NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 21, No. 6, 2003…749
NRL
National Research Laboratory (국가지정연구실)
김 병 홍
한국과학기술연구원 수질환경 및 복원연구센터 [email protected]
연구실 소개
한국과학기술연구원 생물전기화학연구실은 1990년대 중반 4년간의 연구를 통해 전기화학적 으로 활성이 있는 미생물의 존재를 밝혔으며 새로 운 개념의 미생물연료전지로서 무매개체 미생물 연료전지를 세계 최초로 개발한 바 있다. 본 연구 실은 무매개체 미생물연료전지에 대한 축적된 연 구를 바탕으로 “폐수처리를 위한 무매개체 미생물 연료전지의 개발”이라는 과제로 2001년 국가지정 연구실로 선정되어 현재 3차년도 연구를 진행하 고 있다.
미생물연료전지는 미생물의 전기화학적 반응에 의하여 미생물이 전자공여체로 이용할 수 있는 기 질이 갖는 화학에너지를 전기에너지로 변환시켜 주는 장치이며 화학에너지원으로는 미생물이 이 용 가능한 유기물들이 사용된다. 폐수 중의 오염 물질을 연료로 이용할 수 있는 미생물연료전지를 개발하기 위해 1960년대 이래 많은 연구가 진행되 었다. 전형적인 미생물연료전지는 음극부에서 미 생물의 작용에 의하여 기질이 산화되면서 발생하
는 전자에 의하여 산화환원전위가 낮아질 수 있으 나 일반 미생물의 세포표면이 전기적으로 절연이 기 때문에 전자전달이 세포 안에서 이루어지는 일 반미생물은 전자를 전극으로 전달할 수 없다. 그 러므로 전자전달 매개체가 일반미생물을 사용하 는 전자를 전극으로 전달하기 위하여 반드시 필요 하다. 이러한 매개체들은 세포에 대하여 독성을 띠고 있고 매우 비싸다. 따라서 미생물연료전지가 전기 생산이나 바이오센서 등의 다양한 목적으로 응용될 수 있지만 장시간 운전에 적합하지 않았기 때문에 산업화된 예는 없었다. 본 연구실에서 처 음 그 가능성이 입증된 무매개체 미생물연료전지 [그림 1]은 전자를 전극으로 직접 전달할 수 있는 전기활성미생물을 도입함으로써 이런 단점을 극 복한 것이다.
본 연구실의 발표 이래로 시작된 무매개체 미생 물연료전지에 대한 연구는 세계적으로 초기 단계 이며 새로운 바이오 에너지, 폐수처리, 바이오센서 등의 응용 분야에 관심이 집중되고 있다. 본 연구 실은 무매개체 미생물연료전지 관련 연구를 선도
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http://bioelectrochemistry.kist.re.kr
750…NICE, 제21권 제6호, 2003
N·R·L·소·개
하고 있어 기술 우위를 바탕으로 이들 분야에 대한 세계적 경쟁력을 가질 수 있을 것으로 기대된다.
연구과제의 내용
1. 폐수처리용 미생물연료전지 개발
폐수의 유기물을 처리하기 위해서는 현재 활성 슬러지법을 이용한 호기성 처리나 혐기성 소화법 을 이용한 methane 발효가 일반적인데 미생물연 료전지를 폐수처리 공정으로 이용하게 되면 폐수 의 처리와 함께 일부의 에너지를 전기의 형태로 전 환할 수 있다. 이때 활성슬러지법으로 폐수를 처리 한다면 수소의 산화환원전위(2H+/H2, -0.42V)를 기준으로 산소를 최종 전자수용체로 사용할 경우 (1/2 O2/H2O, +0.82V) 약 1.24V의 에너지가 나 오는데 미생물연료전지에서 0V 수준의 전자전달 체가 작용한다면 동일한 수소로부터 약 34% 만이 미생물 생장에 필요한 에너지로 전환되고 나머지 66%는 전기로 전환될 수 있다. 그러므로 미생물 연료전지가 효과적인 폐수처리장치로 개발된다면 슬러지 처리를 위한 막대한 경비를 절감할 수 있 으며 부대적으로 일부의 전기를 얻을 수도 있게 된다. 이러한 미생물연료전지 개발을 위해 미생물
연료전지의 performance에 영향을 미치는 인자들 을 파악하고 전기화학적 활성이 있는 미생물들의 특성 규명에 관한 연구를 진행 중에 있다.
2. BOD 계측을 위한 미생물연료전지 개발 미생물연료전지에서 미생물이 유기물을 분해하 면서 전기화학적 반응을 통해 전기적 신호를 발생 시키기 때문에 폐수의 유기물 농도를 측정할 수 있는 센서로서의 응용이 가능하다. 수질오염 관리 를 위해 오염 정도를 생화학적 산소 요구량 (Biochemical Oxygen Demand, BOD) 또는 화 학적 산소 요구량(Chemical Oxygen Demand, COD) 등으로 표시한다. 실제 수질 오염 정도는 BOD로 표시하는 것이 합리적이나 측정에 5일 이 상 소요되는 등 기술적 어려움 때문에 COD로 표 시하기도 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 실 시간 BOD 계측용 센서로 산소 전극을 이용하는 미생물 센서가 개발된 바 있으나 산소전극은 재현 성이 낮고 전극 유지에 대한 세심한 관리가 요구 되어 장기간 운전에 어려움이 있으며 사용되는 미 생물 종류의 한계로 인해 실제 BOD와 차이를 보 이는 단점을 가지고 있다. 본 연구실에서는 이러 그림 1. 무매개체 미생물연료전지의 개념도.
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 21, No. 6, 2003…751
N·R·L·소·개
한 산소 전극의 단점을 극복할 수 있는 무매개체 미생물연료전지를 이용하여 BOD를 실시간으로 측정할 수 있는 장치를 개발하기 위하여 본 연구 를 수행하고 있다. [그림 2]는 당 연구실에서 개 발하고 기술의 허여자로써 실험실 벤처기업으로 창업된 한국바이오시스템(주)에서 시판 중인 미 생물연료전지형 BOD 센서이다.
주요 보유 장비 및 기기 Ultracentrifuge High speed centrifuge Anaerobic glove box GC, HPLC, IC Mass spectrometer
Potentiostat Fermentor system Spectrophotometer French press Electrophoresis Deep freezer
Water purification system 현미경
단백질 정제 set(FPLC) Thermal cycler Voltameter set Peristaltic pump
Dcode system for DGGE 그림 2. 무매개체 미생물연료전지를 이용하는 BOD 계측기.
