특별기획
심 상 준
성균관대학교 화학공학과, [email protected]
오늘날세계적인 에너지원은 약 80% 이상 화석연료에 의존하고 있다. 이것은 궁극적으로 화석연료 자원의 고갈을 야기할 것이다. 현재 화석연료의 이용은 연소 시 발생되는 CO2, NOx, SOx, 매연, 타르, 재 등 에 의한 지구 온난화와 대기 오염 및 산성비의 피해가 심각하다. 이러한 문제들 때문에 세계적인 에너지 흐 름은 탄소의 함유량이 높은 화석연료로부터 메탄이나 수소 등의 기체로서의 에너지를 사용하는 흐름으로 바뀌고 있다[그림 1]. 수소 에너지는 미래의 청정에너지원으로서 단일 분자량에 비해 연소 효율이 가장 크 고(같은 무게의 가솔린보다 3배나 많은 에너지 방출), 연소 시 부산물로 CO2나 NOx, SOx와 같은 유해기체 를 생산하지 않고, 연소 시 물만 배출되어 공해가 전혀 없으며, 그 물을 이용하여 다시 재생이 가능하다. 또 한 수소는 이 세상에서 가장 풍부한 화학원소로서 지구 표면을 덮은 바다에는 13억7천만km3의 물이 있고 바닷물 1kg에는 0.108g의 수소가 존재하여 무한한 에너지원으로 사용 가능하다. 이와 같은 장점 때문에 수 소는 석탄, 석유와 같은 화석연료를 대체할 환경 친화적 에너지 자원으로서 국제적인 연구가 활발하게 진행 되어지고 있다. 하지만 현재 보편화되어 있는 공업용 수소제조 방법은 물을 이용한 전기분해법이나 탄화수소 의 스팀 재생법이 이용되고 있는데 이러한 방법을 통한 수소생산은 결국 화석연료(천연가스, 석유)를 재료 및 동력원으로 사용하고 있기 때문에 미래에 계속적으로 이용할 수 있는 대체 방안이 될 수 없다. 따라서 미 생물을 이용한 생물학적 수소생산이 에너지 전문가들에 의해 각광받고 높이 평가되어지고 있다.
미생물을 이용한 생물학적 수소생산은 광합성을 이용하고, 유기성 폐자원을 분해하여 수소를 생산하기 때 문에 화석연료의 사용을 최소화 할 수 있다. 또한 수소를 생산하는데 있어 미생물 자체적으로 가지고 있는 대사과정을 이용하여 수소를 생산하기 때문에 별도의 다른 장비가 필요하지 않고, 미생물 증식에 필요로 하 는 자원도 세계 도처에 무한으로 존재하여
매우 경제적이고 효율적인 방법으로 수소를 생산해 낼 수 있다. 따라서 생물학적 수소 생산은 화석연료의 대체 에너지가 될 뿐만 아니라 광합성 미생물을 통한 CO2고정에 따른 지구 온난화 현상 방지 효과가 있으 며, 혐기 박테리아로 폐기물과 폐수의 처리 도 가능하여 지구 환경 보호에 커다란 영향 력을 가질 것으로 기대된다. 따라서 본 기획 에서는 다양한 분야의 생물학적 수소제조에 관해 현재까지 개발된 기술들을 소개하였으 며, 이 원고를 통해 관심 있는 연구자나 학 생들의 이해와 향후 연구 방향에 도움이 되 었으면 한다.
Global energy system transition
Percentage of total market
그림 1. 수소 에너지 시대의 도래.
특·별·기·획(Ⅰ)
서론
식물이나 조류는 자체 내의 광합성 기작에 의해서 산소와 환원체를 만드는데, 이 때 산소는 물로부터 발 생한다. 광합성으로 생산된 환원체는 식물의 경우 CO2를 탄수화물로 환원하며, 수소생산을 촉매하는 효 소가 존재하지 않으므로 proton을 수소로 환원하지는 않는다. 그러나 조류는 CO2를 고정함과 동시에 proton을 수소로 환원할 수도 있다. 따라서 녹조류는 식물처럼 광합성 기구를 통해 대기 중 이산화탄소를 고정화하고, 태양에너지를 통해 물을 분해하여 수소 와 산소를 만들기 때문에 이산화탄소 제거 및 에너지 생산 측면에서 다른 혐기 미생물 보다 더 유용하게 이 용될 수 있다. 녹조류를 이용한 수소생산에 관한 연구 는 1942년 Gaffron과 Rubin에 의해 최초로 보고되었 다. 이들은 녹조류의 일종인Scenedesmus obliquus 를 이용하여 빛이 있을 때와 없을 때 모두 수소를 생 산할 수 있다는 것을 밝혀냈다. 녹조류를 통한 수소발 생은 세포내의 reversible hydrogenase의 유도를 위해 얼마간의 혐기배양이 요구된다. 그 후 hydrogenase는 환원된 ferredoxin으로 부터 전자를 공급받아 proton 에 전달하여 수소를 합성하여 세포 밖으로 방출하게 된다. 그러나 reversible hydrogenase는 광합성에 의 해 발생되는 산소에 의해 그 활성이 감소하거나 완전 히 저해를 받는다. 이러한 문제는 녹조류 배양시 혐기 암발효를 통해 극복하거나 배지 내 황성분 결핍을 통 해 해결할 수 있다. 또한 최근에는 광합성에 관여하는 엽록체 및 미생물 효소를 추출하여, 물 또는 유기물로 부터 수소를 발생하는 균체 외(in vitro) 수소 발생에 관한 연구 및 광효율을 높이기 위한 광안테나 크기 조 절에 의한 수소 생산 기술도 활발히 연구되고 있다.
암발효를 이용한 수소생산
조류를 이용한 생물학적인 수소생산은 혐기적 조건 하에서만 활성을 가지는 효소인 hydrogenase에 의해 이루어진다. 이러한 특성 때문에 수소를 얻기 위해서 는 광합성을 하며 세포가 성장하는 공정과 수소를 생 산하는 공정을 시간적 혹은 공간적으로 분리시키는 이 단 배양 공정 시스템으로 이루어져야만 한다. Miura 등은 세포 배양을 통해Chlamydomonas reinhardtii MGA 161의 광합성에 의한 균주의 대량 배양과 혐기 암반응을 통한 수소의 생산을 시도함과 동시에 에탄 올, 글리세롤, 아세트산 및 휴믹산 등의 유기물을 생산 하는 이단 공정을 시도하였다. 또한 녹조류 암반응을 통해 생산된 유기산을 탄소원으로 이용해 광합성 박 테리아인Rhodopseudomonas sp. W-1S를 이용하여 추가적인 수소생산을 실시한 바 있다. [그림 1]은 이 러한 공정의 모식도이다. 암반응을 이용한 수소생산 공정의 첫번째는 빛을 공급해 주면서 광합성에 의한 탄소 고정화를 통해 조류 세포의 성장 및 내부기질 (Starch 등)을 축적하고, 두번째 단계는 바이오매스 가 최대가 되었을 때 빛을 차단하고, 반응기 내부를 혐기상태를 만들어 준다. 이러한 환경에서는 빛이 없 기 때문에 광합성이 저해되어 물분해에 의한 산소가 발생되지 않는다. 따라서 이러한 환경 하에서 산소에 민감한 hydrogenase 효소가 유도되어 수소를 합성하 게 된다. 이 때 수소 생산에 이용되는 전자는 세포내 축적된 내부 기질(Starch)을 분해하면서 발생된 전자 를 이용하게 되고, 그 부산물로 위에서 언급한 다양한 유기산이 생성되게 된다. Miura는 암발효 종료 후 발 생되는 부산물을 폐기 처분하지 않고, 다시 수소생산 에 이용하는 공정을 추가로 개발하였다. [그림 1]의 심상준, 김준표
성균관대학교 화학공학과
[email protected], [email protected]
특·별·기·획(Ⅰ)
(C)에서 보여준 것처럼 녹조류 암발효를 통해 발생된 유기산들을 분리한 후, 다시 광합성 박테리아를 이용 하여 수소 생산을 시도하였다. 이와 같이 빛을 주기적 으로 조절하여 녹조류와 광합성 박테리아를 이용한 수소생산 공정은 동시에 높은 수율의 수소생산을 달 성할 수 있다.
배지내 황결핍을 이용한 수소생산
조류세포는 황성분이 배지내에서 결핍되었을 때, 세포 분열을 멈추고, 세포의 형태가 타원형에서 원형 으로 바뀌며, 단백질이나 녹말 등 내부기질을 분해하 게 된다. 이러한 반응들 중 가장 주목해야 할 점은 황 결핍 시 호기적 광합성(oxygenic photosynthesis)과 미토콘드리아의 호흡(respiration)과정에서 완전히 다 른 작용을 일으킨다는 것이다. 녹조류의 일종인 Chlamydomonas reinhardtii 배양에서 배지 내에 무 기황 성분의 결핍시 O2발생과 CO2 고정화의 속도는 광포화 상태에서 24시간 내에 급격히 감소하게 된다.
이러한 현상의 원인은 cystein, methionin의 필수성분 인 황의 결핍이 단백질의 생합성을 방해하고, PSⅡ 복구 회로를 방해하기 때문이다. 따라서 황결핍 배양 24시간 후 PSⅡ 저해에 의해 H2O 광분해에 의한 O2
발생량은 급격히 감소하여, 호흡에 의한 O2소모량 보
다 낮아지게 된다. 이때 배양액을 밀봉하게 되면, 광포 화 상태에서도 anaerobiosis로 유도되게 된다. 결과적 으로 O2 양이 급격하게 감소하므로 reversible hydrogenase가 활성을 가져 광포화 상태에서도 H2
생산이 가능해 진다. 따라서 1단계에서는 CO2의 고정 화를 통한 세포성장을, 2단계에서는 황결핍에 의한 혐 기조건에서 수소를 생산하는 2단 배양공정을 통해 녹 조류를 이용한 생물학적 수소생산을 가능하게 한다.
황결핍 조건에서 H2 생산을 위한 대부분의 전자는 thylakoid 막 내부에 존재하는 PSⅡ의 H2O 광분해에 의한 잔류량으로 충당되며, C. reinhardtii의 경우 reversible hydrogenase를 위한 여분의 전자를 생산하 기 위해 내인성 기질(endogenous substrate)을 소모 하여 필요한 전자를 얻기도 한다. 이러한 전자들은 ATP와 H2 분자를 생산하기 위해 plastoquinone, cytochrome b6f와 PS I을 통해 이동하게 되고, 최종 적으로 환원된 ferredoxin으로부터의 전자와 hydrogenase에 의해 수소가 생성 된다[그림 2].
위와 같은 개념을 바탕으로 하여 최근 미국의 에너 지기술연구소(NREL)와 러시아, 우리 연구실 등 여 러 곳에서 황결핍에 의한 수소생산 공정 최적화와 공 정 개발에 주력하고 있다. 최근까지 보고된 연구는 황 결핍 후 PSⅡ 잔여 활성에 따른 수소생산성 최적화,
그림 1. 암반응과 광발효 시스템을 혼합한 수소생산 공정 모식도 (A) 녹조류의 광합성적 녹말 축적 공정, (B) 암발효에 의한 수소생산 및 유기산 생성 공정, (C) 광합성 박테리아를 이용하여 유기산을 수소로 전환하는 공정.
(A) (B) (C)
특·별·기·획(Ⅰ)
황결핍 후 황성분의 잔여 농도에 따른 수소생산 최적 화, 초기 세포밀도에 따른 빠른 혐기조건 유도, 초기 pH 변화에 따른 hydrogenase의 활성 유지, 세포 성장 단계에 따른 수소생산성 변화, 빛 주기 및 세기에 따 른 PSⅡ 활성 최대화 등 황결핍에 의한 생물학적 수소 생산에 있어 중요한 인자들이 연구되어 졌다. 이제는 이러한 실험실 규모의 최적화를 통해 보다 큰 규모의 실질적인 생물 광반응기의 개발이 이루어 질 것이다.
균체외 수소생산
미생물이 수소를 발생하는 현상은 이미 미생물학자 들에 의해서 관찰되었으며, 조류와 세균을 이용하여 기초연구가 수행되어 왔다. 그러나 이러한 수소 발생 현상이 실질적으로 수소에너지의 생산과 연관지어 가 능성을 검토하기 시작한 것은 1970년대 초기 에너지 위기 이후이다. 이 당시의 수소생산은 주로 광합성 작 용에 의한 생산으로 시금치에서 추출한 chloroplast membrane 복합체와 미생물에서 분리한 수소생산 효 소 hydrogenase 및 전자전달체 ferredoxin에 빛을 주 어서 수소가 생산되는 균체 외 수소 발생법을 연구하 였다. 이와는 달리in vivo 수소생산은 질소고정능력
이 있는 cyanobacteria인Anabaena cylindrica를 이 용하였다. 최근에는 이러한 nitrogenase나 hydrogenase 를 세포에서 분리하여 전극에 고정화하여 수소를 생 산해 내는 방법이 러시아, 독일, 일본에서 연구가 진행 중이다. 한쪽 전극에는 chlorophyll과 photosystemⅡ 를 고정하고, 다른 한쪽엔 hydrogenase를 고정화하여 그 전극을 염다리와 전선으로 연결해주고 태양광을 비춰주면, photosystemⅡ에서 물분해를 통한 전자가 다른 쪽 전극에 고정화 되어있는 hydrogenase로 전달 되어 수소를 생산해 내는 원리이다[그림 3]. 이러한 방법은 아직까지는 수소생산량이 낮지만, 세포를 배 양하는 시간을 단축시키고, 광반응기의 부피를 획기 적으로 줄일 수 있기 때문에 지속적인 연구개발이 진 행되고 있는 중이다.
광안테나 크기 조절
광합성은 연속적인 두개의 다른 광합성 시스템인 photosystemⅡ(PSⅡ)와 photosystem I(PS I)을 이 용하는데 PSⅡ는 물분해와 O2 발생을 하며, PS I은 CO2 고정화에 관여하는 환원체(NADPH)를 생산하 여 CO2를 캘빈회로에 의해 고정화하거나 ferredoxin
그림 2. 녹조류에서의 광합성 pathway와 황결핍 후 수소생산 대사과정 모식도(R; Reaction center, PS II; Photosystem
II, PS I; Photosystem I, PQ; Plastoquinone, Cyt b
6f; Cytochrome b
6and Cytochrome f, PC; Plastocyanin, Fd; Ferredoxin,
화살표; 전자흐름방향).
특·별·기·획(Ⅰ)
에서 hydrogenase에 전자를 내주어 H2를 발생한다.
실험실 최적 조건에서 조류와 같은 광합성 미생물은 가시광선이 가지는 에너지의 약 22%를 화학에너지로 저장 변환할 수 있는데 이는 태양에너지의 약 10%를 변환할 수 있는 것으로 계산된다. 그러나 실질적으로 는 식물의 태양에너지 변환효율은 여러 요인에서의 유실을 고려할 때 약 1%이내로 추정한다. 이와 같은 생물학적 수소생산을 바이오매스 생산과 비교할 때,
실질적으로 좀 더 높은 광효율 변환효율을 얻을 수 있 다고 추정된다. 그러나 식물이나 조류에서 발견되는 광합성 효율은 최대 태양에너지의 10~20% 이상이 적용될 때에는 비효율적인 작동을 한다. 즉 광합성 효 율이 광에너지를 증가하여도 비례적으로 증가하지 않 는다. 이 현상은 light harvesting pigment(안테나;
antenna)가 light processing chlorophyll(reaction center)보다 지나치게 많아서 초과 빛 에너지가 공급
electron carrier
Hydrogenase
PS I / PS II
salt bridge
light e-
e-
e- H2
H
+H
2O
O
2그림 3. 새로운 광유발 수소생산 시스템의 개념도. PSⅠ과 PSⅡ는 빛 에너지를 모아서 물분해를 통한 전자 발생장치로 써 행동하며, 전극에 고정된 hydrogenase는 물분해를 통해 생성된 전자를 이용하여 proton을 환원시켜 수소를 생산함.
그림 4. 녹조류에서 광합성 효율 최대화와 수소생산 (A) 정상적인 안테나 크기를 갖는 세포는 광합성에 이용되는 빛에
너지가 초과 공급되면, 이용할 수 있는 빛 에너지만 이용하고 나머지의 대부분은 열로 발산, (B) 각 세포의 안테나 크
기를 줄이게 되면, 빛 에너지의 흡수 능력이 감소되어, 배양액내 깊숙이 빛이 도달하게 되어 수소생산량이 증가.
특·별·기·획(Ⅱ)
수소는 에너지 밀도가 가솔린보다 높을 뿐만 아니 라, 연소할 때 소량의 물만 발생하는 연료로써 21세기 를 주도할 대체·청정에너지로 주목 받고 있다. 미생 물에 의한 수소생산 기술은 청정에너지 생산과 동시 에 산소 발생, 공기 중 이산화탄소 고정, 식품공장 폐 수 및 음식쓰레기와 같은 유기성 폐기물 처리 등 환경 에 이로운 방향으로 진행될 뿐만 아니라, 광합성 미생 물 자체가 갖는 생물 산업성도 높아서 비타민류, 천연 색소, 피부암 치료제 등의 고부가가치 의약품 생산도 활성화된다.
생물학적 수소생산 기술은 총설에서 언급한데로 미 생물의 다양한 메카니즘에 따라 여러 가지 기술이 알 려져 있다. 이 중에서도 녹조류가 광합성 메카니즘에 의해 물로부터 전자를 공급받아 수소를 생산하는 직
접 물 분해 수소생산 기술(direct photolysis), 광합성 작용에 의해 물을 분해하여 산소를 발생하고, 동시에 공기 중 이산화탄소를 고정하여 고분자 저장물질로 균체 내에 합성한 후 혐기 발효 또는 광합성 발효에 의해 수소를 발생하는 간접 물 분해 수소생산 기술 (indirect photolysis), 유기물로부터 광합성 발효에 의 한 수소생산(photo-fermentation) 또는 유기물자체 가 에너지원으로 사용되는 혐기발효에 의한 수소생산 기술(dark fermentation), 광합성에 관여하는 엽록체 및 미생물 효소를 추출하여, 물 또는 유기물로부터 수 소를 발생하는in vitro 수소 발생, 광합성 미생물의 일산화탄소 가스 전환 반응에 의한 수소 생산 기술로 구분할 수 있다.
되면 모두 열로 발산시켜 버리기 때문이다[그림 4].
특히 태양광을 옥외에서 받을 경우, 흡수한 빛을 대부 분 이용하지 못하고 잃게 된다. 이러한 조류의 낮은 에너지 효율을 극복하기 위하여 미국 버클리 대학의 Melis 교수 연구팀이 안테나의 수를 줄여서 이론적인 광이용 효율에 접근하는 유전공학적 연구가 수행되고 있다.
결론
녹조류를 이용한 생물학적 수소생산 기술은 지구상 무한자원인 물과 태양광을 이용하여 수소를 생산할 수 있고, 또한 유기성 폐수 및 폐기물 저감과 CO2를 저감할 수 있으며, 수소생산에 이용되고 난 후의 녹조 류는 고부가가치 의약품 생산 및 식품원료로도 이용
가치가 높아서, 기술개발 및 경제성검토 결과 가능성 이 높은 기술로 해외에서 평가되고 있다. 더욱이 국내 와 같이 에너지 자가 공급이 매우 낮은 자원 빈약국에 서는 기술개발에 의한 에너지 생산국으로 도약할 수 있는 가능성을 내포한다. 현재는 수소 제조기술의 대 량 생산화 미흡 문제로 아직은 수소가 화석연료보다 훨씬 고가이나, 수소 제조기술 분야에서 원천기술 개 발 및 화석연료의 공급 부족, 청정에너지 필요성 등으 로 21세기 중반쯤에는 경제성이 확보될 것으로 예측 된다. 따라서 꾸준한 생물학적 수소제조기술 개발과 연구지원은 향후 우리나라가 에너지 빈국에서 부국으 로 발돋음 하는 발판을 마련하는 역할을 할 것으로 기 대된다.
김 미 선
한국에너지기술연구원 바이오매스 연구센터, [email protected]
특·별·기·획(Ⅱ)
광합성 세균 종류 및 수소생산 메카니즘 미생물이 분자상의 수소를 발생하거나 흡수하는 성 질은 그리 흔한 현상은 아니며, 일부 광합성 미생물과 혐기세균들에 의해 관찰되었다. 최초로 밝혀진 것은 1935년 홍색 유황세균, Chromatium vinosum이 광합 성 배양 조건에서 이산화탄소를 고정할 때 분자상의 수소를 전자공여체로 이용한다는 사실로부터 수소생 산에 대한 연구가 관심을 갖게 되었다. 이후 Chromatium 속 및 Rhodospirillum rubrum 균주가 빛이 없는 조건에서 formate를 수소와 이산화탄소로 분해하여 수소를 발생하고, 빛이 존재할 때도 수소를 발생하는데 이는 nitrogenase가 질소 및 암모니아 이 온이 제한된 배양조건에서 수소 양이온을 분자 상 수 소로 환원하여 수소가스를 발생한다고 보고 되었다.
미생물이 갖는 수소생산 기작은 광원의 유무에 따라 수소생산 발생경로가 다를 뿐만 아니라, 기질의 종류 및 미생물 고유의 효소계에 의해 수소생산 기작이 달 라진다.
수소를 생산하는 미생물은 크게 광합성 세균 (Photosynthetic bacteria), 혐기성세균(Non-photo synthetic anaerobic bacteria), 조류(algae) 등으로 구분되고, 이들의 수소 생성 기작, 사용가능 기질 및 수 소 발생량은 상당한 차이가 있다. 이중에서도 대표적인 수소생산 광합성 세균은 Rhodospirillum rubrum, Rhodopseudomonas sphaeroides, Chromatium okenii, Thiocystis Violacea, Thiosarcina rosea, Thiospirillum sanguineum, Thiocapsa roseoperisicina, Lamprocystis roseoperisicina, Thiodictyon elegans, Thiopedia rosea, Amobobacter pendess, Ectothiorhodospira mobilic, Chlorobium limicola, Prosthecochloris aestuariac, Pelodictyon clathratiforme, Chathrochloris sulfurica 등이 알려져 있다. 이러한 광합성 세균은 크게 Rhodospirillaceae, Chromatiaceae 및 Chlorobiaceae 로 분류되며, 이는 각각 홍색 비유황세균(purple non- sulfur bacteria), 홍색 유황세균(purple sulfur bacteria), 녹색 유황세균(green sulgur bacteria)으로 통칭된다.
조류 및 식물이 PS I과 II를 모두 광합성에 이용하 는 것과는 달리 광합성 세균은 PS I 만을 이용하여 광합성과 수소생산을 한다. 즉 cytochrome-associated (photosystem I, PS I) photoreaction pigment 복합 체인 reaction center라고 불리는 것을 가지고 있다.
이 reaction center의 역 할 은 빛 에 너 지 를 bacteriochlorophyll a 또는 b, carotenoid 등의 색소로 흡수하며 reaction center 복합체의 양면의 전위 차로 전환하며, 이러한 전위차는 cyclic 전자 전달계를 생기 게 하고, 이것은 다시 ATP 등의 고에너지 화합물을 만들게 된다. 이때 기질이 공급하는 전자가 nitrogenase 효소계의 전자 전달체(Fd)를 환원하며, 이 환원력과 ATP를 이용하여 nitrogenase가 질소원 이 없는 조건에서 분자 상의 수소를 발생한다[그림 1]. 또한 흡수파장 중 일부는 약 800nm 이상에서 높 은 흡광도를 나타내어 녹조류 및 고등 식물과 대조를 이룬다[그림 2].
P870 (reaction center of bacterio-chlorophyll) I (excited state of bacterio-chlorophyll) UQ (a pool of ubiquinone)
Cyt (cytochrome) Fd (Ferredoxin)
UQ·Fe (an iron-quinone moiety)
그림 1. 광합성 세균의 전자 전달경로와 수소 생산 및
질소고정.
특·별·기·획(Ⅱ)
홍색 유황 및 비유황 세균
홍색세균은 비교적 작은 분류군으로 약 30여 균종 으로 구성되어 있으며, 대부분 단세포이며, 출아에 의 해 증식하는 소수의 예외적인 것을 제외하고는 분열 (fission)에 의해 증식한다. 대부분의 균종은 편모에 의한 운동성을 나타내며, 일부의 균종에서는 기포 형 성을 보인다. 그러나 이들은 DNA의 GC함량에서 46~73%의 광범위한 분포를 나타내는 소수의 균종 으로 구성된 작은 분류군임에도 불구하고 유전적으로 는 다양한 유연성을 가지는 균종으로 구성되어 있다.
일반적으로 홍색세균은 홍색유황세균과 홍색비유황 세균으로 구성되며, 이들은 상호간에 생리학적 내지 는 생태학적인 차이점에 의해 뚜렷이 구별될 수 있다 [표 1]. 홍색유황세균은 주로 광합성 독립영양의 대사 형태로서 전자공여체로 H2S를 이용하며 절대혐기성 인 것에 반해, 홍색비유황세균은 주로 광합성 종속영 양의 대사형태를 가지는 것이 일반적이다. 따라서 홍 색비유황세균은 H2S에 민감하여, 일부의 균종은 미량 의 H2S 농도의 혐기조건에서 환원제로 산화·이용이 가능함에도 불구하고 대부분의 균종은 비교적 낮은 H2S에서도 그 생육이 저해된다.
홍색유황세균의 특징적인 광합성 대사 작용은 공기 중 이산화탄소를 동화하여 탄수화물 등 고분자 물질 을 합성하고, 순환적인 광합성 인산화 과정에 의한 ATP 생산과 아울러 H2S가 혐기적 조건에서 분자상 의 유황을 거쳐 황산염으로 산화되는 과정중 환원력
을 공급한다. 이들의 대사작용은 다음의 일반적인 반 응식으로 표시될 수 있다.
2CO2+ H2S + 2H2O → 2(CH2O) + H2SO4
일부의 홍색유황세균은 H2S 이외에도 환원된 형태 의 무기 유황화합물과 수소를 환원제로 이용할 수 있 다. 그러나 홍색유황세균에 의한 유황화합물 산화에 관련한 생체내 화학반응은 대단히 복잡하며, 아직도 불분명한 점은 많지만 호기적 화학합성 독립영양세균 과 유사할 것으로 추측된다.
홍색세균에 의한 H2S 산화는 H2S에서 S로 산화되 는 속도가 S에서 SO42-로 산화되는 것보다 빨리 진행 되므로 일시적으로 S를 다량 축적하게 된다. 대부분 의 균종에서 분자상의 S는 세포내에 축적되며, 현미 경 관찰에서 굴절성을 갖는 과립형태로 나타난다. 그 러나Ectothiorhodospira sp.에서는 유황이 배지로 흘 러나오고, 따라서 계속되는 SO42-로의 산화를 위해 세 포내로 재흡수되는 현상을 보인다.
분열에 의하지 않고 출아에 의한 세포증식을 나타 내는 유일한 홍색비유황세균은Rhodomicrobium 속 과 일부의Rhodobacter 속에 포함되는 균종을 들 수 있다. 대부분의 홍색유황세균이 절대광합성 독립영양 적인 것에 반해 다수의 홍색비유황세균은 암소에서 호기적으로도 잘 생육할 수 있다. 이와 같은 균주는 산화적인 전자전달계를 갖추고 있어서 호기적인 광합 성을 할 수 있지만 소수의 균종은 pyruvate 혹은 당
광합성의 근본적인 형태 광합성 독립영양 광합성 종속영양
광동화에 이용될수 있는
좁다 넓다
유기물의 범위
암소에서의 호기적인 성장 – + 혹은 –
H
2S를 산화할 수 있는 능력 + + 혹은 –
H
2S를 SO
42-로 산화하는
+ –
과정에서 S 축적
H
2S에 대한 민감성 낮다 높다
표 1. 홍색세균을 구성하는 2개의 subgroup의 특징
홍색유황세균 홍색비유황세균
그림 2. Rhodobacter 속 홍색 비유황 광합성 세균.
특·별·기·획(Ⅱ)
의 발효에 의해 무산소 상태 하에서도 생육이 가능한 것도 있다. 따라서 홍색비유황세균은 일반적으로 유 기화합물이 함유되어 있으면서 H2S가 존재하지 않거 나 미량 존재하는 담수의 호수나 연못에서 서식한다.
그러나 홍색유황세균은 황산염환원세균의 활동에 의 해 H2S가 발생하는 환경에서 서식한다. 이들은 모두 혐기 상태에서는 질소고정이 가능하지만 호기적인 상 태에서는 질소고정을 할 수 없다.
홍색비유황세균 중에서도 Rhodopseudomonas 속 의 광합성 세균은 자체의 bacterio-chlorophyll (BChl)이 장파장의 빛을 받아 전자전달 기작에 의해 질소고정화를 한다. 질소고정화에 관여하는 최종 효 소는 nitrogenase이며, N2, NH3, NH4+ 등 질소원이 존재하지 않을 때 H+을 수소로 환원하여 수소가스를 발생한다. 홍색비유황세균과는 달리 황화합물이나 H2S로부터 전자를 받는 홍색 또는 녹색 유황세균에는 해양에서 분리된Chromatium, Thiocapsa, Thiocystis 속이 있으며, 이와 같은 세균은 수소생산 뿐만 아니라 폐수나 하수처리 악취제거에 활용되고 있다.
또한Rhodobacter의 배양은 다양한 대사 작용으로 호기적 및 혐기적 암조건에서도 모두 성장할 수 있고, 또한 광합성을 할 수 있는 동시에 발효한 배양 가능성 도 알려졌다. 이러한 다양성 때문에 기질 이용 효율에 차이는 있지만 단당류, 이당류 및 각종 유기산을 모두 배양기질로 사용할 수 있다. 광합성균주에 의한 이론적 인 수소생성량은 포도당 한 분자로부터 12 분자의 수 소가스가 생성되며, 유기산인 acetate, lactate 및 butyrate로부터 각각 한 분자에서 4, 6 및 7 분자의 수 소가 생성된다. 그러나Rhodobacter는 종 및 속에 따 라 변환율의 차이가 있으며, 최대 기질 전환율은 포도 당의 경우 30~40%이고, lactate는 85~90%까지 가능 하다고 알려져 있다. 조류나 광합성 세균으로부터 생산 되는 생물학적 수소로의 변환 효율은 빛에너지를 이용 할 수 있는 최대 양자 효율이 높을수록 많은 수소를 생 산한다고 알려져 있으며, 이는 균주 내의 광화학적 변 수인 광반응센터의 수 및 안테나 크기 등에 비례한다.
수소 생산 적용 기술 및 연구 현황
광합성 세균 특히 홍색 비유황 세균에 의한 수소생 산을 최대화하기 위하여 혐기발효와 연계하여 많은 연구가 수행되었다. 즉, 혐기발효에 의한 수소생산은 광이 없는 혐기 발효 조건에서 혐기 발효세균이 유기 물을 이용하여 배양액 중에 각종 유기산, 유기용매를 축적하고, 동시에 수소와 이산화탄소를 발생한다. 이 균주들은 자체 내 존재하는 생화학 반응을 거쳐 수소, 이산화탄소, butyrate를 생성하며, 동시에 lactate, acetate, butanol, 에탄올도 생성할 수 있는 발효 경로 를 갖는다. 포도당으로부터 수소와 같이 acetate 및 butyrate가 생성될 경우를 각각 반응식으로 표시하면 다음과 같다.
C6H12O6+ 6H2O → 2CH3COOH + 2CO2+ 4H2
C6H12O6+ 6H2O → CH3(CH2)2COOH + 2CO2+ 2H2
즉, 혐기발효에 의한 수소생산은 acetate 2분자와 동시에 최대 수소 4분자를 생산한다. 이는 포도당 1분 자로부터 생산할 수 있는 12분자의 수소 중 약 33%
의 전환에 불과하지만, 이 반응에 관여하는 세균은 수 소생산 속도가 빨라서 가장 상용화에 접근하는 기술 로 평가되고 있다. 이 때 동시에 생성된 acetate 및 각 종 유기산은 광합성 발효에 의해 순차적으로 아래 식 과 같이 수소 발생을 유도 할 수 있으므로, 혐기발효 와 광합성 발효를 적용하여 유기물로부터 수소로의 최대 전환율을 기대할 수 있다.
2CH3COOH + 4H2O → 4CO2+ 8H2
Rhodobacter 속이 유기물로부터 광합성에 의한 수 소생산을 최대화하기 위해 여러 가지 방법이 연구되 고 있는데, 첫째, 수소발생에 관여하는 효소인 nitrogenase 유전자의 변형 및 발생한 수소를 재사용 하는 uptake hydrogenase(Hup) 유전자 제거 등의 관련 유전자를 조작하는 연구를 비롯하여 광 이용효 율에 영향을 주는 광반응 관련 유전자와 연관된 light harvesting system에 존재하는 각종 안테나의 변형 등
특·별·기·획(Ⅲ)
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]
특·별·기·획(Ⅲ)
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 CO2 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
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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 CO2 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 2,350m3/ 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 1,752m3/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 2,350m
3/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 운전자료구분 평균 자료 비고
특·별·기·획(Ⅲ)
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/m2의 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 $5,000/100m2로 추정하였으며, 최 대 수소 생산율은 맑은 날 40ℓ수소/m2/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 반응기로Arthrospira 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
생활쓰레기깔때기 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.
특·별·기·획(Ⅲ)
및 COST Action 841은 각각 혐기/광합성 발효에 의 한 수소생산과 Cyanobacteria의 수소생산성을 증가 시키기 위한 유전자 기반 연구를 지원하고 있다.
혐기발효에 의한 수소생산반응
혐기적 조건에서 발효를 이용하면 다양한 범위의 기질, 유기성 폐기물 등으로부터 수소 생산이 가능하 다. 게다가 발효를 이용한 수소생산은 빛에 의존하지 않고, 미생물의 높은 성장 속도로 인한 수소생성속도 를 높일 수 있는 장점이 있다. 유기성 물질로는 주로 탄수화물, 즉 포도당이 가장 선호되는 탄소원으로 이 용되고, 발효 과정을 거치면서 수소와 함께 초산 (acetic acid) 혹은 butyric acid 등이 발생한다.
C6H12O6+ 2H2O → 2CH3COOH + 2CO3+4H2 (1) C6H12O6→ CH3CH3CH3COOH + 2CO2+2H2 (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 세균인Caldicelluosiruptor 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
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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 N
2sparging continuous 1.4~2.3 Mixed culture
Glucose N
2sparging continuous, (Predominantly Clostridium sp.) HRT:8.5h 1.43
Mixed miroflora Wheat starch co-product N
2sparging 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
