폐수 처리 현장 적용 미생물 연료전지 시스템 개발 폐수 처리·전력 생산을 한 번에

광주과기원 장인섭 교수와 김대희 박사(제1 저자)가 폐수를 처리하면서 동시에 전력을 생산하는 미생물 연료전지 기술을 상용화함으로써, 그동안 난제로 여겼던 현장 적용성을 실질적으로 높일 수 있는 시스템을 개발했다. 이 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 중견 연구자 지원 사업(도약 연구)과 미래 유망 융합기술파이오니어사업등의지원으로수행했으며, 화학분야전문지《켐서스켐ChemSusChem》에게재됐다.

미생물 연료전지는 미생물을 이용해 에너지를만드는 장치로, 최근 이 장치가 폐수 처리와대체 에너지 활용에 이바지할 것으로 알려져 세계연구자들이 주목하고 있다. 미생물 연료전지는오·폐수 내에 존재하는 유기물의 화학 에너지를미생물의 촉매 작용을 활용해 전기 에너지로 직접전환하는 생물 전기 화학 장치다. 미생물 연료전지로 하·폐수 또는 폐기물을 처리하면, 유기물 오염물질들을 전기 에너지를 생산하는 지속 가능한 원료로 활용할 수 있다. 이에 따라 하·폐수 처리를 위한 비용 절감과 전기 에너지 생산에 따른 경제적 이득이란 두 마리 토끼를 잡을 수 있다.
최근 지구 온난화, 일본 원전 사태 등을 겪으며 미생물 연료전지에 관한 관심이 높아졌다. 우리나라도'2012 미래 유망 10대 신기술'에 선정(한국과학기술기획평가원 주관)하는 등 미생물 연료전지 기술에 관한 관심은 뜨겁다. 하지만 상용화를 위한 난관(폐수 처리 공정의 현장 적용성 등)을 해결하는것이 무엇보다 절실하다.
장인섭 교수 연구팀은 지금까지 실험실 규모로 이뤄지던 연구를 실제 현장에 적용하도록 미생물 연료전지의 모듈 시스템(Modulation)과 직렬로 연결함으로써 전력을 크게 향상시켰다. 모듈 시스템은각각의 단위 셀을 쌓아 하나의 셀 형태로 운전하는시스템이다. 장 교수팀은 기존 연구팀이 보유한 기술(2007년 미생물을 이용해 합성 가스를 전기 에너지로 전환하는 기술 등)들을 바탕으로 시스템의 구조적인 측면에서 접근해 모듈 시스템과 직렬로 연결하는 방법을 도입했다. 이를 통해 폐수 처리 공정현장에 적용할 수 있는 미생물 연료전지 시스템을개발해 현재 우리나라와 미국 등에 특허를 출원한상태다.

오·폐수로 생산하는 전력
미생물 연료전지란 유기·무기 물질을 흡수하고분해하며 살아가는 미생물 가운데 세포 내에서 기
질을 산화시켜 생성되는 전자를 전극으로 전달시키는 미생물을 촉매로 사용해 오·폐수 내에 존재하는 유기물의 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하는 시스템을 말한다. 미생물 연료전지 시스템은 현재까지 실험실 규모로 연구 및 발전을 이뤘고, 이는실제로 폐수 처리와 동시에 전력을 생산하는 수준에 이르렀다. 그러나 미생물 연료전지 기술을 실제현장에 적용하기 위한 연구는 부진한 실정이다. 그이유는 실험실 규모 연구를 실제 현장에 적용했을때 발생하는 상당량의 성능 저하 때문이다.장인섭 교수는 연구에서 실제 현장 적용성을 높이고자 단위 셀의 모듈화를 통해 크기를 늘렸고, 이를직렬로 연결해 전력 생산의 향상을 꾀했다. 연구에서 제시하는 시스템은 미생물 연료전지의 현장 적용성을 상당 부분 끌어올린 것으로, 미생물 연료전지의 상용화에 이바지할 것으로 보인다.장인섭 교수는"이번 연구 결과는 미생물 연료전지 기술의 현장 적용성을 크게 향상시킨 것으로, 미생물 연료전지 기술의 상용화에 한 걸음 더 접근했다고 볼 수 있다"고 연구 의의를 밝혔다.電⃝

제철소 일산화탄소, 녹색 에너지 수소(H2)로 변신
오염물질로 신재생에너지 생산

국내 대형 제철소(3개소)의 제련 과정에서 발생하는 부생 가스 내 일산화탄소(CO)는 약 300만 톤. 이 중 60∼65%는 제철소 자체 열원으로 사용하지만, 나머지는 CO 농도가 충분치 않아 대기 중으로 방출한다. 제철소에서 CO를 자체 열원으로 전환하는 데 드는 비용은 천연가스를 연료로 사용(㎏당 1,000원)할 때보다 더 많지만, 유해 물질 배출량을 줄이는 차원에서재활용하는 것이다. 이러한 상황에서 한국해양연구원이 심해저 고세균이 CO를 수소로 전환하는 데 탁월한 생산 능력을 가졌음을 발견하고, 경제성 측면에서 부가가치가 높은 고순도 수소를 생산하고자' 해양 바이오 수소 생산 기술 개발 사업'을시작했다.

국토해양부는 6월 19일"태평양 심해저 열수구熱水口에서 분리한 해양 고세균을 이용해 세계 최고 수준의 생산성을 가진바이오 수소 실증 생산 기술 개발에 성공했다"고 밝혔다.
해양 고세균의 CO를 이용한 수소 생산성은 현재까지 밝혀진 수소 생산 미생물 가운데 가장 우수하다. 연구를 주도한 한국해양연구원 강성균 박사 연구팀은 해양 바이오 수소 실증 생산을 위해 국내 최초로 5ℓ, 30ℓ, 300ℓ 고온 혐기 바이오 수소 생산 생물 반응기를 구축했다. 그리고 바이오 수소 생산 최적화 연구를 통해 1톤 규모 반응기를 사용할 때 개미산 및 CO를 원료로 1일에 각각 100㎏과 10㎏의 바이오 수소를 생산할 수 있는 기술을 개발했다. 이러한 연구 성과는지금까지 개미산이나 CO 원료로 바이오 수소를 생산한 기술로는 세계 최고 수준이다. 연구 성과는 환경오염 물질인 CO저감은 물론, 제철소 부생가스의 효율적인 재활용을 통해 신재생에너지인 수소를 생산함으로써 녹색 성장에 이바지할수 있다는 측면에서도 크게 기대를 모으고 있다.
제철소 전로가스(LDG 가스)는 60% 정도 CO를 함유하는데, 지금까지 대부분 제철소 자체 발전을 위한 열원으로 사용하거나 대기 중으로 배출했다. 이 중 한해 200만 톤 이상은 활용할 수 있다. 이를 이용해 바이오 수소를 생산하면 환경오염물질 저감과 신재생에너지 생산이라는 두 가지 기대 효과를 모두 충족할 것으로 보인다. 2018년까지 대량 생산 기술 개발을 완료할 경우, CO를 활용한 바이오 수소 생산이 가능해 국내 수소 수요의 약 5%(연간 1만 톤 생산, 고순도 수
소 경우 1천억 원 규모)를 대체할 것으로 전망한다.
연구팀은"성과를 바탕으로 본격적으로 실증 생산 연구를 추진하고자 연구용 플랜트 구축을 완료하고, 수소 대량 생산연구 등 2단계 연구에 박차를 가할 계획이다"고 밝혔다.