미활용 바이오폐기물을 신재생에너지로 상용화 가능
미래창조과학부(장관 최양희)는“해조류의 미활용 바이오매스*에서 다른 연료를 쓰지 않고, 값비싼 멸균 과정 없이 연속적으로 바이오수소**를 생산할 수 있는 기술이 개발되었다”고 밝혔다.
* 바이오매스 : 식물의 광합성에 의하여 고정화된 생산량 중에서 석탄, 석유를 제외하고 아직 이용되고 있지 않은 에너지 자원을 말함. 식용, 사료, 화학 원료 등으로 사용되지 못하고 폐기물로 취급되는 것을 미활용 바이오매스라 한다.
** 바이오수소 : 나무, 풀, 해조류 등 바이오매스를 원료로 생산하는 수소.
활용도가 높은 수소 에너지를 얻기 위해서는 화석, 원자력 등 다른 에너지를 많이 투입해야만 한다. 또한 생물학적으로 바이오수소를 생산하는 방법은 경제성이 낮아 상용화에 이르지 못하고 있다.
김상현 교수(대구대) 연구팀은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구) 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 바이오에너지 분야에서 세계적 학술지 바이오리소스 테크놀로지(Bioresource Technology) 8월 1일자 표지논문으로 게재되었다.
논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
- 논문명 : Effects of anti-foaming agents on biohydrogen production
- 저자 정보: 김상현 (교신저자, 대구대 교수), 페리야사미 시바구루나단 (제1저자, 대구대 박사후연구원), 파티반 안부라잔 (공동저자, 대구대 박사과정), 고팔라크리슈난 쿠마르 (공동저자, 일본 국립환경과학원), 페테르 버코니 (공동저자, 헝가리 판노니아 대학), 난도르 네메스토티 (공동저자, 헝가리 판노니아 대학), 커털린 벨러피-바코 (공동저자, 헝가리 판노니아 대학)
1. 연구의 필요성
생물학적 바이오수소는 지속가능한 수소 생산 방법이지만 원료와 반응공정 상의 한계로 인해 상용화가 쉽지 않다. 미국 등을 중심으로 목질계 바이오매스를 원료로 사용하는 방안이 활발히 연구되고 있다.
* 생물학적 바이오수소 : 바이오수소 생산은 생물학적 방법과 열화학적 방법으로 나뉘며, 이중 화석연료 투입이 필요 없는 것이 생물학적 방법이다.
우리나라와 같이 국토가 협소한 나라에서는 목질계 바이오매스를 경제적으로 얻기 어렵고, 목질계 바이오매스의 구조 상 전처리에 상당한 공정비가 들어간다는 한계점이 존재하므로 다른 대안 모색이 필요하다.
생물학적 바이오 수소를 생산할 때 공정 운전 과정에서 수소 생성균 외의 수소를 먹이로 하는 미생물을 지속적으로 멸균해야하기 때문에 이 과정에서 막대한 비용이 발생한다.
2. 연구 내용
미활용 바이오매스 중 해조류는 삼면이 바다인 우리나라에서 대량 확보가 가능하다. 그 중 탄수화물 함량이 가장 높은 홍조류의 주 성분인 갈락토스*를 활용하여 값비싼 멸균 과정 없이 연속적으로 바이오수소 생산이 가능한 기술을 개발하였다.
* 갈락토스 : 포도당(글루코스)의 이성질체로, 한천, 전당 등의 주요 구성성분. 많은 단일 균주가 기질로 활용하지 못하고 활용하더라도 일반적으로 포도당에 비해 발효 속도가 느림
본 연구에서는 갈락토스의 효율적인 활용과 멸균 비용 저감을 위해 단일 균주 배양이 아닌 혼합 배양을 채택하였다. 혼합 배양의 핵심은 수소 생성균이 비수소 생성균에 비해 경쟁적 우위를 점하도록 공정 상태를 유지하는 기술이다.
하수처리 과정에서 폐기물로 발생하는 슬러지(침전물)를 90oC에서 30분간 열처리한 것을 별도의 선별 과정 없이 그대로 반응 초기에 주입하고, 이외에는 일체의 멸균을 실시하지 않고 반응을 진행하였다. 위 열처리는 전체 미생물을 멸균하는 것이 아니라 내생포자*를 형성하는 수소 생성균이 우위를 점하도록 하는데 목적을 두었다.
* 내생포자 : 세균성 세포 내에 생성된 포자로 세균의 DNA를 동일하게 보유하고 있으며 열, 살균제, 산성, 알칼리성에 대해 저항성이 있어, 위와 같은 불리한 환경에 처하게 되면 모세포는 사멸해도 포자는 생존하고, 생존 환경이 회복되었을 때 정상적인 세포로 발아함. 수소 생성균 중에는 내생포자를 가진 종이 많음
실시간 중합효소연쇄반응법(qPCR)*으로 수소생산 핵심 미생물의 함량을 모니터링하며 연속 운전 인자(pH, 갈락토스 농도 및 유량, 소포제** 투입 등)를 조절함으로써, 열처리를 통해 수소 생성균이 우위를 점하는 상태를 유지할 수 있었으며, 이로써 멸균과정 없이 높은 생산성을 유지하는 바이오수소 생산 기술을 개발할 수 있었다.
* 실시간 중합효소연쇄반응법: 특정한 DNA 염기서열의 증폭을 수행하면서 증폭되는 양을 실시간으로 측정하여, 시료 내 해당 DNA 염기서열의 양을 정량하는 실험 기법. 특정 미생물 또는 미생물군의 농도를 측정하는데 유용하다.
** 소포제 : 거품 생산을 억제하거나 제거하는 화학 약품
또한, 연속 바이오수소 생산 시 주요 문제점으로 지적되는 거품 발생(foaming) 제어를 통해 공정 폐색 및 미생물 손실 가능성을 차단하였다.
3. 연구 성과
이 기술을 통해 건조 해조류 1ton 당 74 m3의 연속 바이오수소 생산이 가능하다(해조류 바이오매스 중 발효 가능한 물질의 함량을 30%로 가정). 이는 목질계 바이오매스의 63 m3 보다 우수하고 재배 면적 당 생산량이 목질계 바이오매스의 3배이고, 처리 비용 또한 절반 수준임을 고려할 때 경제성도 높을 것으로 기대된다.
발효 속도가 느려 바이오에너지 원료로 활용되지 못했던 갈락토스로부터 연속 바이오수소 생산 기술을 개발함으로서 홍조류 등 미활용 바이오매스를 이용한 바이오에너지 생산 방법을 제시하였다.
또한 재생에너지 관련 기술 확보 및 보급, 수소 경제 조기 산업화를 통한 청정 연료화 기술의 국산화, 개발도상국을 중심으로 한 해외시장 경쟁력 확보를 통한 해외 수출 사업화 모델 개발이 기대된다.
□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.
김상현 교수는“이 연구는 홍조류 등 미활용 바이오매스의 주 성분인 갈락토스를 미생물의 먹이로 활용하고, 값비싼 멸균 과정 없이 연속적으로 바이오수소를 생산할 수 있는 기술을 개발하였다. 이로써 바이오수소 생산이 연구실 수준을 넘어 상용화에 다가갈 수 있는 기반을 제공했다는데 의미가 있다”라고 연구의 의의를 설명했다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
수소는 에너지 밀도가 높고(122 kJ/g, 가솔린의 약 3배) 연소 시 미량의 질소산화물과 물만을 배출하는 청정에너지로, 유망한 수송용 연료임. 또한 현재의 중앙집중형 전기 공급 시스템을 대체할 새로운 기술인 연료전지의 원료이기도 함. 향후 천문학적으로 수요가 예상됨. 시장조사기관인 파이크 리서치(Pike Research)는 2011년 8월 세계 수소연료 수요량이 2010년 775톤에서, 2020년 41만 8,000톤으로 급격히 확대될 것으로 전망
현재 수소는 주로 석유나 천연가스 등의 화석연료 수증기 개발 반응에 의해 제조되며, 원유 정제공정 및 제출소 부생가스로부터 분리되거나 원자력을 이용하여 물을 전기분해하기도 함. 이러한 기술들에 의한 수소 생산은 생산되는 수소에 비해 훨씬 많은 양의 재생 불가능한 에너지를 투입하여 얻는 것이므로 온실가스 감축 및 지구환경 보호라는 신재생에너지 기술 개발의 기본 목적에 맞지 않아 궁극적으로는 생물학적 공정 등 재생 불가능한 에너지의 투입이 필요 없는 지속 가능한 방법으로 대체되어야 함
혐기발효* 수소 생산은 미생물이 탄수화물을 혐기성 상태에서 수소와 유기산으로 분해하는 메커니즘을 이용하는 생물학적 공정임. 현재까지 혐기발효 수소 생산은 국내와 국외 모두 주로 음식물쓰레기, 식품 폐수 등 유기성 폐자원을 기질로 활용하는 것에 집중되어 왔음. 이는 가격이 저렴한(혹은 처리비를 받을 수 있는) 유기성 폐자원을 기질로 사용하여 경제적인 수소 생산과 환경친화적 처리라는 일거양득 효과를 얻을 수 있기 때문임. 그러나 국내 발생 유기성 폐자원 전체를 혐기발효를 통해 수소로 전환한다고 했을 때 예상되는 발생량은 전체 에너지 사용량의 0.2%에 불과하여 향후 수소경제에 필요한 수소를 공급하기에는 파급효과가 미미함
* 혐기발효 : 산소가 없는 상태에서 미생물의 대사과정을 활용하여 기질로부터 원하는 생산물을 얻는 것
한편, 현재 상업화에 성공한 바이오매스는 옥수수, 사탕수수, 콩, 팜 등 식용작물로 식량‧토지‧농업용수 부족, 농산물 가격 상승, 윤리적 문제 등의 문제에 직면하고 있음. 이에 따라 미국 등을 중심으로 간벌재 등 목질계 바이오매스*를 향후 주력 원료로 사용하기 위한 바이오에너지 생산 공정이 검토되고 있으나, 토지가 협소한 국내에서 목질계 바이오매스를 경제적으로 얻기는 어렵고, 목질계 바이오매스의 구조 상 전처리에 막대한 공정비가 들어간다는 한계점이 존재
* 목질계 바이오매스 : 나무를 구성하는 유기물로 육상 바이오매스 중 가장 양이 많음. 셀룰로스, 헤미셀룰로스, 리그닌이 결합한 리그노셀룰로스가 주성분이며, 발효에 필요한 당을 얻기 위해 전처리 필요
2. 연구내용
연구팀은 핵심 미생물군 모니터링, 농화 배양, 유전자 개량 기법을 접목하여 수소 생산성과 안정성을 극대화하여 해조류 등 국내에서 확보 가능한 미활용 바이오매스로부터의 연속 수소 생산을 구현하는 연구를 수행하여, 1) 홍조류 등 미활용 바이오매스의 주 성분인 갈락토스(galactose)만을 기질로 주입할 때의 수소 생성균 연속 바이오수소 생산 기법, 2) 연속 바이오수소 생산 시 주요 문제점으로 지적되는 거품 발생(foaming)을 제어하는 방안, 3) 핵심 미생물군 모니터링을 통하여 멸균 과정 없이 고생산성 군집 농화 배양 및 공정 제어 기술을 제시
이 중 바이오에너지 분야 권위지인 바이오리소스 테크놀로지(Bioresouce Technology)의 2016년 8월호(vol. 213)에 표지논문으로 채택된 본 논문에서는 1) 홍조류 등 미활용 바이오매스의 주 성분인 갈락토스(galactose)만을 기질로 주입할 때의 수소 생성균 연속 바이오수소 생산 기법, 2) 연속 바이오수소 생산 시 주요 문제점으로 지적되는 거품 발생(foaming)을 제어하는 방안, 3) 핵심 미생물군 모니터링을 통하여 멸균 과정 없이 고생산성 군집 농화 배양 및 공정 제어 기술을 제시
하수처리 과정에서 폐기물로 발생하는 슬러지(침전물)를 90oC에서 30분간 처리한 후 식종균으로 사용하여 유입 갈락토스의 99% 이상을 수소 발효 기질로 활용하면서 바이오수소를 일정한 속도로 안정적으로 생산할 수 있음을 보임
실시간 중합효소연쇄반응법(qPCR)*으로 클로스트리듐 등 수소생산 핵심 미생물의 함량을 모니터링하면서 연속 운전 인자(pH, 기질 농도, 기질 투입 유량, 소포제 투입 등)를 조절함으로써 멸균 과정 없이 높은 생산성을 유지하는 바이오수소 생산 기술 제시. 한 예로 LS-303 100ppm 투입 시 대조군 대비 클로스트리듐 함량이 1.8배 증가하고 이로 인해 수소 생산 1.4배 증가
* 실시간 중합효소연쇄반응법 : 특정한 DNA 염기서열의 증폭을 수행하면서 증폭되는 양을 실시간으로 측정하여, 시료 내 해당 DNA 염기서열의 양을 정량하는 실험 기법. 발효 공정 내에서 특정 미생물 또는 미생물군의 농도를 모니터링하는데 유용하다.
바이오수소 생산 시 거품 발생 제어는 기존의 열이나 초음파 전처리 등 비용과 에너지를 과다하게 소비하는 방법이 아니라, 극미량의 상용 소포제(anti-foaming agent) 투입으로 가능함을 밝힘. LS-303 등 실리콘 계열의 소포제를 100ppm 투입할 경우 거품 발생 제어 뿐 아니라 수소 생성균 농도를 증가시켜 수소 생산 효율이 향상됨을 확인함.
3. 기대효과
발효 속도가 느려 바이오에너지 원료로 활용되지 못했던 갈락토스로부터의 연속 바이오수소 생산 기술을 통해 홍조류 등 미활용 바이오매스를 이용한 바이오에너지 생산 방법 제시
재생에너지 관련 기술 확보 및 보급, 수소 경제 조기 산업화 및 통한 청정 연료화 기술의 국산화, 개발도상국을 중심으로 한 해외시장 경쟁력 확보를 통한 해외 수출 사업화 모델 개발
★ 연구 이야기 ★
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
바이오에너지 원료로 식용작물을 이용하는 것은 이미 상용화되었고, 나무, 풀 등 리그노셀룰로스를 이용하는 것은 미국, 유럽 등이 이미 주도권을 장악하고 있을 뿐 아니라, 토지가 협소하고 그나마 대부분 산지인 한국의 실정 상 상용화되기 쉽지 않다고 판단했다. 따라서 홍조류를 비롯해 보다 확보 가능한 바이오매스를 원료로 연구팀이 기술력을 축적해 온 바이오수소를 생산하고자 이 연구를 시작했다.
□ 연구 전개 과정에 대한 소개
삼면이 바다인 우리나라에서 대량 확보가 가능하리라 여겨지는 바이오매스인 해조류, 그 중 탄수화물 함량이 가장 높은 홍조류의 주요 구성성분인 갈락토스를 대상으로, 바이오수소 생산을 시도하였다. 향후 경제성 확보를 위해 연속 바이오수소 생산 특히 경제적인 부담이 되는 멸균을 하지 않는 비멸균 배양을 시도하였다. 그리고 고농도의 기질이 지속적으로 유입되고 생성물이 가스인 연속 바이오수소 생산의 특성 상 격렬하게 발생할 수 밖에 없는 거품(foaming)을 안정적으로 제어하는 방법을 고찰하였다.
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
발효 속도가 느린 갈락토스를 이용하여 연속 배양을 하는 것이 어려운 점이었다. 공정 내 갈락토스 농도를 너무 낮지도, 너무 높지도 않은 범위로 유지하고, 적절한 종류와 농도의 소포제를 투입하는 등 수소 생산에 적합한 배양 조건을 제공하고, 실시간 중합효소연쇄반응법(qPCR)을 통해 운전 인자 변화 시 수소생산 핵심 미생물군집 변화를 빠르게 파악하여 대처하는 방법으로 이를 해결하였다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
홍조류 등 미활용 바이오매스의 주 성분인 갈락토스를 미생물의 먹이로 활용하고, 값비싼 멸균 과정없이 연속적인 바이오수소 생산을 지속하며, 연속 바이오수소 생산 시 주요 문제점으로 지적되는 거품 발생(foaming)을 제어하는 기술을 제시한 점이 기존 연구와 다르고, Bioresource Technology 편집진도 이런 점을 높이 산 것 같다.
□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?
현재는 유전공학과의 접목을 통해 수소 생산량을 늘리는데 연구의 초점을 두고 있다. 연구팀에서 수행한 환경공학 분야 다른 기술(바이오가스 생산, 오염물질 제거 등)들은 이미 유상 기술이전과 사업화로 연결되었는데, 바이오수소 분야는 상대적으로 상용화가 더딘 것이 사실이다. 이 연구결과를 잘 발전시켜 빠른 시일 내에 사회에 실질적으로 기여하고 보답하고 싶다.
□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?
이 연구를 통해 성장한 학생 및 박사후연구원들이 일본학술진흥회 박사후연구원 등 좋은 조건으로 해외 연구기관에서 활동하고 있고, 이를 통해 우리 연구팀이 국제 연구 네트워크를 확장하게 된 점이 가장 보람이 크다.
용 어 설 명
1. 바이오리소스 테크놀로지 (Bioresource Technology) 誌
. 농공학 및 바이오에너지 관련 연구 분야에서 최고의 권위를 인정받는 SCI 학술지 (IF: 4.494, JCR 농공학(Agricultural Engineering) 분야 랭킹 1위)
2. 바이오수소 (biohydrogen)
. 나무, 풀, 해조류 등 바이오매스를 원료로 생산하는 수소. 바이오수소 생산은 생물학적 방법과 열화학적 방법으로 나뉘며, 이 중 화석연료 투입을 필요로 하지 않는 것은 생물학적 방법이다.
3. 연속 바이오수소 생산 (continuous biohydrogen production)
. 원료를 지속적으로 공급하면서 바이오수소를 일정한 속도로 생산하는 방법. 멸균-식종-배양-회수 를 반복해야 하는 회분식 바이오수소 생산에 비해 경제성이 월등히 높음.
4. 갈락토스 (galactose)
. 홍조류, 사탕무 등 기존 식용작물에 비해 경제적, 환경적 가치가 큰 바이오매스의 주성분으로, 이성질체인 포도당(glucose)에 비해 발효가 까다로움.
5. 실시간 중합효소연쇄반응법 (qPCR, quantitative real time polymerase chain reaction)
. 특정한 DNA 염기서열의 증폭을 수행하면서 증폭되는 양을 실시간으로 측정하여, 시료 내 해당 DNA 염기서열의 양을 정량하는 실험 기법. 특정 미생물 또는 미생물군의 농도를 측정하는데 유용하다.
6. 소포제 (anti-foaming agent)
. 거품 생산을 억제하거나 제거하는 화학 약품
그 림 설 명
그림 1. 열하수처리 과정에서 폐기물로 발생하는 슬러지(침전물)를 90oC에서 30분간 처리하여 식종균으로 투입한 연속 바이오수소 생산 반응 공정 사진. 기질(갈락토스) 투입 10일 이내에 미생물이 고농도로 배양됨을 보임. 실시간 중합효소연쇄반응법 모니터링을 통해 전체 미생물 중 수소 생성균의 분율은 50% 이상 유지
그림 2. 소포제(LS 303, 100 ppm)를 투입한 공정(b)와 대조군(a)의 유기산 농도 비교.
소포제 투입 시 부티르산(HBu, C4H8O2)의 농도가 높아짐을 확인. 부티르산은 혐기 발효 시 수소와 함께 생산되는 부산물임 (C6H12O6→ C4H8O2 + 2H2 + 2CO2).
