 보여줍니다.

방향족 탄화수소, 타르, 알코올, 페놀, 알데하이드, 케톤과 같은 기타 연료 관련 제품은 주로 식물성 잔류물 및 폐기물의 열분해를 통해 얻어집니다. 마지막으로, 카르복실산, 당류 및 올리고당류는 짚이나 식물성 오일과 같은 원료를 사용하는 발효와 같은 생화학적 공정을 통해 생성됩니다.

이러한 포괄적인 매핑은 바이오 연료 기술을 발전시키는 데 있어 원료 선택과 공정 최적화가 얼마나 전략적으로 중요한지를 강조하며, 수많은 연료 제품이 서로 연결된 다양한 전환 경로를 통해 바이오매스로부터 어떻게 도출될 수 있는지를 보여줍니다.

주요 바이오매스 전환 구성 요소의 전년 대비(YoY) 성장 역학을 파악하기 위해 지난 3년간의 추세를 요약한 산점도를 작성했습니다(그림 7 참조). 구체적으로 그림 7A는 다양한 연료 기반 제품의 성장률을, 그림 7B는 원료 변화를, 그림 7C는 전환 공정의 발전을 다룹니다. 이러한 추세는 바이오 에너지 부문 내의 기술적 진보와 시장 적응을 반영하며, 바이오매스 활용의 진화하는 역학에 대한 통찰력을 제공합니다.

그림 7: CAS Content Collection에서 관찰된 (A) 연료 기반 제품, (B) 원료, (C) 전환 공정에 대한 출판물 수와 관련하여 전년 대비 성장 추세를 보여주는 산점도. 데이터 포인트는 특허 비율에 따라 색상이 구분되어 있으며, 빨간색은 가장 높은 특허 점유율을, 녹색은 가장 낮은 점유율을 나타냅니다.

그림 7A는 지방족 탄화수소, 방향족 탄화수소, 폴리머 및 복소환 화합물에서 유래한 연료가 지난 3년간 가장 높은 전년 대비 성장률을 보였음을 나타내며, 이는 기술적 성숙도와 관계없이 강력한 모멘텀을 가지고 있음을 시사합니다. 특히 지방족 탄화수소에 대한 특허 출판물의 급증은 기존 화석 연료의 바이오 기반 대체재에 대한 상당한 상업적 관심을 나타냅니다.

반면, 알데하이드와 케톤은 적당한 연구 활동에도 불구하고 거의 0에 가까운 성장률을 보이는데, 이는 이러한 화합물을 주 연료로 사용하는 데 있어 해결되지 않은 기술적 과제나 제한된 시장 잠재력을 반영할 수 있습니다. 흥미롭게도 질소 함유 화합물은 완만한 성장률을 보이지만 가장 높은 특허 출판 비율을 나타내고 있어, 특수 바이오 연료 응용 분야에서 고유한 화학적 특성을 활용하려는 목표 지향적인 상업적 노력을 보여줍니다.

그림 7B는 동물성 지방 및 오일이 섬유와 함께 거의 30%에 달하는 가장 높은 성장률과 가장 높은 특허 활동 비율을 보인다는 점을 보여줍니다. 이는 이러한 원료가 바이오디젤 및 제트 연료와 같은 고부가가치 연료 생산에 적합하기 때문에 학술 연구보다는 실제 응용 분야에서 주목받고 있음을 시사합니다.

반대로 식물성 지방 및 오일은 문헌에서는 지배적이지만 성장률은 미미하고 특허 출판 비율도 낮아, 연구 관심은 여전히 높지만 비용이나 공급망 제한으로 인해 상업화가 제약될 수 있음을 나타냅니다. 껍질, 사탕수수 찌꺼기, 과일 잔류물은 약 20%의 성장률과 적당한 출판 활동을 보이며 바이오매스 전환에서 식물성 잔류물의 역할이 커지고 있음을 시사합니다. 놀랍게도 식량 작물, 바이오 폐기물, 분뇨는 지속 가능성 측면의 이점에도 불구하고 제한적인 성장을 보이는데, 이는 수거, 처리 또는 확장성 측면에서 지속되는 경제적 또는 물류적 과제를 반영할 수 있습니다.

그림 7C에서 열분해는 적당한 연구 활동에도 불구하고 36%라는 인상적인 성장률을 보입니다. 이러한 급증은 빠른 처리 속도, 습식 원료 처리 능력, 바이오차, 바이오 오일, 합성가스와 같은 다수의 고부가가치 제품 생산이라는 고유한 장점을 반영한 것으로 보입니다. 탄화 및 가스화와 같은 전통적인 열화학 공정은 출판물 수와 성장률 사이에 역의 관계를 보입니다. 이러한 방법은 높은 특허 점유율에서 알 수 있듯이 산업적 관련성을 유지하고 있지만, 성장세가 둔화된 것은 기술적 성숙기에 도달했음을 시사하며, 이는 결과적으로 연구 모멘텀을 감소시킵니다.

열수 반응은 26%의 강력한 성장률과 상당한 특허 활동을 결합하여 특히 유망한 경로로 부상하고 있습니다. 이러한 추세는 가혹한 열적 방법과 온화한 생화학적 경로 사이에서 독특한 위치를 차지하며, 중온 처리 분야에서 상업적으로 실행 가능한 혁신이 이루어지고 있음을 나타냅니다. 수소화는 전년 대비 성장률이 매우 낮고 연구 성과도 제한적이지만 특허 출원 비율은 높아, 다양한 원료로부터 연료 및 플랫폼 화학 물질을 생산하는 데 있어 다재다능함을 보여줍니다. 생물학적 공정은 지속 가능성 인증에도 불구하고 성장세가 뒤처져 있는데, 이는 산업적 채택을 계속 제한하는 느린 반응 속도와 규모 확대의 어려움 때문일 수 있습니다.

종합적으로 이러한 추세는 기술적 성숙도, 상업적 관심, 확장성이 어떻게 바이오매스 전환의 미래를 보다 효율적이고 시장 주도적인 솔루션으로 이끌고 있는지를 강조합니다.

우리는 연료 범주 내 상위 15개 물질을 식별하고, 이러한 물질과 각 원료 및 전환 공정 간의 연관성을 정량화하고 시각화하기 위해 동시 발생 분석을 수행했습니다(그림 8 참조). 이 접근 방식을 통해 각 연료 관련 물질의 합성에 기여하는 지배적인 원료 및 공정 경로를 식별할 수 있었습니다.

그림 8: 연료 범주의 제품 물질과 관련 원료 및 전환 공정 간의 동시 발생을 보여주는 히트맵. 출처: CAS Content Collection.

수소는 가장 많은 문헌 수를 보유하고 있으며, 이는 에너지 및 운송 분야에서 청정하고 재생 가능한 연료로서의 중요성을 강조합니다. 수소는 연료 전지 자동차, 백업 전력 시스템, 산업용 난방, 그리드 에너지 저장 등 광범위한 응용 분야에 사용됩니다. 수소는 주로 목재, 짚, 톱밥과 같은 리그노셀룰로오스 잔류물의 가스화 및 열분해와 같은 열화학 공정을 통해 얻어집니다.

탄소는 그다음으로 중요한 물질로, 높은 탄소 함량과 에너지 밀도로 인해 숯이나 코크스 형태의 고체 연료로 흔히 사용됩니다. 또한 활성탄과 같은 탄소 기반 재료는 에너지 저장 및 전환 응용 분야, 특히 배터리의 전극 재료로 사용됩니다. 이러한 탄소 형태는 주로 목재나 짚과 같은 바이오매스 자원의 탄화 과정을 통해 얻어집니다.

메탄은 이 범주에서 그다음 순위를 차지하며, 주로 가스화 및 발효 공정을 통해 짚이나 분뇨와 같은 바이오매스 자원에서 얻어집니다. 메탄은 바이오가스나 압축 바이오메탄 형태로 전기 발전, 난방 및 운송 연료로 널리 사용됩니다.

또한 리그노셀룰로오스 폐기물의 가스화 과정에서 생성되는 일산화탄소(CO)는 수소와 결합하여 전기 발전에 사용되는 다목적 연료 혼합물인 합성가스를 형성할 수 있습니다. 에탄올은 높은 옥탄가, 청정 연소 특성, 그리고 짚, 사탕수수 찌꺼기, 식량 작물, 미생물 등 다양한 바이오매스 자원의 발효를 통한 재생 가능한 생산 방식으로 인해 차량용 바이오 연료로도 사용됩니다.

플랫폼 화학 물질 및 재료: 원료, 전환 공정 및 제품 분석

플랫폼 화학물질 및 소재의 제품 범주를 파악하기 위해 일련의 유사한 분석을 수행했습니다. 우선 바이오매스 원료, 전환 공정, 그리고 이러한 화학 제품 간의 상관관계를 조사했습니다(그림 9 참조).

그림 9: CAS Content Collection의 문헌 수를 바탕으로 플랫폼 화학물질 및 소재 제품을 각 전환 공정 및 원료와 연결한 생키(Sankey) 다이어그램.

분석 결과, 탄소 소재는 주로 탄화 과정을 통해 생산되는 것으로 나타났습니다. 탄화는 탄소 함량을 높이고 휘발성 물질을 줄이며 최종 제품에 다공성 구조를 부여하는 공정입니다. 열분해 및 열수 반응 또한 숯, 탄소 섬유, 탄소질 재료와 같은 탄소 소재 합성에서 중요한 열화학적 공정입니다. 탄화 공정에 흔히 사용되는 바이오매스 원료로는 짚, 목재, 섬유 등이 있습니다.

바이오매스로부터 방향족 화합물을 생성하는 주요 공정 중 하나는 탈중합으로, 이는 리그닌과 같은 복합 고분자를 촉매를 통해 분해하는 과정입니다. 열분해와 수소화 반응 또한 방향족 화합물을 생성하는 두 가지 주요 공정입니다.

바이오매스로부터 고분자를 생산하는 과정은 주로 중합 반응에 의존하며, 일반적으로 발효 공정을 거친 후 중합에 필요한 바이오 기반 단량체를 얻는 방식을 따릅니다. 에스테르 교환 반응, 탄화, 가수분해와 같은 다른 접근법도 사용되고 있으며, 이는 바이오매스의 특성과 공정 조건에 따라 기능성 고분자 및 탄소 함량이 높은 소재를 얻는 경로를 제공합니다.

수소화 반응은 알코올 및 탄화수소 합성을 위한 주된 방법으로 사용됩니다. 지방산 유도체는 주로 에스테르 교환 반응을 통해 얻어집니다. 이러한 선호도는 트리글리세리드, 지방산, 풍부한 식물성 지방 및 오일과 같은 주요 원료의 특성에 기인하며, 이들은 에스테르 교환 반응을 통해 다른 에스테르를 생성하는 데 매우 적합합니다. 효소 가수분해를 포함한 가수분해는 당 및 올리고당으로의 전환과 관련된 핵심 공정 중 하나입니다.

짚과 목재 역시 주로 가수분해 공정과 관련이 있으며, 이는 리그노셀룰로오스 성분을 당 유도체로 효과적으로 전환합니다. 유기산은 대부분 가수분해와 열분해를 통해 얻어집니다. 케톤과 알데하이드는 주로 열분해 및 수소화 반응과 관련이 있으며, 질소 화합물은 주로 수소화 반응과 연관되어 있습니다. 전반적으로 본 분석은 다양한 전환 공정이 특정 바이오매스 원료와 어떻게 연결되는지, 그리고 이러한 공정이 최종 제품의 유형을 어떻게 결정하는지에 대한 포괄적인 개요를 제공합니다.

또한 2021~2024년 기간의 연평균 성장률(YoY)과 특허 비율을 분석하여 신흥 주제와 상업적 관심도가 높은 분야를 파악했습니다(그림 10 참조).

그림 10: 플랫폼 화학물질 및 소재 제품 범주 내 주요 주제별 평균 성장률 대비 출판물 수 및 특허 비율. (A) 제품; (B) 원료; (C) 공정. 출처: CAS Content Collection.

유기산은 완만한 특허 활동과 함께 강력한 성장세를 보이고 있으며, 이는 고분자 합성 및 화학 중간체를 위한 플랫폼 분자로서의 역할을 반영합니다. 이러한 성장은 당을 레불린산, 숙신산 및 기타 빌딩 블록으로 전환하는 촉매 공정의 발전과 석유 유래 산을 대체할 바이오 기반 대안에 대한 산업적 관심 증가에 기인합니다.

고분자는 상당한 특허 활동과 함께 꾸준한 성장세를 유지하고 있으며, 이는 바이오 기반 폴리에스터, 폴리우레탄, 폴리아미드의 지속적인 상용화를 반영합니다. 높은 출판물 수는 고분자 특성 개선 및 새로운 바이오 기반 단량체 개발에 대한 지속적인 연구 관심을 나타내며, 높은 특허 비율은 시장 구현을 위한 산업계의 노력을 보여줍니다.

제품으로서의 탄화수소는 완만한 출판물 수와 높은 특허 활동을 보이며 주목할 만한 성장을 기록하고 있습니다. 이러한 조합은 연료 및 화학 응용 분야를 위한 바이오 기반 탄화수소 생산에 대한 상업적 관심을 나타냅니다. 성장은 석유 유래 탄화수소에 대한 재생 가능한 대안의 필요성과 촉매 전환 기술의 발전에 의해 주도되고 있습니다.

식량 작물은 원료 중 가장 높은 특허 비율을 보이며, 이는 완만한 출판물 수에도 불구하고 강력한 상업적 관심을 나타냅니다. 이러한 높은 특허 활동은 식량 작물 가공을 위한 확립된 가치 사슬과 기존 농업 인프라를 활용할 수 있는 비교적 수월한 상용화 경로를 반영합니다. 식물성 지방 및 오일 또한 상당한 출판물 수와 함께 높은 특허 활동을 보입니다. 높은 특허 비율은 바이오디젤 생산, 올레오케미컬 및 특수 응용 분야에서의 확립된 상업적 타당성을 시사합니다.

리그노셀룰로오스 소재는 완만한 출판물 수에도 불구하고 원료로서 예외적인 성장세를 보이고 있습니다. 이는 가장 풍부한 바이오매스 자원을 활용하는 신흥 기술적 돌파구일 수 있습니다. 성장은 전처리 기술, 효소 시스템, 그리고 리그노셀룰로오스의 난분해성을 해결하는 통합 공정 접근 방식의 발전에 의해 주도됩니다. 사탕수수 찌꺼기(바가스) 또한 상당한 출판물 수와 함께 강력한 성장세를 보이며, 이는 쉽게 구할 수 있는 농업 잔재물로서의 중요성을 반영합니다.

최근 몇 년간 높은 성장세를 보인 대부분의 공정은 바이오매스 내 천연 고분자의 전환과 관련이 있습니다. 열적 고분자 분해는 전환 공정 중 가장 높은 연평균 성장률(YoY)을 보입니다. 이러한 놀라운 성장은 바이오매스, 특히 리그닌과 셀룰로오스의 복합 고분자 구조를 가치 있는 단량체 단위로 분해할 수 있는 기술에 대한 관심 증가를 반영합니다. 낮은 특허 비율은 이 분야가 아직 초기 연구 단계에 있으며 지식재산권 개발을 위한 상당한 기회가 있음을 시사합니다.

당화 공정은 완만한 출판물 수와 함께 예외적인 성장세를 보이고 있습니다. 이는 리그노셀룰로오스 바이오매스를 발효 가능한 당으로 전환하는 데 있어 핵심적인 역할을 반영합니다. 탈중합은 촉매 탈중합, 용매 기반 분획, 그리고 방향족 화합물 및 기타 가치 있는 화학물질의 표적 생산을 가능하게 하는 선택적 결합 절단 기술의 발전에 힘입어 상당한 성장을 보이고 있습니다.

열분해 또한 완만한 출판물 수와 함께 높은 성장세를 보이며, 이는 기술적 성숙과 상업적 배치를 반영합니다. 바이오 오일 생산을 위한 급속 열분해와 특정 화학물질을 위한 촉매 열분해가 이러한 성장을 주도하고 있습니다. 이 공정은 다양한 원료를 처리하고 다중 제품 스트림을 생산할 수 있는 능력 덕분에 분산형 처리 및 농촌 경제 발전에 매력적인 선택지가 되고 있습니다.

탄화 공정은 가장 많은 출판물 수와 함께 예외적으로 높은 특허 활동을 보이며, 이는 기술적 성숙도와 지속적인 혁신을 나타냅니다. 높은 특허 비율은 활성탄 생산, 농업용 바이오차, 첨단 탄소 소재를 포함한 다양한 응용 분야를 반영합니다. 상업적 동인으로는 환경 복원 시장, 토양 개량제 응용, 그리고 에너지 저장 및 탄소 격리 분야의 새로운 기회가 있습니다.

발효는 상당한 출판물 수와 함께 높은 특허 활동을 보이며, 이는 생명공학 응용 분야의 성숙도를 반영합니다. 높은 특허 비율은 에탄올, 유기산 및 기타 발효 제품에 대한 확립된 상업적 경로를 나타냅니다. 지속적인 혁신은 새로운 미생물, 대사 공학 및 통합 바이오 공정 접근 방식에 집중되고 있습니다.

앞선 섹션에서 논의된 제품 외에도 제품 역할로 색인된 개별 물질을 분석했습니다(그림 11 참조). 데이터에 따르면 바이오매스 전환에서 파생된 15가지 핵심 플랫폼 화학물질에 대한 연구가 집중적으로 이루어지고 있으며, 탄소, 5-(하이드록시메틸)푸르푸랄(HMF), 푸르푸랄이 가장 많이 연구된 제품으로 나타났습니다.

그림 11: 플랫폼 화학물질 및 소재 카테고리의 상위 15개 제품과 해당 물질과 함께 나타나는 공정 및 원료. 출처: CAS Content Collection.

5-(하이드록시메틸)푸르푸랄(HMF)과 푸르푸랄은 바이오 연료, 폴리머, 정밀 화학 제품의 전구체로 사용되는 핵심적인 푸란계 플랫폼 분자입니다. 특히 HMF는 폴리에스터 생산에서 테레프탈산의 재생 가능한 대체재인 2,5-푸란디카르복실산(FDCA)을 생산하는 데 매우 유용합니다. 푸르푸랄의 수소화 반응을 통해 얻는 푸르푸릴 알코올은 주물용 수지, 접착제 및 푸란 수지의 전구체로 광범위하게 사용됩니다.

바이오매스 탄화 공정에서 파생된 탄소 소재는 환경 복원, 에너지 저장 및 토양 개량 분야에 필수적인 활성탄, 바이오차, 탄소 나노 소재를 생산합니다. 이러한 높은 연구 관심도는 바이오매스 유래 탄소 소재가 다양한 지속가능성 과제를 해결하는 데 다재다능함을 보여줍니다.

페놀 및 구아이아콜을 포함한 페놀 화합물은 페놀 수지, 비스페놀 A 대체재 및 다양한 의약품 중간체를 생산하는 데 필수적입니다. 메톡시기를 가진 구아이아콜은 바닐린 및 기타 고부가가치 방향족 화합물을 생산할 수 있는 독특한 기회를 제공합니다. 레불린산은 연료 첨가제 및 친환경 용매로 사용되는 γ-발레로락톤, 메틸테트라하이드로푸란 및 각종 에스테르 생산을 위한 플랫폼 분자로서 중요합니다. 아세트산과 포름산은 화학 중간체이자 직접적인 산업용 제품으로 활용됩니다. 수소, 이산화탄소, 일산화탄소, 메탄을 포함한 가스 제품은 바이오매스 전환과 에너지 생산 및 합성 가스 생성의 통합을 보여줍니다. 바이오매스를 통한 수소 생산은 신흥 수소 경제에 특히 중요합니다.

분석 결과, 플랫폼 화학물질별로 전환 공정 선택에 뚜렷한 패턴이 나타났습니다. 탄화 공정은 열처리를 통해 탄소 함량이 높은 소재를 생산하는 데 효과적이어서 탄소 생산 분야를 주도하고 있습니다. 화학적 및 효소적 가수분해 공정은 복잡한 바이오매스 천연 폴리머를 분해하는 데 핵심적인 역할을 합니다. HMF 및 푸르푸랄 생산에서 가수분해의 비중이 높은 것은 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스 성분을 푸란계 화합물로 전환하는 데 있어 가수분해의 중요성을 강조합니다.

에탄올 생산에서 효소 가수분해와 발효가 함께 나타나는 빈도가 높은 것은 셀룰로오스를 포도당과 같은 발효성 당으로 분해한 뒤 발효를 거쳐 바이오에탄올을 생산하는 공정의 역할을 반영합니다. 열분해 및 해중합 공정은 방향족 화합물 생산과 밀접한 관련이 있으며, 특히 구아이아콜 및 페놀과 강한 연관성을 보입니다. 이러한 공정은 리그닌 구조를 효과적으로 분해하여 유용한 방향족 화합물을 추출합니다.

원료 분석 결과, 농업 잔재물이 플랫폼 화학물질 생산의 주요 원료로 사용되는 것으로 나타났습니다. 옥수수, 쌀, 밀짚을 포함한 짚류는 여러 제품군에서 가장 많이 사용되며, 특히 푸르푸랄 및 HMF 생산에서 높은 비중을 차지합니다. 이는 해당 원료에 펜토산과 헥소산 함량이 높아 푸란계 화합물 생산에 이상적이기 때문입니다.

목재 바이오매스는 탄소 생산, 푸르푸랄, 페놀, 구아이아콜 생산과 밀접한 관련을 보이며 원료로서의 다재다능함을 입증합니다. 목재 바이오매스의 높은 리그닌 함량은 해중합을 통한 방향족 플랫폼 화학물질 생산에 특히 적합합니다. 탄소 생산과의 높은 연관성은 숯 및 활성탄 제조 분야에서 목재가 전통적으로 사용되어 온 역할을 반영합니다. 사탕수수 찌꺼기(바가스)는 여러 제품군에 걸쳐 균형 있게 사용되며, 푸르푸랄 및 탄소 생산과 가장 높은 연관성을 보입니다.

바이오매스 제품의 향후 방향

바이오매스 전환 분야는 활발한 연구가 진행되고 있으나, 특허보다 학술지 논문이 더 많다는 점은 이러한 소재의 상용화가 여전히 과제임을 시사합니다. 바이오 연료와 바이오 화학물질이 널리 채택되려면 식량 공급을 저해하거나 가격을 상승시키지 않으면서 연료와 화학물질을 생산할 수 있도록 비식용 바이오 원료에 의존하는 '식량 대 연료' 문제를 해결해야 합니다. 또한 전환 공정의 에너지 효율을 높이고 배출량을 제한하는 것이 경제적, 환경적 타당성을 확보하는 핵심입니다.

이러한 과제들은 매우 어렵지만 극복 불가능한 것은 아닙니다. 환경에 대한 우려가 커지고 화석 연료 자원의 한계가 드러나면서 바이오매스 유래 에너지 및 화학 원료에 대한 관심은 지속될 것입니다. 산업 탈탄소화는 기후 변화의 영향에 대응하는 전 세계적 흐름에 따라 계속될 것이며, 바이오 연료와 바이오 화학물질은 저탄소 산업 공정의 중요한 요소가 될 것입니다.

출판물 현황 분석에서 알 수 있듯이, 바이오매스 원료와 다양한 전환 방법을 활용하여 수요가 높은 산업 제품을 생산할 기회는 충분합니다. 지금까지의 연구 규모는 과학 기술이 발전하고 있음을 보여주며, 지속적인 혁신을 통해 이러한 바이오 기반 소재는 실험적 단계를 넘어 현대 경제의 필수적인 원료로 자리 잡을 수 있을 것입니다.

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