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.
김상현 교수(대구대) 연구팀은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구) 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 바이오에너지 분야에서 세계적 학술지 바이오리소스 테크놀로지(Bioresource Technology) 1일자 표지논문으로 게재됐다.
미활용 바이오매스 중 해조류는 삼면이 바다인 우리나라에서 대량 확보가 가능하다.
그 중 탄수화물 함량이 가장 높은 홍조류의 주 성분인 갈락토스를 활용해 값비싼 멸균 과정 없이 연속적으로 바이오수소 생산이 가능한 기술을 개발했다.
이번 연구에서는 갈락토스의 효율적인 활용과 멸균 비용 저감을 위해 단일 균주 배양이 아닌 혼합 배양을 채택했다. 혼합 배양의 핵심은 수소 생성균이 비수소 생성균에 비해 경쟁적 우위를 점하도록 공정 상태를 유지하는 기술이다.
하수처리 과정에서 폐기물로 발생하는 슬러지(침전물)를 90oC에서 30분간 열처리한 것을 별도의 선별 과정 없이 그대로 반응 초기에 주입하고, 이외에는 일체의 멸균을 실시하지 않고 반응을 진행했다. 열처리는 전체 미생물을 멸균하는 것이 아니라 내생포자를 형성하는 수소 생성균이 우위를 점하도록 하는데 목적을 뒀다.
실시간 중합효소연쇄반응법(qPCR)으로 수소생산 핵심 미생물의 함량을 모니터링하며 연속 운전 인자(pH, 갈락토스 농도 및 유량, 소포제 투입 등)를 조절함으로써, 열처리를 통해 수소 생성균이 우위를 점하는 상태를 유지할 수 있었으며, 이로써 멸균과정 없이 높은 생산성을 유지하는 바이오수소 생산 기술을 개발할 수 있었다.
이번 기술은 건조 해조류 1ton 당 74 m3의 연속 바이오수소 생산이 가능하다(해조류 바이오매스 중 발효 가능한 물질의 함량을 30%로 가정). 이는 목질계 바이오매스의 63 m3 보다 우수하고 재배 면적 당 생산량이 목질계 바이오매스의 3배이고, 처리 비용 또한 절반 수준임을 고려할 때 경제성도 높을 것으로 기대된다.
발효 속도가 느려 바이오에너지 원료로 활용되지 못했던 갈락토스로부터 연속 바이오수소 생산 기술을 개발함으로서 홍조류 등 미활용 바이오매스를 이용한 바이오에너지 생산 방법을 제시했다.
또한 재생에너지 관련 기술 확보 및 보급, 수소 경제 조기 산업화를 통한 청정 연료화 기술의 국산화, 개발도상국을 중심으로 한 해외시장 경쟁력 확보를 통한 해외 수출 사업화 모델 개발이 기대된다.
김상현 교수는 “이 연구는 홍조류 등 미활용 바이오매스의 주 성분인 갈락토스를 미생물의 먹이로 활용하고, 값비싼 멸균 과정 없이 연속적으로 바이오수소를 생산할 수 있는 기술을 개발했다”며 “이로써 바이오수소 생산이 연구실 수준을 넘어 상용화에 다가갈 수 있는 기반을 제공했다는데 의미가 있다”라고 연구의 의의를 설명했다.
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