[논문]새로운 그린에너지 리소스 - 미생물연료전지

장재경

새로운 그린에너지 리소스 - 미생물연료전지 원문보기

전원과 자원 = Rural resource, v.52 no.3, 2010년, pp.2 - 9

장재경 (국립농업과학원 농업공학부 에너지환경공학과)

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문제 정의

또한 미해군성은 해저에 배치된 전기장비에 전원을 공급할 목적으로 해저 퇴적물에서 얻어 이들 군사장비에 에너지원으로 이용할 수 있는 연구를 하였다<;그림 4>.
본 글의 목적은 미생물연료전지 기술 개발의 필요성과 활용방안, 그리고 국내외 기술 개발 현황 및 향후 전망을 통해서 소개 하고자 하는 것이다.
미국을 중심으로 미생물연료전지를 연구하는 과학자들은 전기화학적 활성을 갖는 미생물의 중요성을 인식하고 The Institute For Genome Research (TIGR)를 통하여 Geobacter sulfureducens의 전체 genome sequencing 작업을 완료하였으며 이 결과를 2003년 Science지에 발표하였다. 이들 미생물에서 전극으로 전자전달하는 메커니즘을 규명하고자 연구하고 있다. 미국 남가주대학의 Nealson 교수와 Craig Venter Institute의 Gorby박사는 미생물의 pili를 통해 전자가 미생물에서 전극으로 전달-nanowire-된다는 메카니즘을 규명하였다<그림 3>.
신재생에너지원 개발과 더불어 최근 zero-waste society를 만들기 위해 노력하고 있는데 이는 과거 폐기물이 오염물질의 발생을 최소화하면서 처리할 수 있는 기술 개발에서, 이제는 자원 순환형 사회를 구축하자는 것이다. 이를 위해서 효율적 생산, 폐기물 발생 최소화 그리고 발생된 폐기물은 재활용하거나 에너지로 환원시키는 방향으로 바꾸자는 것이다. 즉, 생산 단계부터 폐기물 발생을 컨트롤하여 환경적으로 안전하게 배출하고, 최소한으로 폐기물이 발생된다 하여도 폐기물을 에너지 리소스로 이용하자는 것이다.

제안 방법

그림 2. 금속산화 세균(슈와넬라)의 멤브레인에 위치한 cytochrom과 전극 사이에서 제안한 전자 전달 방법.

성능/효과

미생물연료전지는 미생물세포 안에서 환원되고 전극표면에서 산화될 수 있으며, 세포막을 쉽게 통과할 수 있는 물질매개체 (mediator)-을 통해서만 미생물과 전극간의 전자전달이 가능하다고 알려져 있었다. 따라서 매개체형 미생물연료전지에서는 methylviologen, thionine, 1.4-naphtoquinone등이 매개체(mediator)로 사용되었는데 매개체가 세포안에서 100% 회수가 안 되기 때문에 효율을 높이기 위하여 지속적으로 매개체(mediator)를 보충하여야 운전할 수 있었다. 또한 세포내에서 계속 축적되는 매개체는 일정농도 이상에서 대부분이 미생물에 독성으로 작용하여 결국 미생물의 대사가 중지되는 현상을 야기하였다.
이것은 2009년부터 국립농업과학원에서 가축분뇨를 대상으로 하는 연구에도 미생물연료전지를 이용하고 있으며 기존의 가축분뇨 처리시스템과 연계한다면 가축 분뇨 처리는 물론 전기에너지가 발생되는 자가 발전시스템 될 수 있을 것이다. 셋째, 센서로도 개발이 가능하다는 것이다. 생물학적 산소요구량(BOD) 측정 계측기로는 연구 개발되어 시판되고 있으며, 독성물질 유입에 따른 경보장치로도 최근 개발 되어 시판되고 있다.
이와 더불어 다양한 분야에 활용 가능할 것이라는 것이다. 첫째, 70~90%정도 하수 처리효율이 되는 것으로 보고되고 있어 하수처리 시스템으로 이용가능성을 보여주고 있다. 둘째, 유기오염물질 이외 다양한 환경오염원의 제거가 가능하다는 연구결과가 발표됨으로써 다양한 폐수처리 시스템으로도 이용할 수 있을 것이다.
Starvation 운전 결과는 폐수처리 시스템인 경우 매우 중요한 요소가 될 수 있는데, <그림 7>은 폐수가 중단되었을 때 다시 전류가 회복되는 것을 확인한 결과이다. 폐수의 공급이 간헐적인 상황이 될 수도 있으며 때론 다른 원인에 의해 폐수를 공급할 수 없는 상황이 발생할 수 있는데 미생물연료전지는 270시간 폐수 공급이 중단 되도 원상회복되는 결과를 얻음으로써 운전에 안정성을 보였다.

후속연구

첫째, 70~90%정도 하수 처리효율이 되는 것으로 보고되고 있어 하수처리 시스템으로 이용가능성을 보여주고 있다. 둘째, 유기오염물질 이외 다양한 환경오염원의 제거가 가능하다는 연구결과가 발표됨으로써 다양한 폐수처리 시스템으로도 이용할 수 있을 것이다. 이것은 2009년부터 국립농업과학원에서 가축분뇨를 대상으로 하는 연구에도 미생물연료전지를 이용하고 있으며 기존의 가축분뇨 처리시스템과 연계한다면 가축 분뇨 처리는 물론 전기에너지가 발생되는 자가 발전시스템 될 수 있을 것이다.
펜실베니아 주립대학의 Logan 교수는 다양한 폐수로부터 전기에너지를 얻는 연구와 미생물연료전지 구조를 변화시킴으로써 전기에너지 생성 효율을 높이는 연구를 하고 있는데 이 팀에서는 브러쉬 타입의 전극을 사용함으로써 전기에너지 발생효율을 향상시켰다. 이 브러쉬 타입 전극은폐수처리용 미생물연료전지의 전극 표면적을 넓혀 유용하게 이용될 것으로 기대된다.
이러한 패러다임의 변환의 key idea는 폐기물이 더 이상 폐기물이 아니라 자원리소스라는 것이다. 이러한 시대적 요구 및 상황에서 연료전지와 바이오에너지 분야에 속하는 미생물연료전지는 자원순환형 사회에 적합한 환경융합신기술로써 주목받을 것으로 기대할 수 있는 새로운 신재생에너지 리소스라 할 수 있을 것이다.
그러나 아직은 해결해야 하는 과제들이 많이 남아는 상태인데 극복해야하는 일순위는 낮은 전기에너지 발생량을 향상시키는 것이다. 폐수처리를 위한 scale-up, 저가의 재료 개발, 그리고 전기화학적 활성미생물의 기작이나 종류를 파악하여 대량생산할 수 있는 기술 개발 등으로 볼 수 있을 것 같다. 이와 같이 아직은 극복해야 하는 점들이 남아 있지만 미생물연료전지는 분명 지속가능한 친환경 에너지리소스로 다가오는 미래에 중요한 역할을 할 것이라고 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	환경오염, 자원고갈, 그리고 지구온난화에 의한 이상 기후현상 등환경재해와 에너지 자원문제를 해결하기 위한 선진국의 대책은?	최근 환경오염, 자원고갈, 그리고 지구온난화에 의한 이상 기후현상 등 환경재해와 에너지 자원문제는 앞으로 국가의 존폐를 좌우할 만큼 중요한 문제로 대두되고 있다. 전 세계가 직면한 이러한 문제를 해결하기 위하여 선진국에서는 막대한 초기 투자비용에도 불구하고 화석에너지의 고갈에 대비한 적극적인 대책마련과 지구환경의 보전이라는 관점에서 신·재생에너지 개발에 과감한 투자하고 있다.
	신재생에너지 분야에는 어떤 것들이 있는가?	그러나 화석연료의 고갈에 대비한 새로운 에너지원의 개발이라는 측면에서 지속적인 국가차원의 지원이 필요한 분야임에는 분명하다. 신재생에너지 분야는 태양광, 태양열, 바이오, 풍력, 수력, 폐기물, 지열, 연료전지, 석탄액화가스화, 수소에너지 등 11개의 분야로 구분되는데 각 분야별 연구개발 및 보급이 활발하게 되고 있다. 신재생에너지 분야는 IT, BT, NT 기술 집약된 분야로 가까운 미래 차세대 산업으로 경제 활성화에도 크게 기여할 것임은 의심할 여지가 없으며, 따라서 장기적인 목표를 가지고 운영되어야 한다.
	미생물연료전지 연구가 지지부진해진 이유는?	미생물연료전지는 영국과학자에 의해 처음 소개되었고, 미국 항공우주국(NASA)은 이 기술을 우주선의 배설물을 재활용하는 연구에 이용하였지만 사용할 수 있는 미생물이 제한적이고 전자전달을 위하여 사용하였던 매개체(mediator)가 페놀계 화합물질이 많아 환경에 영향을 미치는 것은 물론 미생물에도 영향을 미쳐 장기적으로 운전하는 것에 한계가 있어 미생물연료전지 연구가 지지부진해졌다<그림 1>. 미생물연료전지는 미생물세포 안에서 환원되고 전극표면에서 산화될 수 있으며, 세포막을 쉽게 통과할 수 있는 물질매개체 (mediator)-을 통해서만 미생물과 전극간의 전자전달이 가능하다고 알려져 있었다.

참고문헌 (14)

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Gorby YA, Yanina S, McLean JS, Rosso KM, Moyles D, Dohnalkova A, Beveridge TJ, Chang IS, Kim BH, Kim KS, Culley DE, Reed SB, Romine MF, Saffarini DA, Hill EA, Shi L, Elias DA, Kennedy DW, Pinchuk G, Watanabe K, Ishii H, Logan B, Nealson KH, Fredrickson JK. 2006. Electrically conductive bacterial nanowires produced by Shewanella oneidensis strain MR-1 and other microorganisms. PNAS, 103, 11358-11363.

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Yuzvinsky TD and Nealson KH. 2010. Bacterial nanowires and electricity generation in microbial fuel cell. The electrochemical society 217th ECS meeting.

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