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효모발효실험을 통한 친환경 바이오에너지 연구

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보라 윤

on 7 April 2016

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Transcript of 효모발효실험을 통한 친환경 바이오에너지 연구

4. 미래 에너지-바이오 에너지

가. 바이오 매스 에너지
1. 연구의 배경과 목적
2.2 에너지의 정의와 종류
1. 산업혁명 이전의 생활에너지
다. 효모발효 실험

라. 바이오 에탄올 시장의 전망
① 바이오 에탄올의 문제점과 해결방안

바이오 에탄올은 대부분 당질(사탕수수) 및 전분질계(옥수수) 원료를 사용하므로 식품을 원료로 사용하는데 기인하는 원료 수급 불안, 가격 상승의 경제적 문제점뿐만 아니라 식량 가격 상승의 원인 이라는 도덕적 문제점을 가지고 있다. 이에 식용으로 사용이 불가한 목질계(셀룰로오스)나 조류(Algae)를 원료로 활용하는 차세대 에탄올에 대한 관심이 높아지고 있다.
목질계(셀룰로오스) 바이오에탄올은 갈대, 목재 등 목질계 원료를 원료로 하는 것이다. 식물체의 주성분인 셀룰로오스를 사용하므로 그 생산 잠재량은 크지만, 셀룰로오스를 분해하여 당으로 전환하는 과정이 필요하여, 고비용이라는 단점이 있다. 또한 미역, 다시마 등의 거대조류 또는 녹조류 등의 미세조류로부터 바이오연료(바이오알코올, 바이오디젤)을 생산할 수 있는데, 에너지 효율성이 높고 CO₂를 흡수하는 장점으로 인하여 차세대 바이오연료로 주목받지만, 아직은 경제성 측면 에서 문제가 있다.

4. 실험정리

무산소 호흡의 한 예인 발효 과정을 효모로 실험해 봄으로써 발효가 진행될수록 부피가 증가하며 온도도 증가한 다는 사실을 알게 되었다. 또한 포도당용액이 가장 반응이 활발히 일어났으며 이는 포도당은 단당류이고 설탕은 포도당과 과당이 결합된 이당류이기 때문이다. 모든 생명체는 단당류만을 이용할 수 있기 때문에 설탕을 이용하기 위해서는 포도당과 과당으로 분해하는 부수적인 과정을 수만해야 하므로 설탕에서의 발효가 더 느리다.

효모발효실험을 통한
친환경 바이오에너지 연구

-환경 문제 개선 방안 찾기-

3-2 윤보라 3-4 김예나 3-6 우가은

환경이란 단어는 21세기의 화두로서 많은 사람이 유행처럼 사용하고 있다. 지구 생태계가 오염되어 가고 있다는 사실은 모든 사람이 인정하고 있지만, 파괴되어 가는 지구 생태계를 구하기 위하여 우리가 무엇을 해야 되는지에 대한 방법은 잘 모르고 있다. 따라서 우리는 산업혁명 이전과 이후에 사용된 에너지는 무엇이고 이 에너지의 문제점과 환경 문제 개선에 도움이 될 수 있는 방안이 무엇인지 알아보기 위한 목적이 있다.
2. 이론적 배경
2.1 혁명의 전개
토플러의 물결 이론에 따르면 첫 번째 혁명은 농업 혁명에 의한 수렵 채집사회에서 농경사회로의 혁명적 사회 변화이다. 두 번째 혁명은 산업 혁명에 의한 농경사회에서 산업 사회로의 사회 변화이다. 이 혁명은 핵가족, 공장 같은 교육시스템과 기업의 주요 요소를 가진다. 세 번째 물결, 곧 "제3의 물결"은 후기 산업화 사회이며 정보화 사회이다. 여기에서 우리가 주목해야 할 것은 두 번째 혁명이다.
인류가 최초로 이용한 에너지는 불이다. 처음 인류는 바람에 의한 나무의 마찰이나 번개에 의해 발생한 자연상태의 불을 이용하였다. 그 후 나무를 마찰시키거나 부싯돌을 이용하여 스스로 불을 피워 이용하게 되었다. 이로써 인간은 불을 이용함으로써 추위와 어둠으로부터 해방될 수 있었으며, 토기, 유리 등의 도구를 만들고 각종 금속을 제련하여 이용할 수 있었다.

가.불의 이용

불을 사용하기 시작한 인류는 수렵과 채집으로 이어나가던 생활을 접고 정착생활, 즉 농경사회로 접어든다. 이때 소나 말 등의 가축을 키우며 물건을 옮기고 논밭도 경작해 나간다. 불 에너지 다음으로 가축에너지를 사용한 것이다.


나. 가축 에너지의 이용
문명이 발달하면서 다양한 형태의 에너지가 발달하게 되었다. 물레방아나 강물의 흐름을 이용하는 수차나 바람의 힘을 이용하는 풍차처럼 다양한 자연에너지를 이용해 생활은 더욱 편리해 졌다.
다. 자연 에너지의 이용


18세기에 접어들면서 인간의 삶은 큰 변화를 맞이한다. 바로 산업혁명이다. 석탄의 사용으로 인류의 생활은 크게 변했다. 석탄을 이용한 증기기관의 발명으로 가축 에너지를 뛰어넘는 큰 동력원을 얻을 수 있게 되었고 공장의 기계들을 돌려 물건의 생산량도 크게 늘어났다. 또한 증기 기관을 이용한 증기 기관차, 증기선 등으로 대량의 물자를 짧은 시간에 운반할 수도 있게 되었다.

2. 산업혁명 이후의 생활에너지

20세기에는 석유가 가장 강력한 에너지원으로 활용
되는데, 석유를 사용한 디젤기관이 개발돼 자동차, 비행기 등의 에너지원이 부상하게 된다. 또한 사용이 더욱 편하고 깨끗한 이상적인 에너지, 전기에너지가 탄생하였다. 전기는 수력, 석유, 석탄, 원자력 등을 이용하여 만들어지는데, 전기에너지를 널리 사용하는 이유는 전기는 다루기 쉽고, 여러 곳에서 사용할 수 있기 때문이다. 따라서 전기에너지의 탄생으로 인류는 산업 기술, 경제, 문화 등 다양한 분야에서 비약적인 발전을 이루게 된다.

나. 석유의 활용

새로운 에너지의 활용으로 우리들의 생활은 풍요로워졌다.
산업혁명 이후 공업의 눈부신 발전으로 에너지의 사용이 폭발적으로 증가하였고 석탄과 석유등이 이 같은 발전을 뒷받침하였다. 석탄과 석유는 지구가 오랜 세월 걸쳐서 축적해온 에너지 자원으로 이들로부터 얻을 수 있는 에너지를 화석에너지라고 한다. 화석에너지는 매장량이 유한적이라 고갈의 위험이 높으며 한 번 쓰면 다시는 만들 수 없다. 광대한 양이라고는 하지만 문명의 발달속도가 워낙 빠르고 인구 증가가 폭발적이다 보니 에너지 자원의 사용량도 함께 증가하고 있다. 언젠가는 우리가 사용하고 있는 에너지가 모두 없어질지도 모른다.


3. 에너지 사용의 문제점

가. 고갈되어 가는 에너지

지구의 연평균 기온이 오랜 기간에 걸쳐 점점 높아지고 있다. 화석연료 등의 에너지를 사용하게 되면 온실기체
즉, 우주로 방출되는 에너지의 일부를 흡수하여 지구를 따뜻하게 하는 기체가 많이 발생하게 되는데 이 기체가 많아 질수록 지구온난화는 심각해 진다. 매일 아침 뉴스에서 보도되는 교통정체의 원인인 자동차는 엄청난 양의 배기가스를 내뿜고 있다. 또한 배, 비행기 등의 대형운송수단, 밤낮없이 가동되는 공장의 제품, 전기 생산을 위해 화석에너지를 연소시키면서 생성되는 이산화탄소 량은 기하급수적으로 증가하고 있다. 따라서 지구는 점점 기온이 높아지고 있으며 해수면은 더욱 상승하고 있다. 북극곰들은 이제 먹이를 찾아 500km가 넘는 거리를 이동해야 한다. 45억년 전 아름답고 푸른 행성으로 불리던 지구는, 지금 시름시름 앓고 있는 중병환자가 되었다.


나. 에너지 사용과 환경문제

바이오 매스(Biomass)는 생물량 또는 생물체량이라고 하며, 동식물로부터 유래되는 유기물질을 말한다. 이러한 바이오 매스는 나무, 농작물을 비롯해 축산 폐기물, 도시 하수의 유기 슬러지에 이르기까지 그 종류가 광범위하다. 바이오 매스는 나무처럼 가공하지 않은 형태로 태워도 열을 생산할 수 있지만, 이를 가공하면 보다 사용이 편리한 에너지 형태인 액체나 가스로 전환(바이오 매스 에너지화)하여 자동차 연료나 전기를 생산 하는 데에도 이용될 수 있기 때문에 미래 에너지로서 관심을 받고 있는 상태이다. 바이오 매스의 지방, 탄화수소(주로 당류)를 물리적, 화학적, 생물학적 처리를 통해 이용이 편리한 형태의 에너지를 만들 수 있는데, 주로 식물성 기름을 사용해 바이오 디젤을, 당류의 경우 생물학적 발효를 통해 바이오 알코올을 만들 수 있다. 또한 유기성 폐기물은 산소를 공급하지 않은 상태에서 생물학적 혐기발효를 통해 메탄가스를 생산할 수 있다.
바이오 매스 에너지화에 대한 연구 개발은 앞으로도 전 세계적으로 지속 될 것이며, 향후 5~10년을 기점으로 바이오 에너지 산업은 급격히 성장할 것으로 전망되고 있다.


바이오 매스 에너지는 사용해도 대기 중 이산화탄소량이 증가하지 않는다는 ‘탄소중립(CO₂- neutral)’ 에너지라고 인식 되기에 교토의정서에 의해 CO₂ 배출량을 감소해야 하는 각 국으로부터 주목 받고 있다.
바이오매스 에너지 중 바이오디젤과 바이오알코올은 수송 용으로 주로 사용되고 있는데 바이오알코올 중 바이오에탄올 은 현재 보급 중인 수송용 바이오연료의 약 80%를 차지하고 있다.
바이오알코올은 당질, 전분질, 셀룰로오스 유래 원료를 효소당화(또는 추출)하고 이를 발효시켜 수송용 연료로 사용되는 바이오에탄올, 바이오부탄올 등을 말한다.

나. 바이오 매스 에너지의 필요성

① 목적
-효모의 알코올 발효과정을 통해 무기 호흡 과정을 이해한다.

-효모의 발효에 의하여 당이 에탄올과 이산화탄소로 분해되는
과정을 이해한다.

-효모가 발효에 이용할 수 있는 기질을 안다.


미생물이 자신이 가지고 있는 효소를 이용해 유기물을
분해시키는 과정을 발효라고 한다. 발효반응과 부패반응은 비슷한 과정에 의해 진행되지만 분해 결과, 우리의 생활에 유용하게 사용되는 물질이 만들어지면 발효라 하고 악취나 나거나 유해한 물질이 만들어지면 부패라고 한다.
우리가 즐겨먹는 김치, 요구르트 등은 모두 발효를 이용해 만든 식품이다. 대부분의 생물은 호흡을 위해 산소를 필요로 하고, 산소호흡을 통해 활동에 필요한 에너지를 얻는다. 반면 땅 속 깊은 곳이나 호수의 밑바닥과 같이 산소가 부족한 환경에 사는 생물들은 그러한 환경에 적응하여 산소가 없이도 에너지를 얻을 수 있는데, 이러한 호흡을 무산소호흡이라 한다. 발효는 바로 이러한 무산소호흡의 하나이다.

② 이론
1. 발효란?

사람은 탄수화물과 같은 유기물을
섭취하면 산소호흡을 통해 유기물을
이산화탄소와 물로 분해하고 에너지를
얻는다. 그렇지만 무산소호흡을 하는
생물들은 유기물을 완전히 분해시키지
못하고 다른 종류의 유기물을 만들어내기도 한다. 또 발생하는 에너지의 양도 적다. 발효과정에서 역시 유기물이 분해되어 또 다른 유기물이 만들어지고 적은 양의 에너지를 생성하게 된다.

2. 발효과정

포도당을 담은 그릇에 효모를 넣고 뚜껑을 닫으면
미생물인 효모가 효소를 이용해 유기물인 포도당을 분해한다. 이때 뚜껑이 덮여 있기 때문에 산소를 통한 호흡이 불가능 하며 무산소호흡이 이루어진다. 효모는 포도당을 완전히 분해시키지 못하고 에탄올을 만든다. 이러한 발효를 알코올발효라고 하며 알코올 발효를 이용하여 막걸리나 맥주와 같은 술을 만들 수 있다.
이러한 작용을 하는 미생물로 가장 잘 알려진 것은 효모이며, 글루코스(포도당)/프럭토스(과당)/마노스/말토스(엿당)/슈크로스(설탕)를 발효시킬 수 있다. 알코올발효는 미생물(특히 곰팡이)이나 고등식물에서 볼 수 있으나, 동물에서는 알코올 발효가 거의 일어나지 않고 산소가 없는 상태에서는 젖산발효가 일어난다.

3.1 알코올발효(주정발효)
3. 발효의 종류

또 젖산균을 무산소상태에서 포도당과
반응시키면 젖산을 만들어내는데, 이러한 발효를 젖산발효라 한다 요구르트나 치즈, 김치 등이 젖산발효에 의해 만들어지는 음식이다. 젖산발효는 음식을 만드는 과정뿐 아니라 우리 몸 속에서도 일어나는 경우가 있다. 무리하게 달리기를 하고 나면 숨이 차 헐떡이게 된다. 몸이 빠르게 움직이면서 짧은 시간 동안 많은 에너지를 필요로 하기 때문에 빠르게 산소를 흡수하여 에너지를 보충하기 위함이다. 달리는 동안 소모되는 에너지의 양이 산소호흡을 통해 얻어지는 에너지의 양보다 크면 궁여지책으로 모자라는 만큼을 무산소호흡을 통해 얻어야 한다. 그리고 이때 우리 몸 속에서 일어나는 무산소호흡이 바로 젖산발효인 것이다. 젖산발효가 일어나면 젖산이 만들어지는데 이는 우리 몸에 피로를 느끼게 하는 물질이다. 심한 운동을 하고 나서 근육이 피로해 지는 이유가 바로 여기에 있다.

3.2 젖산발효
20ml 큐네발효관 4개, 비커, 핫플레이트,
스포이트, 증류수 100ml, 건조효모, 설탕용액 5% 15ml, 포도당용액 5% 15ml, 음료수


<실험 1>
1) 건조시킨 효모 8g을 60ml의 멸균 증류수에 풀어 효모현탁액을 만든다
2) 건열 멸균한 비커에 다음 물질들을 넣고 잘 섞어 큐네 발효관 A~D에 다음의 물질들을 그림과 같이 넣고 입구를 솜 마개로 막는다.
A : 증류수 15ml + 효모현탁액 15ml
B : 5% 포도당용액 15ml + 효모현탁액 15ml
C : 5% 설탕용액 15ml + 효모현탁액 15ml
D : 음료수 15ml + 효모현탁액 15ml



3) A~D 발효관을 37℃ 핫플레이트에 두고 10분 간격으로 발생되는 기체의 부피를 측정한다

실험
1. 기구 및 시약
2. 장치 및 방법
에너지의 어원은 그리스어인 에네르게이아로 일을 할 수 있는 능력, 일을 할 수 있는 힘을 뜻한다.
사람에게도, 물체에게도 적용할 수 있는데, 구체적으로는 ‘사람이나 물체가 활동할 수 있는 근원이 되는 힘이다. 에너지는 그 종류도 많고 우리 생활과 밀접한 존재로 에너지가 없는 세상은 상상하기 어려울 정도이다.
에너지는 보통 자원이나 형태로 나누는데, 에너지 자원으로는 태양, 바람, 석탄, 가스, 우라늄 등이 있다. 에너지의 형태에는 운동에너지, 위치에너지, 전기에너지, 열에너지, 빛에너지, 화학에너지 등이 있다. 에너지는 크게 1차, 2차 에너지로 나누는데 1차 에너지는 자연으로부터 얻을 수 있는 에너지이며 2차 에너지는 1차 에너지를 변형 또는 가공하여 우리 생활이나 산업 분야에서 다루기 쉽고 사용하기 편리한 에너지로 만든 것이다.

② 바이오 에탄올 시장의 전망

바이오 에탄올은 전 세계 여러 나라에서 신 재생 에너지 연료혼합 의무제도하에 휘발유에 혼합하여 사용되고 있으며 우리나라의 경우도 2015년부터 도입되어 바이오 에탄올 시장이 본격적으로 형성될 전망이다


1. 탐구결과 분석 및 한계 비판

- 산업혁명 이전과 이후에 사용된 에너지와 이 에너지가 환경에 주는 문제점을 알아본 뒤, 신 재생 에너지 중 하나인 바이오 에너지에 대해 조사하고 바이오 에탄올을 알아보기 위해 효모의 알코올 발효과정을 탐구하였다.
- 효모의 발효에 의하여 당이 에탄올과 이산화탄소로 분해되는 과정을 탐구하였으며 열이 발생함으로써 바이오 매스가 사용이 편리한 에너지 형태인 액체나 가스로 전환(바이오 매스 에너지화)되어 자동차 연료나 전기를 생산 하는 데에도 이용될 수 있을 거라고 생각했다.


가. 탐구결과 분석
나. 연구한계 비판

- 바이오에탄올은 가솔린에 비해 부식성 및 친수성
등의 약점이 있으며 식품을 원료로 사용하는데 기인하는 원료 수급 불안, 가격 상승의 경제적 문제점뿐만 아니라 식량 가격 상승의 원인 등의 문제점이 나온다는 면에서 앞으로 더 연구해야 될 필요가 있다.

- 효모 발효과정 실험 시 큐네 발효 관의 크기로 인해 측정 불가한 부분이 있어 실험이 조금 불분명하였다.


가. 연구결론



- 상기 한계성이 있음에도 불구하고 지구온난화의 문제점을 해결하고자 에너지의 역사와 에너지 사용의 문제점을 알아보아 그를 해결할 수 있는 최적의 환경문제 개선 에너지에 대해 알아보고 실험해 보았다.
- 이는 향후 바이오 에탄올뿐만 아니라 친환경적이며 재생이 가능한 에너지를 더 연구할 수 있음에 의의를 둔다.




-바이오 매스를 사용이 편리한 에너지 형태인 가스와 액체 상태로 만들 때 드는 비용이나 복잡한 과정들을 개선하기 위한 새로운 연구를 해보고 싶다.


2. 연구결론 및 새로운 연구 제안
나. 새로운 연구 제안

- 지구를 살리는 7가지 불가사의한 물건들(존 라이언 저, 도서출판 그물코, 2002)
- 성찰 환경론(오용선 저, 아르케, 2008)
- 친환경 에너지 타운: 인류의 가족, 인간의 동반자 ((공)저: 한국에너지기술연구원)
- 바이오에탄올 시장 확대를 위한 요건과 전망(기술사업화 정보실 선임연구원 임대현)
- 온라인 위키백과
- 에너지 관리공단과 함께하는 에너지 교실
- google 전문정보>혁명의 역사(토플러의 물결이론)
- 네이버 지식백과>에너지 정의/종류
- 과학창조영재실험 반>효소발효이론
- 구글 이미지

가. 참고 문헌
가. 석탄의 사용
③ 실험
2014년 기준
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