최근 미생물과 조류를 이용한 생물학적 수소생산이 에너지 전문가들에 의해 주목을 받고 있다. 이러한 이 유는 생물학적 수소생산이 광합성을 이용하거나 유기 성 폐자원을 분해하여 수소를 생산하기 때문에 화석 연료의 사용을 최소화 할 수 있으며 수소를 생산하는 데 있어 미생물이 자체적으로 가지고 있는 대사과정 을 이용하여 생산하므로 별도의 다른 장비가 필요하 지 않는다. 또한 미생물 증식에 필요로 하는 자원도 세계 도처에 무한으로 존재하여 경제적이고 효율적인 방법으로 수소를 생산해 낼 수 있다. 따라서 생물학적 수소생산은 화석연료의 대체 에너지가 될 뿐 아니라 광합성 미생물을 통한 CO2고정에 따른 지구 온난화 현상 방지 효과가 있으며, 혐기 박테리아로 폐기물과 폐수의 처리도 가능하여 지구 환경 보호에 커다란 영 향력을 가질 것으로 기대된다. 본고에서는 다양한 분 야의 생물학적 수소제조에 관해 현재까지 개발된 기 술들을 바이오매스와 유기성 폐기물 이용을 포함하여 핵심기술과 향후 전망을 중심으로 소개하였다.
생물학적 수소 생산은 주로 미생물과 미세조류를 이용한 방법으로서, 그 특성에 따라 크게 두 가지로 분류할 수 있다. 하나는 빛을 이용하지 않는 미생물에 의한 혐기발효 방법이고 다른 하나는 빛을 이용하는 광합성(photosynthesis) 미생물 및 조류에 의한 수소 생산 방법이다. 광합성을 이용한 수소생산 방법에 관여 하는 미생물은 크게 green algae, cyanobacteria(blue green algae), photosynthetic bacteria로 구분할 수 있으며, 혐기발효에 관여하는 미생물은 fermentative bacteria가 있다. 이들 미생물은 자신이 가지고 있는 효소를 이용하여 수소를 생산하며, 수소 생산에 관여
하는 효소로서 hydrogenase, nitrogenase, formate hydrogen-lyase(FHL) 등이 알려졌다.
혐기 미생물을 이용한 수소 생산
혐기발효에 의한 수소생산은 산소가 없는 혐기적 조 건에서 유기물을 분해하여 수소를 생산하는 공정으로 빛을 이용한 광합성 수소 생산과 대비하여 암발효(dark fermentation)라 부르기도 한다. 혐기발효에 의한 수소 생산에 사용되는 미생물은 크게 절대혐기성 균주(strict
그림 1. 혐기성 수소 생산균의 대사적 특성.
((AA))
((BB))
생물학적 수소 생산 기술 - 현황과 비전
김경록, 심상준
성균관대학교 화학공학과, {krkim1,simsj}@skku.edu
anaerobe)와 통성혐기성 균주(facultative anaerobe)로 분류하는데 통성혐기성 균주로Enterobacter가 대표적 이고 절대혐기성 균주로는Clostridium이 대표적이다.
[그림 1]에서 나타낸 것과 같이 통성혐기성 균주의 수소 생산은 혐기적 조건에서 발현이 유도되는 pyruvate formatelyase (PFL)에 의해 pyruvate로부터 formic
Glucose Batch 80℃, uncontrolled - 10.7 2.5 mol/mol glucose
Caldicellulosirupter C
1, D=0.35 h
-170℃ 26 11 4.0 mol/mol glucose
saccharolyticus Sucrose Batch 70℃, pH 7.0 - 8.4 5.9 mol/mol sucrose
Miscanthus Batch - 10 2.9 mol/mol glucose
Clostridium beijerinckii Food wastes (50g/L COD) Batch 40℃, 5.5 108 - 128mL/g COD
Clostridium pasteurianum Starch wastes (24g/L) Batch 35℃ 237 96 106mL/g starch
Clostridium thermocellum Delignified wood fiber Batch 60℃, pH 6.3 - - 1.6 mol/mol glucose Enterobacter cloacae
DM11 Glucose C, immobilized 36℃ - - 3.8 mol/mol glucose
Enterobacter cloacae Sucrose (10g/L) Batch 36℃ 29.6 660 6 mol/mol sucrose
IIT-BT08 Starch (44g/L) Fixed bed 36℃ 1.6 71 1.4 mol/mol hexose
Co-culture Sweet potato starch
Batch 30,36℃ - - 2.7 mol/mol sucrose
(C. butyricum+E. aerogenes) residues (2%) Fermented soybean-meal Bean curd
Batch 35℃ 15.2 - 2.5 mol/mol hexose
manufacturing wastes
Klebsiella oxytoca HP1 Sucrose (50mM) C CSTR 15.2 350 3.6 mol/mol sucrose
Mixed culture Corn stover biomass
2Batch 3.0 mol/mol hexose
Mixed culture Crystalline cellulose
Batch 37℃ 0.46 - 2.1 mmol/g cellulose
(25g/L)
Mixed culture Sucrose C CSTR - - 3.47mol/mol sucrose
Mixed culture POME
3Fed batch 60℃, pH 5.5 - - 4.7L H
2/L POME
Rhodopseudomonas
Glucose (5%) Batch, Argon
30℃ 29.9 - 2.76 mol/mol glucose
palustris P4 gas sparging
Thermoanaerobacterium
POME Batch 60℃, pH 5.5 - - 2.2 mol/mol hexose
rich sludge Thermococcus
Starch (5g/L) C, D=0.2 h
-185℃ 24.9 6.7 3.3 mol/mol hexose
kodakaraensis KOD1
Thermophilic microflora, Garbage amended with
C 60℃, 2-stage,
225 - 2.4 mol/mol hexose
activated sludge compost shredded paper waste 1.2d HRT
Thermotoga maritima Glucose Batch 80℃ 96 6.9 4.0 mol/mol glucose
Glucose Batch 77℃/N
2sparging - - 3.24 mol/mol glucose
Thermotoga neapolitana Crystalline cellulose
4Batch 80℃ - - 2.2 mol/mol glucose
Rice straw
4Batch 80℃ - 9 2.7 mol/mol straw
Miscanthus Batch 75℃ - - 3.4 mol/mol glucose
1
C, continuous,
2acid-pretreated substrate,
3Palm oil mill effluent,
4Pretreated substrate
표 1. 혐기성 발효에 의한 대표적인 수소 생산 현황Culture Specific H
2Volumetric H
2Organism Substrate
method Operation production rate productivity H
2yield
(mmol/gcdw/h) (mmol/L/h)
acid가 생성되며 formate hydrogenlyase (FHL)에 의해 수소가 생성된다. 혐기상태에서의 Ferredoxin (Fd)은 전자수용체의 역할을 수행한다. 일반적으로 포도당 1몰당 2몰의 수소가 생성되어 수율이 낮으나 생성속도가 빠른 것이 통성혐기성균에 의한 수소 생 산의 특성으로 알려져 있다[그림 1(A)].
한편Clostridium과 같은 절대혐기성 균주의 경우 에는 해당과정에서 생성되는 NADH로부터 환원된 Fd(ferredoxin)의 매개를 통해 hydrogenase가 reoxidation시켜 수소를 생산하는 과정과 pyruvate 분 해 metabolism 중 PFOR system에 의해 환원된 상 태의 Fd로 부터 전달받은 전자를 hydrogenase가 reoxidation시켜 수소를 생산하는 두 개의 과정을 가 지고 있다[그림 1(B)]. 일반적으로 포도당 1몰당 2~4몰의 수소가 생성되어 절대혐기성균이 수율이 더 높다. 그러나 실제로Clostridium과 같은 균주에서 확 인된 최대 수율은 2~3몰 정도이다. 이러한 원인은 glucose 발효를 통해 생성되는 물질이 수소뿐 아니라 유기산 등의 여러 부산물이 생성되기 때문이다. 최근에 는 부산물의 생산이 적고 수소 생산 수율이 이론상의 최대치인 4몰을 달성한Thermotoga와 같은 초고온성 균주를 이용한 수소 생산이 주목 받고 있다[표 1].
혐기발효를 통한 연구의 주된 목표는 수소 생산성 증대 및 수율의 향상으로 다양한 기질에 대한 수소 생 산 연구결과 여전히 문제가 되는 것은 혐기성 균주의 낮은 생산속도이다. 최근까지도 수율 향상을 위해서 는 이론적인 수율인 glucose1 mol 당 12 mol의 수소 를 생산하는 것을 목표로 연구가 진행되어 왔으나 최 근에는 바이오매스의 활용이나 유기성 폐기물을 이용 한 생산 연구가 더 활발해지고 있는 추세로 이들의 다 양한 전 처리후의 수소 생산 효과나 전처리 없이 직접 바이오매스와 폐기물을 기질로 한 수소 생산 사례에 관련한 보고도 있다[표 1].
지금까지의 주된 연구결과는 주로 수소 생산성에 영향을 끼치는 factor들의 해결과 관련되어 있다. 대 표적인 것들로 기질의 전 처리 및 최적 농도, 수소분
압(H2 partial pressure), pH, 금속이온 농도 등이다.
기질의 전 처리와 농도는 사용하는 탄소원뿐 아니라 배지 내에 질소, 인등의 다른 인자들과도 함께 최적화 되어야 하며 경제성도 고려해야 하므로 연구 초기단 계에서 최적화 연구가 수행되어야 한다. 실질적인 혐 기미생물을 이용한 수소생산 향상 방법은 수소 분압 인데 수소생산 중에 수소는 액체 배지 상에 축적되면 서 proton으로 산화될 수 있고 이때 산화된 ferredoxin을 환원시키게 되어 결과적으로 수소 생산 에 key가 되는 hydrogenase의 활성을 억제하게 된다.
즉 hydrogenase가 proton을 수소로 전환할 수 없게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 Mizuno 등은 headspace에 질소가스를 투입하여 수소분압을 낮추 는 방법으로 수소축적양을 68%까지 증가시킨 바 있 으며, 필자의 연구팀도 초고온성 균주인Thermotoga neapolitana를 이용한 수소 생산에서 반응기내에서 발생된 수소를 질소가스로 수차례 치환하는 방법으로 수소축적을 78%까지 유도할 수 있음을 보고하였다.
pH와 금속이온 농도도 결국 수소 생산효소의 활성등 과 직접 관련되어 최적화가 중요함을 시사하고 있다.
최근 바이오수소 생산에서 가장 큰 화두는 바이오 매스와 유기성 폐기물을 이용한 경제성 있는 수소 생 산이다. 바이오매스의 경우 국가의 기후환경과 획득 이 용이한 feedstock들을 확보하는 것이 최우선 과제 일 것이다. 특히 목질계 바이오매스와 폐기물의 경우 적절한 전 처리과정은 필수적인 것으로 판단된다. 또 한 바이오매스와 유기성 폐기물의 특성을 선행연구로 서 파악되어야 한다. 본 연구실에서도 우리나라 농가 에서 획득한 볏짚을 이용하여 전 처리과정과 수소 생 산 최적화 연구를 수행한 바 있다. 최근의 환경문제와 더불어 유기성 폐기물은 환경문제 해결과 에너지획득 이라는 두 가지 목표의 동시실현이 가능한 분야로 주 목받고 있다. [표 1]에서 나타낸 것과 같이 옥수수, 볏 짚, miscanthus 등의 목질계 및 셀룰로즈계와 식품폐 기물, sludge 등의 유기성 폐기물들이 다양한 전 처리 과정과 생산공정연구가 수행되고 있음을 알 수 있다.
광합성을 이용한 수소 생산
지구상에 무한하게 존재하는 물과 태양빛을 이용한 수소 생산은‘지속가능한’이라는 표현이 어울리는 가 장 이상적인 방법일 것이다. 광합성 미생물 중에는 태 양빛을 이용하여 물로부터 수소를 생산하는 것들이 있 으며 이산화탄소를 직접 수소생산 과정 중에 탄소원으 로 사용하므로, 이산화탄소 제거와 수소에너지 생산이 라는 일석이조의 효과를 가진다. 이러한 광합성을 통 해 수소를 생산미생물에는 주로 광합성세균과 진핵생 물인 조류를 이용하는 방법이 있다. 조류(algae)는 녹 조류(green algae)와 남조류(blue green algae)로 나 뉘는데 남조류는 통상 cyanobacteria로 불리고 있다.
1) 녹조류를 이용한 수소 생산
녹조류 중 가장 대표적인 수소 생산균주는 미세조 류인Chlamydomonas reinhardtii이다. 녹조류는 진 핵생물이면서 상당부분 식물과 유사한 대사과정을 가 진다. 이러한 녹조류를 이용한 수소 생산의 경우 CO2
를 고정하고 광합성 기작에 의해서 산소와 환원된 NADPH 등의 대사물들을 만드는데, 이때 산소는 물 로부터 발생하며 광합성으로 생산된 환원체들은 CO2
를 탄수화물로 환원시키는데 관여한다. 그러나 식물 은 수소를 생산하지 않는데 이것은 수소생산을 촉매 하는 수소 생산효소(hydrogenase)가 존재하지 않으 므로 proton을 수소로 전환하지 않고 에너지를 열매 나 뿌리 등에 저장한다. 그러나 조류는 CO2를 고정함 과 동시에 수소생산효소인 hydrogenase를 이용하여 proton을 수소로 전환시킨다.
C. reinhardtii의 수소발생에 관여하는 수소 생산효 소인 hydrogenase는 가역적인 효소로 수소전환으로 활성을 유도하기 위해서는 얼마간의 혐기배양이 요구 된 다 . 혐 기 상 태 에 서 hydrogenase는 환 원 된 ferredoxin으로부터 전자를 공급받아 proton에 전달하 여 수소로 전환하여 세포 밖으로 방출하게 된다. 그러 나 hydrogenase는 광합성에 의해 발생되는 산소에 의 해 그 활성이 크게 감소하거나 완전히 저해를 받는다.
이러한 문제를 해결하기 위해 혐기배양에 의한 암발 효를 통해 극복하거나 배지 내 황성분 결핍을 통해 해 결할 수 있다. 또한 최근에는 광합성에 관여하는 엽록 체 및 미생물 효소를 추출하여, 물 또는 유기물로부터 수소를 발생하는 균체 외(in vitro) 수소 발생에 관한 연구와 산소를 제거할 수 있는 scavenger molecule을 첨가하는 방법 등이 소개되어 있다. 또한 유전공학적 인 방법을 적용하여 산소에 덜 민감한 돌연변이를 선 별하거나 광효율을 높이기 위해 광안테나 크기 조절 에 관여하는 유전자조작에 의한 수소 생산 기술도 활 발히 연구되고 있다.
① 암발효 및 황 결핍을 이용한 수소생산
미세조류C. reinhardtii에 의한 수소생산은 혐기적 조건하에서만 활성을 가지는 효소인 hydrogenase에 의존하여 이루어지기 때문에 미세조류로부터 수소를 얻기 위해서는 광합성을 하면서 세포를 성장시키는 공정과 수소를 생산하기 위해 혐기공정을 형성해주는 2단 배양 공정 시스템으로 이루어져야만 한다. 즉 바 이오매스가 최대가 되었을 때 빛을 차단하고, 반응기 내부를 혐기상태로 만들어 준다. 이러한 환경에서는 빛이 없기 때문에 광합성이 저해되어 물 분해에 의한 산소가 발생되지 않으므로 혐기 환경에서 hydrogenase 효소가 유도되어 수소를 생성하게 된다.
이 때 수소 생산에 이용되는 전자는 세포내에 축적된 전분 등의 내부 기질을 분해하면서 발생된 전자를 이 용하게 되고, 그 부산물로 위에서 언급한 다양한유기 산이 생성되게 된다. 생성된 다양한 유기산은 추가전 인 수소 생산에 활용될 수 있다.
조류세포는 황(sulfur)성분이 배지 내에서 결핍되 었을 때, 세포 분열을 멈추고, 세포의 형태가 타원형에 서 원형으로 바뀌며, 단백질이나 녹말 등 내부기질을 분해하게 된다. C. reinhardtii 배양에서 배지 내에 무 기황 결핍시 O2발생과 CO2고정화의 속도는 광 포화 상태에서 24시간 내에 급격히 감소한다. 이러한 현상 의 원인은 cysteine, methionin을 구성하는 황의 결핍
이 단백질의 생합성과 PSⅡ의 복구를 방해하기 때문으로 황 결핍 배양 24시 간 후 PSⅡ 저해에 의한 물 광분해로 O2발생량은 급격히 감소하여, 호흡에 의한 O2소모량도 낮아지게 된다. 이때 배양액을 밀봉하여 혐기상태를 유도하 면, 광 포화 상태에서도 anaerobiosis로 유도되게 된다. 1단계에서는 CO2의 고 정화를 통한 세포성장은 동일하지만, 2 단계에서는 황결핍에 의한 혐기조건에 서 수소를 생산하는 2단 배양공정을 통해 녹조류를 이용한 생물학적 수소 생산을 가능하게 한다. 미세조류에서 의 수소 생산 기작은 [그림 2]와 같으 며 위와 같은 개념을 바탕으로 하여
최근 미국의 국립에너지기술연구소(NREL)와 러시아 등과 국내에서는 본 연구실에서 황 결핍에 의한 수소 생산 공정 최적화와 연속 공정 개발에 주력하고 있다.
최근까지도 황 결핍에 의한 생물학적 수소생산에 있어 중요한 인자들이 연구되고 있다.
② Omics 결과를 기반으로 한 유전공학적 접근
조류를 이용한 광합성을 이용한 에너지 전환에서 가장 큰 문제점은 태양에너지 변환효율이 매우 낮다 는 것으로 여러 요인에서의 유실을 고려할 때 최종적 으로 1%이내로 추정한다. 광합성 효율이 광 에너지를 증가시켜도 비례적으로 증가하지 않는 현상의 원인은 light harvesting pigment(안테나;antenna)가 light processing chlorophyll (reaction center) 보다 지나치 게 많아서 초과된 빛 에너지가 공급되면 모두 열로 발 산시켜 버리기 때문이다. 특히 태양광을 옥외에서 받 을 경우, 흡수한 빛을 대부분 이용하지 못하고 잃게 된다. 이러한 조류의 낮은 에너지 효율을 극복하기 위 하여 미국 버클리 대학의 Melis 교수 연구팀이 안테나 의 수를 줄여서 이론적인 광이용 효율에 접근하는 유 전공학적 연구가 수행되고 있다.
C. reinhardtii의 전체 유전체가 공개된 후 최근에는 이어서 proteomics, transcriptomics, metabolomics 등의 결과를 토대로 수소 관련연구결과들이 소개되고 있다. 대표적인 것은 황 결핍 및 혐기성 조건에서 수 소 생산이 유도될 때의 단백질과 유전자의 발현, 대사 산물의 변화 추이에 관련된 연구들이 소개되었다. 또 한 엽록체에서 inducible 발현 시스템을 통하여 황 결 핍 및 혐기조건하에서 발현된 유전자가 PSII를 specific하게 억제할 수 있도록 하여 수소 생산성을 증 대시킨 연구결과도 보고되었다.
2) 광합성세균을 이용한 수소 생산
광합성세균은 인류 탄생 이전부터 지구상에 존재하여 왔으며 태양광을 에너지원으로 하여 유기물질들을 물이 나 단순한 유기물로 분해시켜 수소를 발생시킨다. 광합 성세균은 분류 상 홍색 비유황세균(purple nonsulfur bacteria), 홍색 유황세균(purple sulfur bacteria), 녹색 유황세균(green sulfur bacteria)으로 통칭된다. 이들 중 특히 홍색 비유황세균은 유기물을 이용하는 능력이 뛰 어나 앞서 언급한 암발효로부터 생성되는 유기산으로부 터 광합성 발효(photosynthetic fermentation)에 의해
그림 2. 녹조류에서의 수소 전환 모식도.
수소를 추가적으로 생산할 수 있어 주목을 받고 있다.
대표적인 홍색 비유황세균으로Rhodobacter 등이 있으 며 홍색 유황세균에서는 Thipcapsa 등이 있다.
광합성 세균의 장점은 대사적인 다양성을 나타내어 호기적 및 혐기적 암조건에서도 모두 성장할 수 있고, 또한 광합성을 할 수 있는 동시에 발효에 의해서도 배 양이 가능하다는 것으로 이런 기질이용의 다양성 때 문에 기질의 이용 효율에 차이는 있지만 단당류, 이당 류 및 각종 유기산을 모두 배양기질로 사용할 수 있 다. 알려진 기질의 전환율은 포도당의 경우 30~40%
이고, 젖산은 85~90% 까지 가능하다고 알려져 있다.
3) In vitro에서의 수소 생산
미생물 배양에 의한 수소 생산기술은 비용은 적게 들지만 여러 가지 변수와 생산성이 낮은 단점이 있으 며 미생물 자체가 기질을 수소로 전화하는 데 효율의 한계가 있다. 이러한 단점을 보완하여 hydrogenase와 광합성기구 등을 미생물로부터 분리하여 생체 외에서 물이나 유기물로부터 수소를 생산하는 생물학적 in vitro 기술(생체모방기술)이 많은 관심을 끌고 있다.
미생물 유래 효소인 hydrogenase는 활성중심부 내에 니켈과 철로 구성된 두 종류의 금속이 있어서 효소의 외부에서 활성중심부로 전자를 옮기고 양성자를 환원 하여 수소로 전환시키는 것으로 알려졌다. 세포외부
에서 수소를 발생시키는 생체모방시스템은 세포내의 에너지 대사과정과 무관하므로 짧은 시간에 높은 효 율로 수소를 생산할 수 있다. 또한 수소생산 시스템에 여러 미생물로부터의 다양한 구성요소를 대입하여 사 용할 수 있는 중요한 장점을 갖는다. 이 시스템에 필 요한 광합성기구와 hydrogenase는 다양한 종의 조류 와 박테리아로부터 분리할 수 있어 필요한 요소들을 선택하여 수소생산 시스템을 구성할 수 있다. 통상 한 쪽 전극에는 chlorophyll과 photosystemⅡ를 고정하 고, 다른 한쪽엔 hydrogenase를 고정화하여 그 전극 을 염다리와 전선으로 연결해주고 태양광을 비춰주면, photosystemⅡ에서 물 분해를 통한 전자가 다른 쪽 전극에 고정화 되어있는 hydrogenase로 전달되어 수 소를 생산해 내는 원리이다. 이러한 방법은 아직까지 는 수소생산량이 제한적이지만, 세포를 배양하는 시 간을 단축시키고, 광반응기의 부피를 획기적으로 줄 일 수 있어 지속적인 연구개발이 진행되고 있으며 전 세계적으로 기술개발 초기단계에 있으므로 우리나라 도 가까운 미래에 기술경쟁을 통해 전 세계적 기술우 위를 차지할 수 있는 분야로 평가되고 있다.
통합형 수소 생산
기존의 수소 생산연구가 주로 수소 생산성이 뛰어 난 균주를 탐색하고 수소 생산특성과 기작, 각 기질에
그림 3. 통합형 수소 생산 모식도 (A) 농업부산물, 유기성 폐기물, 바이오매스 등을 기질로 할 경우, (B) 미세조류가 축적 하는 전분을 기질로 할 경우.
((A A)) ((B B))
대한 생산성, 공정 개선 등을 개별적으로 연구해왔으 나 최근에는 장점들을 조합하여 이른바 통합적인 형 태의 수소 생산연구가 이루어지고 있다. 본 연구실에 서도C. reinhardtii 세포 내부에 축적한 starch를 전 처리한 후T. neapolitana를 이용한 호열성 수소 생산 기술을 보고한 바 있다. T. neapolitana는 혐기발효 후 많은 양의 유기산을 축적하였으며, 이들을 기질로 하 여 추가적으로 수소 생산을 유도하여 더 많은 수소 생 산을 기대할 수 있을 것을 판단하고 있다. 한국에너지 기술연구원에서도 혐기성 균주Clostridium을 이용한 수소 생산 후 축적되는 유기산을 기질로Rhodobacter spheroides를 이용한 수소 생산 연구를 수행하고 있다.
미국의 국립 재생에너지연구소(NREL)에서도 C.
reinhardtii와 혐기균 및 광합성 세균을 이용한 통합형 수소생산연구는 중요한 과제로 되어있다. [그림 3]과 같이 크게 바이오매스 및 유기성폐기물을 기질로 할 경우와 미세조류에 축적된 전분 등을 기질로 할 경우 로 나누어 생각해볼 수 있다. 혐기발효와 광합성 세균 발효를 통합할 경우 혐기발효로 부터 발생한 유기산 이 광합성 세균 발효에 의해 이론적으로 1분자 포도 당으로부터 최대 12분자 수소가 발생하지만, 실질적 으로 발효 중에 발생하는 pH 변화, 유기산 생성률 등 은 수소생산 효율을 크게 좌우하고, 더욱이 제당, 식품 폐수를 이용할 경우 타 박테리아나 폐수 중에 존재하 는 금속이온 및 질소원 종류 등이 수소생산에 영향을 끼치므로 기질로부터 직접 수소 생산과 유기산의 축 적을 최대화할 수 있는 혐기 발효 조건의 최적화는 생 물학적 수소생산의 주요 인자이다. 또한 미세조류 바 이오매스 활용의 경우에도 세포내 전분의 최적 축적 조건 등에 관련한 연구가 선행되어야 할 것이다.
결론
미생물 및 조류를 이용한 생물학적 수소생산 기술 은 바이오매스와 유기성 폐기물을 이용하여 에너지를 생산하고 환경문제를 해결할 수 있는 기술이다. 우리 나라의 경우만 해도 수집 가능한 유기성 폐자원은 연 간 하수슬러지 226만 ton(수도권 지역), 농산 집하장 폐기물 약 400천 ton(수도권 지역), 음식쓰레기 550 만 ton, 축산 분뇨 7,100만 ton 등이다. 우리나라의 경 우 에너지기술연구원에서 두부 폐기물을 활용하여 100L 규모의 실증 생산연구가 수행된 바 있으며 향후 축산분뇨, 음식물 쓰레기 등으로 확대될 것으로 예상 된다. 우리나라의 경우 바이오매스는 풍부하지 않으 나 폐기물을 활용할 경우 경제성 있는 공정개발이 가 능할 것으로 예상되고 있다. 외국의 경우에는 국가별 로 장기적인 계획에 의한 대규모 생산 공정연구가 진 행되고 있음을 주목하여야 할 것이다. 본고에서 언급 한 기술들 중 특히 미세조류를 이용한 수소 생산기술 은 지구상 무한자원인 물과 태양광을 이용하여 수소 를 생산할 수 있고, 또한 유기성 폐수 및 폐기물 저감 과 CO2를 저감할 수 있으며, 수소생산에 이용되고 난 후의 녹조류는 고부가가치 의약품 생산 및 식품원료 로도 이용가치가 높아서, 기술개발 및 경제성 검토 결 과 가능성이 높은 기술로 해외에서 평가되고 있다. 향 후 꾸준한 생물학적 수소제조기술 개발과 연구지원은 향후 우리나라가 에너지 빈국에서 부국으로 발돋움 하는 발판을 마련하는 역할을 할 것으로 기대된다.