연구실 소개
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… NICE, 제37권 제5호, 2019연구팀 소개
광주바이오/에너지 연구개발센터는 한국에너지 기술연구원의 광주 분원으로서 2018년 3월 개소하였 다. 센터 내 바이오프로세스 연구팀은 미생물 또는 바이오매스를 이용한 프로세스 개발을 통해 국가적 이슈인 기후변화 및 에너지 문제에 대한 해답을 찾 기 위해 노력하고 있다.
주요연구내용소개
1) CO2 전환 생촉매 기반 바이오리파이너리 플랫폼 현재 미생물을 이용한 전기화학적 CO2 전환 연구 는 낮은 CO2 전환 속도 및 낮은 전기 흡수 속도의 한
계를 극복하는 것이 기술적 난제이다. 본 연구진은 타겟 미생물 세포 내 고효율 CO2 전환 효소 시스템 도입 및 환원력(Electricity, H2 등)을 제공함으로써, 생물학적으로 CO2를 고부가 물질로 전환하기 위한 연구를 수행 중이다. 또한 CO2를 탄소원으로 사용하 는 Chemoautotroph(화학독립영양) 세균의 대사경로 재구성과 생물공정 최적화를 바탕으로 바이오리파 이너리 플랫폼기술을 제공하고자 한다.
본 연구진은 CO2의 생물학적 전환을 위해 전 도체로부터 환원력(Electron, e-)을 미생물에게 직 접 또는 간접적으로 전달하는 하는 생물전기합성 (Bioelectrosynthesis) 개념을 적용하고 있다. 생물전기 합성 반응은 전자방출세균(Exoelectrogen)이 유기물 을 산화시킬 때 방출하는 전자를 전극에서 획득하여 전기에너지를 생산하는 연료전지(Microbial fuel cells) 의 역반응으로 기존 미생물 배양공정에서 활용되던
한국에너지기술연구원 광주바이오/
에너지연구개발센터 바이오프로세스 연구팀
(Soft Matter & Functional Interfaces Laboratory, Pohang University of Science and Technology)
김민식
한국에너지기술연구원 광주바이오에너지연구개발센터 [email protected]
그림 1. CO2전환 생촉매 기반 바이오리파이너리 플랫폼 기술 개 요 및 반응 시스템.
그림 2. 자색비황세균의 대사적 다양성(Enzyme Microb Technol, 86, 45 (2016)).
연구실 소개
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 37, No. 5, 2019 …
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유기산, 당 등의 전자 공여체(Electron donor)의 역할을 환원전극(Cathode)으로 대체할 수 있다. 이러한 생물전기합성 개념은 2010년도에 제안되어 Acetogen 미생물 등을 통해 그 가능성이 이미 검증되고 있으 며, 대사공학을 적용할 경우 CO2를 환원시켜 유용한 바이오화학소재를 생산할 수 있으므로 많은 발전이 있을 것으로 예상된다. 본 연구진은 생물전기합성 시스템에 자색비황세균(Purple non-sulfur bacteria) 계열의 미생물을 모델균주로 적용하여 바이오리파 이너리 플랫폼을 구축하고 있다.
자색비황세균은 주변 환경에 따라 다양한 대사모 드(광독립영양, 광종속영양, 화학독립영양, 및 화학 종속영양)를 선택할 수 있으며 탄소 고정은 물론 질 소 고정도 가능한 균주로, CO2를 활용한 Chemical downstream으로의 확장을 통해 바이오폴리머, 바이 오플라스틱 전구체 및 바이오연료 등을 생산할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 생물전기합성 시스템 에서 전극으로부터 미생물로의 전자 전달을 향상시 키기 위한 목적으로 환원전극의 구조 및 성능을 개 선 연구와 고성능 CO2전환 효소를 생물전기합성 시 스템에 도입하기 위한 연구를 함께 수행 중이다.
2) 미생물 가스 전환 프로세스 연구
전 세계적인 셰일가스 생산증가 및 청정연료개
발을 위한 가스화 기술 발전으로 인해 최근 C1 가스 (CO, CH4)를 유용물질로 전환하려는 연구가 그 어느 때보다 활발하게 진행 중이다. 본 센터에서는 제철소 부생가스 또는 석탄 및 바이오매스 가스화에서 발생 할 수 있는 일산화탄소 그리고 셰일가스의 주성분인 메탄가스를 미생물을 이용해 에너지원 또는 유용 화 학물질로 전환하는 연구를 진행 중이다(그림 3).
Thermococcus onnurineus NA1은 한국해양과학기 술원에서 파푸아뉴기니 근처의 해저 화산지대에서 분리한 미생물로서 80도에서 최적 생장을 보이는 초 고온성 고세균이다. 이 종은 일산화탄소나 개미산 등
그림 3. 미생물을 이용한 가스전환 공정 연구.
그림 4. 고압미생물 반응기를 이용한 수소 생산성 증진.
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… NICE, 제37권 제5호, 2019을 이용해서 수소를 만드는 능력을 가지고 있으며 해 저 1,600 m에서 분리되어 다른 미생물과는 달리 고압 의 stress를 견딜 수 있는 미생물이다. 가스를 이용한 미생물 반응에서 항상 전체 반응의 제한을 주는 제한 인자는 물질전달 속도이다. 본 연구팀은 NA1 균주의 내압 특성을 이용하여 미생물 가압프로세스를 개발 함으로써 물질전달속도를 높이고 전체적으로 수소생 산성을 높이는 연구를 성공적으로 진행 중이다.
본 연구진은 또한 셰일가스의 대부분을 차지하고 있는 메탄가스를 메탄자화균을 이용해 숙신산으로 전환하는 연구를 진행 중이다. 메탄자화균은 메탄가 스를 carbon source 및 에너지원으로 사용하여 성장 하는 미생물로서 메탄가스 동화를 위해 RuMP 또는 Serine pathway를 이용하는 것으로 알려져 있다. 이 외에도 다양한 생합성 경로를 genome내에 가지고 있 어 target 물질 생합성을 위한 genetic engineering 측
면에서 많은 장점을 가지고 있다. 무엇보다 일반적 으로 생물공정에서 쓰이는 sugar보다 싼 가격을 지난 메탄가스를 feedstock으로 사용할 수 있는 점이 전체 공정에서 큰 장점이다. 그러나 아직까지 전 세계적 으로 메탄자화균에 대한 연구가 충분치 않아 적합한 genetic tool 개발을 공정개발과 동시에 진행하고 있 다. 본 연구진은 미생물 가스 소모 및 생산량 계산에 적합한 on-line GC와 Quadrupole MS등의 장비를 갖 추고 메탄전환 숙신산 생산 미생물 개량 및 공정개 발 연구를 활발히 진행 중이다.
연구진소개
본연구팀은 2019년 8월 현재 책임연구원 2명, 책 임기술원 1명, 선임연구원 5명, 기술원 1명, 학연생 5 명으로 구성되어 있다.
그림 5. 메탄자화균의 다양한 생합성 경로.
그림 6. 가스 소모, 생산 및 carbon conversion 측정.
