멸균 과정 없는 경제적 바이오수소 생산 기술 개발
[선데이뉴스=정성남 기자]미래창조과학부(장관 최양희)는“해조류의 미활용 바이오매스에서 다른 연료를 쓰지 않고, 값비싼 멸균 과정 없이 연속적으로 바이오수소를 생산할 수 있는 기술이 개발되었다”고 밝혔다.
<바이오매스는 식물의 광합성에 의하여 고정화된 생산량 중에서 석탄, 석유를 제외하고 아직 이용되고 있지 않은 에너지 자원을 말한다.>
식용, 사료, 화학 원료 등으로 사용되지 못하고 폐기물로 취급되는 것을 미활용 바이오매스라 한다.
<바이오수소는 나무, 풀, 해조류 등 바이오매스를 원료로 생산하는 수소를 말한다.>
활용도가 높은 수소 에너지를 얻기 위해서는 화석, 원자력 등 다른 에너지를 많이 투입해야만 한다. 또한 생물학적으로 바이오수소를 생산하는 방법은 경제성이 낮아 상용화에 이르지 못하고 있다.
한편, 김상현 교수(대구대) 연구팀은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구) 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 바이오에너지 분야에서 세계적 학술지 바이오리소스 테크놀로지(Bioresource Technology) 8월 1일자 표지논문으로 게재되었다.
또한, 김상현 교수는“이 연구는 홍조류 등 미활용 바이오매스의 주 성분인 갈락토스를 미생물의 먹이로 활용하고, 값비싼 멸균 과정 없이 연속적으로 바이오수소를 생산할 수 있는 기술을 개발했으며, 이로써 바이오수소 생산이 연구실 수준을 넘어 상용화에 다가갈 수 있는 기반을 제공했다는데 의미가 있다”라고 연구의 의의를 설명했다.
연구를 시작한 계기나 배경은?
바이오에너지 원료로 식용작물을 이용하는 것은 이미 상용화되었고, 나무, 풀 등 리그노셀룰로스를 이용하는 것은 미국, 유럽 등이 이미 주도권을 장악하고 있을 뿐 아니라, 토지가 협소하고 그나마 대부분 산지인 한국의 실정 상 상용화되기 쉽지 않다고 판단했다고 말했다. 그러면서 홍조류를 비롯해 보다 확보 가능한 바이오매스를 원료로 연구팀이 기술력을 축적해 온 바이오수소를 생산하고자 이 연구를 시작했다고 밝혔다.
연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
발효 속도가 느린 갈락토스를 이용하여 연속 배양을 하는 것이 어려운 점이었다. 공정 내 갈락토스 농도를 너무 낮지도, 너무 높지도 않은 범위로 유지하고, 적절한 종류와 농도의 소포제를 투입하는 등 수소 생산에 적합한 배양 조건을 제공하고, 실시간 중합효소연쇄반응법(qPCR)을 통해 운전 인자 변화 시 수소생산 핵심 미생물군집 변화를 빠르게 파악하여 대처하는 방법으로 이를 해결하였다.
이번 성과, 무엇이 다른가?
홍조류 등 미활용 바이오매스의 주 성분인 갈락토스를 미생물의 먹이로 활용하고, 값비싼 멸균 과정없이 연속적인 바이오수소 생산을 지속하며, 연속 바이오수소 생산 시 주요 문제점으로 지적되는 거품 발생(foaming)을 제어하는 기술을 제시한 점이 기존 연구와 다르고, Bioresource Technology 편집진도 이런 점을 높이 산 것 같다.
꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?
현재는 유전공학과의 접목을 통해 수소 생산량을 늘리는데 연구의 초점을 두고 있다. 연구팀에서 수행한 환경공학 분야 다른 기술(바이오가스 생산, 오염물질 제거 등)들은 이미 유상 기술이전과 사업화로 연결되었는데, 바이오수소 분야는 상대적으로 상용화가 더딘 것이 사실이다. 이 연구결과를 잘 발전시켜 빠른 시일 내에 사회에 실질적으로 기여하고 보답하고 싶다고 이같이 말했다.
수소는 에너지 밀도가 높고(122 kJ/g, 가솔린의 약 3배) 연소 시 미량의 질소산화물과 물만을 배출하는 청정에너지로, 유망한 수송용 연료이다.
또한 현재의 중앙집중형 전기 공급 시스템을 대체할 새로운 기술인 연료전지의 원료이기도 하며, 향후 천문학적으로 수요가 예상된다. 시장조사기관인 파이크 리서치(Pike Research)는 2011년 8월 세계 수소연료 수요량이 2010년 775톤에서, 2020년 41만 8,000톤으로 급격히 확대될 것으로 전망했다.
현재 수소는 주로 석유나 천연가스 등의 화석연료 수증기 개발 반응에 의해 제조되며, 원유 정제공정 및 제출소 부생가스로부터 분리되거나 원자력을 이용하여 물을 전기분해하기도 한다.
이러한 기술들에 의한 수소 생산은 생산되는 수소에 비해 훨씬 많은 양의 재생 불가능한 에너지를 투입하여 얻는 것이므로 온실가스 감축 및 지구환경 보호라는 신재생에너지 기술 개발의 기본 목적에 맞지 않아 궁극적으로는 생물학적 공정 등 재생 불가능한 에너지의 투입이 필요 없는 지속 가능한 방법으로 대체되어야 한다고 연구팀은 밝혔다.