[특별기획(Ⅲ)] 유기성 폐기물로부터 혐기발효 미생물을 이용한 수소생산

(1)

유전공학적 연구가 진행되고 있다. 또한 미생물이 수소 와 동시에 대사산물로 축적하는 polyhyroxybutyrate (PHB), amino levulonic acid와 같은 고분자물질의 생성경로를 제거에 의해 수소발생을 최대화하는 대사 관련 분자 생물학 연구가 되고 있다. 둘째, 광합성 수 소생산 생물반응기의 형태 및 최적 수소생산 조건에 관련한 연구가 활발히 수행되고 있는데, 이는 대규모 반응기의 실질적인 적용에 초점을 두고 효율적인 광 공급 및 분산을 목표로 진행되고 있다. 개발된 광이용 생물반응기는 stirred-tank, open pond, 수직/수평형 tubular type, helical(or coil) type, internal gas exchange tubular type(수평형 또는 경사형), vertical modular type 등 다양하다. 각 형태의 광합성 생물 배 양기는 균체 대량생산 및 수소 발생과 관련하여 장단 점이 있으나 대부분은 균체를 대량확보할 목적으로 개발되었으며, 가스 생산에 적절하게 연구된 형태는 아직 없지만, 일본과 미국을 비롯한 생물학적 수소생 산 연구가 활발한 국가에서 현재 개발 중에 있다. 셋 째, 광합성 미생물 배양기술은 우수한 미생물의 확보 나 적절한 반응기의 개발만큼 생물수소생산에 중요한 부분으로, 최대의 균체를 배양액 중에 확보하기 위한 균체 고정화기술과 유기성폐수나 폐자원을 적용할 경 우 발생하는 각종 염이나 암모니아를 제거하기 위한

전처리, 온도 및 광도조절이 주로 연구되고 있다.

광합성 또는 혐기 수소생산 미생물 분리와 개선 연 구가 1940년대 후반부터 진행되었으나 연구 규모가 실험실적 규모에 오랫동안 머물러 있었다. 1970년대 에너지 위기 이후 화석연료를 대체할 수 있는 에너지 로써 수소생산 연구가 초점을 받기 시작했으며, 이 시 기에 생물학적 수소생산 연구도 활성화되었다. 1980 년대 원유가격 안정으로 적극적인 개발이 미루어지다 가, 지구 온난화 현상을 비롯한 ‘지구환경 위기’를 겪 으면서 1990년대에는 환경 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 청정에너지 생산기술로써 생물학적 수소생산 연구는 다시 활성화되고 있다. 일본 NEDO의 環境調和形水素製造技術開發(1991년~1999년)은 25백만불 을 투자한 대형 연구사업으로 일본은 생물학적 수소 생산 기술 전 분야에 선진 연구를 수행하고 있다. 미 국 DOE를 비롯한 유럽각국과 IEA Annex-10, 15, 21(1995년~2010년)은 국제공동 연구를 추진하고 있 으며, 일부기술은 기초 연구 단계를 벗어나 대규모 수 소생산과 관련사업을 구체화하고 있다. 국내에서는 과학기술부 프론티어 연구사업, 고효율 수소제조·저 장·이용기술개발의 일부로 2003년부터 연구를 수행 하고 있다.

서론

현재 인류가 절대적인 에너지원으로 의존하고 있는 화석연료는 그 매장량이 한정되어 있을 뿐만 아니라, 연소시 이산화탄소가 배출되어 지구온난화를 야기하

며 각종 대기 오염 물질을 배출하는 등 환경적 관점에 서 화석연료의 사용량을 감축하기 위한 논의가 국제 적 이슈로 진행되고 있다. 현재 상용화 되어 있는 수 소제조기술은 석유나 천연가스 등 화석연료의 수증기 상 병 인

한국과학기술연구원 유해물질연구센터, [email protected]

(2)

개질법이 대표적이나, 화석연료 사용, 지구온난화 유 발 측면에서 궁극적인 수소제조법이 될 수 없을 것으 로 인식되고 있다. 따라서 ‘재생 가능한 에너지’로서 의 수소생산이라는 측면에서, 궁극적으로는 물을 이 용하여 수소를 만들고 이용 후에 다시 물로 재순환하 거나, 또는 끊임없이 생산되고 처리하는데 있어 환경 적·경제적 비용이 소요되는 유기성 폐기물을 원료로 수소를 생산하는 기술개발이 절실히 필요하다.

산업의 다양성과 함께 양적, 질적인 팽창으로 인하 여 고농도의 유기성 폐기물 발생량이 최근 급증하고 있으나, 현재까지 거의 모든 유기산업 폐기물을 유산 소 조건에서 생장하는 미생물을 이용한 호기성처리에 의존하고 있다. 호기성 공정은 지속적인 산화작용을 거치며 폐기물내의 유기물질이 최종적으로 CO

2

및 미생물자체로 변환되는 비효율적인 생물공정인 반면, 반면 혐기성 미생물을 이용한 혐기성 처리공정은 지 속적인 환원과정을 거치며 환경유해물질을 최종적으 로 에너지 함량이 높은 천연가스 등으로 전환하여 슬 러지 저감과 같은 환경정화 및 청정 대체에너지생성 의 동시달성이 가능한 일석이조의 효과를 이룰 수 있 는 효율적인 생물공정으로 알려져 있다.

유기성 폐기물의 특징 및 발생현황

유기성 폐기물이 처리과정에서 문제가 되는 요인은 높은 수분함량으로서 음식물쓰레기는 80~85% 전후, 슬러지는 75~80% 전후를 보이고 있어, 소각 시에 발 열량을 저하시켜 보조연료의 사용량을 증가시키고, 경우에 따라서는 불완전 연소를 유도하게 되고 매립 단계에서 침출수의 증가요인이 되며, 수분함량이 높

은 유기물은 급격히 분해되어 악취발생의 요인이 되 기도 한다[그림 1].

국내 유기성 폐기물의 발생량을 보면 생활 폐기물 은 46,438톤/일, 음식물 쓰레기는 11,434톤/일, 하수 슬러지는 4,821톤/일 그리고 축산폐수는 200,000톤/

일(축분 20%와 뇨·세정수 포함)이 발생되고 있으며 이들의 자원화율은 축산폐수를 제외하고 5~21.8%로 매우 저조한 실정이다[표 1].

특히, 음식물쓰레기는 생활폐기물 발생량의 24.6%

를 차지하고 있으며 국물이 많은 음식문화의 특성으 로 고형물 함량이 15~25%이고 유기물 함량은 80~90%로 매우 높아 수집, 운반, 매립에 있어서 부 패, 악취, 침출수의 발생 등 여러 가지 환경문제를 유 발할 수 있다. 음식물쓰레기는 2000년 7월부터 김포매 립지로 반입이 억제되고 2005년부터 매립이 금지되는 상황에서 자원화는 매우 시급한 문제로 대두되고 있 으며, 이에 따라 자원화는 21.8%로 증가되었다. 또한 이러한 음식물쓰레기의 염분함량은 1~5%로서 음식 물쓰레기를 사료 혹은 퇴비화 하여 토양개량제로 응 용될 경우 염분 축적 문제가 발생할 수 있다.

각종 소비생활 편리성 강조 음식물 쓰레기·하수 슬러지 발생

매립 처분 소각 처리

고농도폐수

지하수·토양 오염

악취 메탄가스 이산화탄소

지구온난화

질소산화물 황산화물

산성비 생활환경

지역 환경오염

지구 환경오염

그림 1. 유기성 폐기물에 의한 환경오염.

생활폐기물 46,438 - 84.0 6.2 - 9.8 80~85 -

음식물쓰레기 11,434 - 70.4 7.8 - 21.8 75~85 14~17 염분 1~5%

하수슬러지 4,821 - 25.2 5.4 64.4 5.0 > 95 -

축산폐수 200,000 17.0 - - - 83.0 > 95 4~8

표 1. 유기성 폐자원의 발생량, 처리현황 및 특성(2000년 기준)

종류 발생량 처리 현황(%) 특성

(ton/d) 처리 매립 소각 해양 투기 자원화 수분함량(%) C/N비 기타

(3)

유기성 폐기물을 이용한 수소 기술의 국내외 동향 현재 우리나라는 전분질계 에탄올 연료, 메탄발효, 유기성 폐기물 메탄발효, 바이오 고형연료 생산 분야 에서만 상업적용이 가능한 기술을 확보하고 있으며 목질계 에탄올 연료 및 화학원료, 바이오 디젤, 바이오 수소생산, 생물학적 CO

2

고정화 등에서만 다소간의 기술개발 활동이 지속되고 있다. 즉 유기성 폐기물을 이용하여 수소생산을 적용한 사례가 없으며, 간헐적 인 연구만 지속되어 오고 있어 기술개발 상용화가 필 요한 실정이다.

유기성 폐기물을 이용한 바이오 가스(메탄) 생산 현황의 경우, 1996년 에너지연구소에서 개발된 MSW-AD 공정을 기본으로 하여 기계적 전처리와 호기성 퇴비화 후처리를 포함하는 30톤/일 용량의 중 온 이상 완전혼합 혐기성 소화 시스템은 1999년에 경 기도 파주시에 한라산업개발에 의하여 건설, 운전되 고 있다. 혐기성 소화 시스템은 시당국에 의해 분리 수거된 음식물쓰레기를 유입원료로 하고 있으며 현재 까지의 운전현황은 [표 2]에 나와 있다. 시스템은 고 형물체류시간 15~20일로 휘발성 고형물 감량율은 75~80%를 유지하고 바이오가스 발생량은 2,350m

³

/ 일(메탄함유 70~75%)으로 효율적으로 운전된다. 혐 기성 소화 잔류물인 퇴비와 탈수여액은 각각 토양개 량제와 액비로서 사용가능성이 있다. 동일한 혐기성 소화 시스템은 경기도 안양시(5톤/일), 의왕시(15톤/

일) 그리고 경남 밀양시(하수병합으로 20톤/일)의 시 스템이 건설되어 운전 중이다.

독일 Bauer Kompost company에 의하여 개발되 고 동문 IRS에 의하여 1998년에 도입된 수평형 혐기 성 소화조인 BKF 공정을 주로 하는 처리용량 10톤/

일 규모의 혐기성 소화 시스템은 1998년에 강원도 동 해시에 완공되어 현재 정상 가동 중에 있다. 투입탱크 로부터 유입된 음식물쓰레기를 고온(50℃) 수평형 혐 기성 소화조에서 고형물 체류시간 25일을 유지하면 휘발성 고형물의 분해는 60~70% 그리고 바이오가스 는 1,752m

³

/일(메탄 함량 71.9%)이 발생된다. 다른 고온 수평형 혐기성 소화 시스템은 대전시 유성구 금 고동 매립지에 건설되어 하루 10톤을 처리하고 있다.

최근에 미국, 독일 및 일본 등 선진국에서는 하수슬 러지 소화조로부터 발생한 바이오가스를 개질하여 200 kW급 연료전지를 가동하는 시설을 설치하고 있 으며 성공적인 결과를 얻고 있어 보급이 급속히 확대 될 것으로 기대되고 있다.

일본은 통산성과 민간 기업이 후원하고 신에너지 및 산업기술종합기구(NEDO)가 주관하려 29억엔의 연구비를 들여 ‘환경친화적인 수소생산 프로젝트’를 추진했다. 이때 확보한 원천기술을 바탕으로 2단계 연 구를 기획하고 있으며 현재 IEA Annex 15 프로젝트 에 참가하여 연구를 진행 중이다. 일본 National Institute of Bioscience & Human-Technology가 주 최가 되어 Tokyo Univ. of Agriculture & Technology, Ibaraki Univ., King’s College London, Hawaii National Energy Institute 공동으로 유기성 폐기물로 부터 혐기 박테리아와 광합성 박테리아를 이용한 수 소생산 공정 연구를 진행 중이다. Kubota Corp.은 하 수슬러지(sewage sludge)를 150℃, 10기압에서 열전 처리로 하수 슬러지 중의 유기산 함량을 약 2~3배로 증가시킨 후, 태양광을 optic fiber로 집광한 후 배양 시설 내부로 끌어들여, 수소생산과 아울러, 광합성 박 테리아가 축적하는 고부가가치 물질을 상품화 할 목 적으로 약 20ℓ규모의 광생물 반응기를 개발한 바 있

처리용량 27톤/일 5개월 운전 평균

VS 감량률 75~80%

바이오가스 생산 2,350m³/일 메탄 함유 70~75%

함수율：40%

퇴비생산 1.5톤/일 C/N：11.2

염분 농도：0.7%

유기물 함량：47.1%

BOD：5,250mg/L

탈수여액 25톤/일 SS：2,750mg/L

(배출 기준) T-N：1,700mg/L T-P：20mg/L 표 2. 파주시 혐기성 소화 시스템의 운전자료

구분 평균 자료 비고

(4)

다. Harima 중공업은 유기성 폐수를 1단계에서 혐기 박테리아로 수소와 유기산을 생산하고 생산된 유기산 을 800ℓ규모의 floating type 광합성 생물반응기를 호수 위에 띄워 purple bacteria에 의해 수소를 생산 하는 시설을 개발하였고, 투명 아크릴 재질로 만든 배 양기를 호수 위에 설치하여, 교반 및 온도조절 효과를 보고한 바 있다. 2005년 아이치현 엑스포에서는 엑스 포 기간 동안 발생한 음식물 쓰레기를 메탄발효 반응 기로 처리하여 생산된 메탄을 연료전지와 연계하여 엑스포 기간 동안 전력을 생산 공급하는 실증 규모의 공정을 선보이기도 하였다[그림 2].

독일은 1990년부터 1994년까지 비교적 넓은 범위의 생물학적 수소생산기술을 약 40여개의 연구과제로 채 택하여 수소생산 미생물의 생화학적, 생리적, 유전공 학적인 연구가 지원되었으나, 그 당시 산업체 관심의 결여로 현재는 정부 지원은 중단되었고, 일부 대학과 기업이 주최가 되어 연구되고 있는 실정이다. Aachen 공대와 ISA-Tec.은 최근 빗물과 우유가공공장 폐수 를 이용하여 광합성 박테리아인 purple non-sulfur bacteria로부터 2ℓ/hr/m

²

의 수소생산력을 갖는 vertical modular형의 옥외 수소생산시설을 가동하고 있으며, 약 25DM/100kw.hr(=150원/kwh)으로 생 산비용을 계산하였다. 이때 연속 가동 일수는 200일로 초기 투자비용을 $5,000/100m

²

로 추정하였으며, 최 대 수소 생산율은 맑은 날 40ℓ수소/m

²

/일이고, 태양 광 변환효율은 2%로 보고하였다. Ruhr 대학은 Cyanobacteria 광합성 기구 및 효소 분리정제 및 기능성

을 연구하고 있으며, Bonn 대학에서는 Cyanobacteria, green algae 및 chlorella의 유래 hydrogenase 분리 정 제 및 기능성을 연구하고 있다.

미국은 Department of Energy(DOE)가 지원하는 수소연구개발 프로그램의 일부로써 생물학적 수소생 산 연구개발을 DOE산하 National Renewable Energy Laboratory와 Oak Ridge National Laboratory를 비 롯하여 Hawaii 대학, Miami 대학에 지원하고 있다.

Hawaii 대학내 Hawaii Natural Energy Institute가 Honolulu 지역의 바다를 접한 연구시설에 설치한

‘Internal gas exchange 광합성 생물반응기’는 시험 개발용 230ℓ규모로 약 3.8cm 내경, 20m 길이의 튜브 들로 바닥은 manifold aerator에 연결되고, 위는 배출 가스 수집조에 연결되어 있다. 이 배양시설은 현지의 태양광 조건과 넓은 지역을 이용한 Tredici가 고안한 tubular 광생물 반응기로 Arthrospira platensis 균체 의 성장과 과도한 태양광에 의한 균체 성장영향 및 생 성가스 수집에 관한 결과를 수집하는 단계이다. 다음 단계로는 균체 내에 축적된 고분자물질을 발효 기질 로 사용하여 혐기적인 조건에서 광합성 수소생산을 계획하고 있으며, 대용량화하고 있다.

네델란드는 2001년부터 유기물로부터 혐기발효 및 광합성 발효에 의한 생물학적 수소생산 프로젝트인 EET-BWP를 지원하며, 현재 11개의 연구기관이 공 동연구를 추진 중에 있고, 러시아는 RAS 주관 광촉 매와 hydrogenase를 시스템화한 실험실 규모의 수소 생산을 연구하고 있다. EU에서는 EU-Biohydrogen

전처리 설비 메탄 발효 설비

더러운 진흙 처리설비 생활쓰레기

깔때기 파대 선별기

부적률 가성 소다

혼합조

저장조

습식 펌프 메탄 발효조 소화액

저장조 탈수기

탈수된 진흙 (퇴비화)

탈수 진흙액 (하수 방류) 탈류탐 가스 홀더

바이오가스 (MCFC발전

설비로)

그림 2. 아이치현 엑스포 2005에서 가동된 음식물 쓰레기를 이용한 메탄생산 공정과 연계된 연료전지의 개념도.

(5)

및 COST Action 841은 각각 혐기/광합성 발효에 의 한 수소생산과 Cyanobacteria의 수소생산성을 증가 시키기 위한 유전자 기반 연구를 지원하고 있다.

+2H

2

(2) 포도당을 기질로 이용하는 혐기성 혹은 통성 혐기 성 미생물은 화학적 종속영양성(chemohetrotroph)으 로 발효의 최종 산물은 피루브산이다. 대표적 미생물 로는 클로스트리디움(Clostridium)과 장내세균 (enteric bacteria) 등이 있다. 이론적으로 혐기성 미 생물은 식 (1)과 같이 포도당 한 분자당 4분자, 통성 혐기성 세균은 식 (2)에서처럼 2분자의 수소를 생성 한다. 통성 혐기성 세균은 산소에 덜 민감하여 잔존하 는 산소에 의해 배양이 손상을 입어도 수소생산 반응 이 재생 가능하여 수소생산 공정에서 혐기성 미생물 보다 통성 혐기성 미생물이 선호될 수 있다. 암발효에 이용되는 미생물은 중온성(25~40℃), 고온성(40~

65℃), 초고온성(65~80℃), 초호열성(>80℃) 등의 다양한 온도조건에 적응하였다. 주로 이용되는 미생 물 종은 Enterobacter, Bacillus, Clostridium 등이 있 다. 수소생산을 위해 고온성 세균인 Caldicelluosiruptor saccharolyticus와 Thermotoga elfii도 연구되었다. 이 암발효 반응을 통해 생성되는 수소는 혼합된 가스형 태로 수소 외에 이산화탄소와 미량이지만 메탄, 일산 화탄소, 황화수소 등이 포함되어 있어 공정 이후에 연

료저지로 이용하기 위해서는 이를 분리해야하는 기술 적인 문제도 포함된다.

발효를 이용한 바이오수소의 생산 공정의 주요한 단 점은 다른 생물학적 반응보다 수소의 낮은 생산 수율, 즉 포도당 한 분자당 최대 4분자의 수소가 생성된다.

Butyrate를 생산하는 발효의 경우 포도당 한 분자당 2 분자의 수소가 발생된다. 그러나 발효과정중의 반응경 로를 조절하여 포도당 한 분자당 최대 4분자의 수소를 발생시키는 초산발효의 경우는 이상적인 조건하에의 최대 수치이다. 이러한 낮은 수율의 문제는 실제 기존 의 화학적 혹은 전기화학적 수소 생산 공정을 대체하 기 위한 상업화 과정에서 풀어야 할 중요한 과제이다.

혐기발효와 광합성 발효의 결합

광합성을 수행하는 세균이 사슬길이가 짧은 유기산 을 전자 공여체로 사용하여 광에너지를 이용하면 수 소생성이 야기된다. 이러한 미생물은 발효 미생물에 비하여 이론적으로 높은 수소생성 수율과 넓은 범위 의 스펙트럼 빛에너지를 이용할 수 있는 장점이 있다.

게다가 이러한 미생물은 산소를 발생하는 활성이 없 어 산소에 의한 저해작용을 피할 수 있다. 혐기발효와 광합성 발효를 조합한 방법은 수소 생성수율을 최대 화할 수 있다. 이러한 시스템에서 첫 단계의 탄수화물 혐기 발효는 수소와 분자량이 적은 유기산을 중간물 질로 생성하고, 다음 단계인 광반응기에서 광합성 세 균에 의해 유기산이 수소로 전환되는 공정을 이용하 는 것이다. 두 번째 발효시스템에서 purple non-sulfur 세균(Rhodopseudomonas palustris)을 이용하여 암 발효의 유출수로부터 수소생산을 하였다. 이때 다양 한 기질, 즉 식품 공정의 폐수와 슬러지를 이용하여 암발효와 광발효를 조합하여 수소 생산성을 올린 경 우도 보고되었다[표 3].

이러한 높은 수소생성 수율은 혐기발효에서 TCA

회로(citric acid cycle)가 광발효와 조화를 이루어 환

원된 NAD

⁺

를 효율적으로 이용하기 때문이다. 빛에

너지를 이용하여 탄수화물로부터 수소로 전환시키는

(6)

효율이 바이오수소 생성의 핵심적요소이다. 혐기성 미생물은 탄수화물을 분해하여 에너지와 전자를 만들 어내며 음의 자유에너지를 지닌 반응만 일어나기 때 문에 혐기조건하에서 분해가 이루어진 후, 생성된 유 기산은 더 이상 이용되지 않는다. 포도당으로부터 수 소와 이산화탄소로의 완전 분해는 혐기발효에 의해서 는 실제는 불가능하다. 그러나 광합성 세균을 이용하 여 빛에너지를 활용하면 양의 자유에너지를 지닌 반 응이 가능하다. 이미 malate와 lactate로부터 광합성 세균(주로 purple non-sulfur bacteria)에 의한 수소 생성은 잘 알려졌다. 혐기발효의 주된 산물은 초산과 butyric acid 등이다. 따라서 이러한 광합성미생물에 의한 수소로의 전환은 수소생물공정의 시너지 효과라 볼 수 있다. 이러한 두 종류의 미생물을 이용한 생물 공정은 빛에너지 수요를 줄일 수 있고 수소생성 수율 도 올릴 수 있다.

바이오 수소생산 생물반응기

수소생성 수율을 올리기 위한 또 다른 방법으로 생 물반응기와 발효 조건의 최적화 등이 있다. Fixed- bed 반응기는 중온성의 세균 컨소시움 배양을 통해 최적의 수소생성속도를 올렸다는 보고가 있다. 이 경 우에 수소를 생산하는 미생물의 유지를 위해 활성탄 소를 메트릭스로 이용하였다. 또 다른 경우에서는 초 고온성 미생물을 이용할 때 표면적 비율이 매우 높은 packing 물질을 포함하는 trickling 필터에 형성된 바 이오필름을 이용한 경우가 있다. 이것은 기질과, 수소 생산 미생물과 가스상이 매우 근접하여 연속적인 흐 름이 가능하기 때문으로 해석되었다. 수소와 이산화 탄소의 낮은 분압이 수소의 스팀 stripping에 의해 유 지되었다. 고정화된 세포를 이용하는 tubular 생물반 응기에서 gas hold-up을 낮추는 것도 필요한데 이 경 우 장사방형 마름모형 반응기가 이용되었다.

Rhodopseudomonas palustris P4 Glucose Batch, with intermittent purging of Ar 2.76 Enterobacter aerogenes Hu-101

Glucose Batch(Blocking metabolites formation) 1.17 (mutant AY-2)

Enterobacter aerogenes Molasses Ar sparging, batch 1.58

Enterobacter aerogenes Molasses Batch 0.52

Clostridium butyricum Glucose N₂sparging continuous 1.4~2.3

Mixed culture

Glucose N₂sparging continuous,

(PredominantlyClostridium sp.) HRT:8.5h 1.43

Mixed miroflora Wheat starch co-product N₂sparging continuous 1.9

Mixed miroflora 0.75% soluble starch Chemostat HRT:17h 2.14

Mixed miroflora(mesophilic) Sewage-sludge Anaerobic and acidogenic digestion 1.7

Enterobacter cloacae IITBT08 Glucose Continuous

(Immobilized bioreactor) 2.3

Enterobacter cloacae DM11 Glucose Continuous

(Immobilized bioreactor) 3.8

Citrobacter sp. Y19 Glucose Batch Ar sparging 2.49

표 3. 다양한 탄수화물 기질과 공정을 이용한 수소생성 수율의 비교

Organisms Substrates Process Maximum yield

(mol H

₂