폐수에서 에너지원을 발견하다
[인터뷰] 전병훈 연세대 환경공학과 교수
차세대 에너지원으로 거론되는 바이오 에너지 생산을 위한 연료원이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
 |
| ▲ 전병훈 연세대 환경공학과 교수 ⓒ한국연구재단 |
연세대 환경공학과 전병훈 교수 연구팀은 초음파를 이용해 폐수처리장 유출수에서 배양한 미세조류로부터 알코올 발효원으로 사용할 수 있는 글루코오스 성분을 추출하는 데 성공했다.
추출한 미세조류는 사탕수수나 전분과 같이 차세대 바이오 에탄올 같은 바이오 에너지 생산을 위한 연료원으로 활용할 수 있을 것이라는 평을 받고 있다.
미세조류는 제 3세대 에너지원으로 불릴 정도로 추후 유용한 미래 에너지원으로 주목받고 있다. 다량의 탄수화물 성분과 지질, 단백질을 함유하고 있기 때문에 풍부한 에너지원으로 활용될 수 있을 것이라는 기대 때문이다.
미세조류, 3세대 에너지원
“탄수화물은 흔히 ‘당(糖)’이라고 합니다. 지금까지는 탄수화물의 대부분을 사탕수수에서 추출해 왔습니다. 하지만 사탕수수는 오랫동안 식료원으로 사용돼 왔기 때문에 식량 윤리 문제에 부딪혀 더 이상 에너지 사업에 원활하게 사용할 수 없어요.
식량자원으로 사용되지 않는 미세조류는 당 성분을 많이 지니고 있는 가장 적합한 천연 에너지자원이라고 할 수 있죠. 다행스럽게도 조류는 적조나 녹조현상을 일으키는 환경파괴범으로 전 세계인들의 눈살을 찌푸리게 하기 때문에 이를 이용하는 것은 일석이조의 장점을 갖고 있다고 볼 수 있습니다.”
미세조류를 확보하기 위해 연구팀이 눈을 돌린 곳은 폐수처리장 유출수였다. 미세조류는 강이나 호수, 폐수에서 주로 서식하기 때문이다. 또한 이들의 서식장소가 주로 폐수인 만큼 사탕수수와 콩 같은 육상식물보다 확보가 손쉬워 경제성도 갖추고 있는 셈이었다.
전 교수는 “3세대 바이오매스인 미세조류에서 추출된 탄수화물은 산소가 차단된 혐기발효에 이용돼 수소나 에탄올 같은 바이오 에너지를 생산할 수 있다”고 말했다.
이러한 이유로 세계 각국의 연구원들은 바이오매스로 활용 가능한 미세조류를 발굴하기 위해 연구를 진행하고 있다. 이들 연구는 미세조류로부터 탄수화물 구성성분을 얻어내고 이를 박테리아를 이용한 발효공정의 원료로 활용하는 데 초점을 맞췄다.
그러나 기존의 화학물질을 이용한 탄수화물 추출 방법은 화학물질로 인해 탄수화물 성분변화가 발생할 수 있고 혐기발효 과정에서 박테리아에 영향을 미칠 수 있다는 한계가 있다.
“미세조류는 우리 주변에 널려 있습니다. 다만 조류를 자연으로부터 하나하나 분리해내는 데 많은 시간과 고도의 집중력이 요구되죠. 한 종씩 분리하는 이유는 각 조류 종마다 지니고 있는 성분이 다르기 때문입니다. 이 부분을 밝혀내는 것이 현 시점에서는 가장 중요해요. 때문에 우리 연구팀에서도 미세조류를 발굴하기 위해 분리를 시도했고 약 1년의 기간을 보냈습니다.”
연구진은 폐수처리장 유출수에서 배양한 미세조류 세포를 초음파로 파쇄해 탄수화물을 회수, 그 가운데 약 60%의 글루코오스 성분을 확보할 수 있었다. 하지만 이는 사탕수수와 전분에서 회수된 탄수화물의 에너지 회수율인 85%보다 조금 낮은 수준이었다.
이에 따라 연구팀은 회수율을 높이기 위해 초음파로 세포벽을 파괴할 때 생성되는 가장 강력한 산화제인 ‘히드록실 라디칼’이 수용액 내 유기탄소의 용해도를 높이게 했다.
“우리 연구팀이 시도한 초음파 기술은 일반인에게 친숙한 기술입니다. 안경점에서 안경을 세척할 때 쓰는 기기니까요. 그러나 이처럼 일반적이고 단순한 물리적 기술이 미생물에게 주는 영향을 생각해 보신다면 혁신적인 기술이 아닐까 생각합니다.
여러 선행 연구팀들은 미세조류를 파쇄하고자 화학적 처리방법인 산처리를 주로 사용했는데, 조류가 갖고 있는 세포벽을 완전히 파쇄 할 수는 있었지만 파쇄 후 추출된 성분을 사용하기 위해서는 별도의 처리가 요구됐지요. 물론 생물학적으로 좋지 않습니다. 그러나 우리 연구팀이 사용한 초음파 파쇄는 미세한 크기의 방울들이 조류 세포벽을 파쇄하며 추출된 성분을 바로 사용할 수 있다는 강점이 있었습니다.”
추출한 미세조류는 사탕수수나 전분과 같이 차세대 바이오 에탄올 같은 바이오 에너지 생산을 위한 연료원으로 활용할 수 있을 것이라는 평을 받고 있다.
미세조류는 제 3세대 에너지원으로 불릴 정도로 추후 유용한 미래 에너지원으로 주목받고 있다. 다량의 탄수화물 성분과 지질, 단백질을 함유하고 있기 때문에 풍부한 에너지원으로 활용될 수 있을 것이라는 기대 때문이다.
미세조류, 3세대 에너지원
“탄수화물은 흔히 ‘당(糖)’이라고 합니다. 지금까지는 탄수화물의 대부분을 사탕수수에서 추출해 왔습니다. 하지만 사탕수수는 오랫동안 식료원으로 사용돼 왔기 때문에 식량 윤리 문제에 부딪혀 더 이상 에너지 사업에 원활하게 사용할 수 없어요.
식량자원으로 사용되지 않는 미세조류는 당 성분을 많이 지니고 있는 가장 적합한 천연 에너지자원이라고 할 수 있죠. 다행스럽게도 조류는 적조나 녹조현상을 일으키는 환경파괴범으로 전 세계인들의 눈살을 찌푸리게 하기 때문에 이를 이용하는 것은 일석이조의 장점을 갖고 있다고 볼 수 있습니다.”
미세조류를 확보하기 위해 연구팀이 눈을 돌린 곳은 폐수처리장 유출수였다. 미세조류는 강이나 호수, 폐수에서 주로 서식하기 때문이다. 또한 이들의 서식장소가 주로 폐수인 만큼 사탕수수와 콩 같은 육상식물보다 확보가 손쉬워 경제성도 갖추고 있는 셈이었다.
전 교수는 “3세대 바이오매스인 미세조류에서 추출된 탄수화물은 산소가 차단된 혐기발효에 이용돼 수소나 에탄올 같은 바이오 에너지를 생산할 수 있다”고 말했다.
이러한 이유로 세계 각국의 연구원들은 바이오매스로 활용 가능한 미세조류를 발굴하기 위해 연구를 진행하고 있다. 이들 연구는 미세조류로부터 탄수화물 구성성분을 얻어내고 이를 박테리아를 이용한 발효공정의 원료로 활용하는 데 초점을 맞췄다.
그러나 기존의 화학물질을 이용한 탄수화물 추출 방법은 화학물질로 인해 탄수화물 성분변화가 발생할 수 있고 혐기발효 과정에서 박테리아에 영향을 미칠 수 있다는 한계가 있다.
“미세조류는 우리 주변에 널려 있습니다. 다만 조류를 자연으로부터 하나하나 분리해내는 데 많은 시간과 고도의 집중력이 요구되죠. 한 종씩 분리하는 이유는 각 조류 종마다 지니고 있는 성분이 다르기 때문입니다. 이 부분을 밝혀내는 것이 현 시점에서는 가장 중요해요. 때문에 우리 연구팀에서도 미세조류를 발굴하기 위해 분리를 시도했고 약 1년의 기간을 보냈습니다.”
연구진은 폐수처리장 유출수에서 배양한 미세조류 세포를 초음파로 파쇄해 탄수화물을 회수, 그 가운데 약 60%의 글루코오스 성분을 확보할 수 있었다. 하지만 이는 사탕수수와 전분에서 회수된 탄수화물의 에너지 회수율인 85%보다 조금 낮은 수준이었다.
이에 따라 연구팀은 회수율을 높이기 위해 초음파로 세포벽을 파괴할 때 생성되는 가장 강력한 산화제인 ‘히드록실 라디칼’이 수용액 내 유기탄소의 용해도를 높이게 했다.
“우리 연구팀이 시도한 초음파 기술은 일반인에게 친숙한 기술입니다. 안경점에서 안경을 세척할 때 쓰는 기기니까요. 그러나 이처럼 일반적이고 단순한 물리적 기술이 미생물에게 주는 영향을 생각해 보신다면 혁신적인 기술이 아닐까 생각합니다.
여러 선행 연구팀들은 미세조류를 파쇄하고자 화학적 처리방법인 산처리를 주로 사용했는데, 조류가 갖고 있는 세포벽을 완전히 파쇄 할 수는 있었지만 파쇄 후 추출된 성분을 사용하기 위해서는 별도의 처리가 요구됐지요. 물론 생물학적으로 좋지 않습니다. 그러나 우리 연구팀이 사용한 초음파 파쇄는 미세한 크기의 방울들이 조류 세포벽을 파쇄하며 추출된 성분을 바로 사용할 수 있다는 강점이 있었습니다.”
 |
| ▲ 전처리 전·후 미세조류에 대한 혐기성 박테리아의 거동 모습 ⓒ한국연구재단 |
연구과정, 힘들지만 소소한 기쁨 있어
이번 연구는 바이오 에탄올 생산에 사용될 당 성분의 특성을 중점적으로 검토한 사례다. 초음파 기기를 사용할 경우 ‘OH라디칼’이란 물질이 생성되는데, 해당 물질은 강한 산화력을 가지고 있어 조류가 파쇄 되면서 용출된 물질 즉 당 성분들의 용해도를 높일 수 있다. 당 성분이 물속에 많이 녹아 있다는 셈이다.
“당 성분이 물속에 용존 됐다는 것은 혐기성 미생물들이 조류에서 용출된 영양분을 쉽게 섭취할 수 있는 것을 의미합니다. 일례로 우리 연구팀은 용출된 물질의 입자 사이 반발력을 나타내는 제타전위와 친수성에 대한 검토도 진행했습니다.
그 결과 초음파 진행시 제타전위는 안정화 범위를 보였고 친수화가 높아졌음을 밝혀냈죠. 이번 연구는 미세조류에서 추출된 당성분은 수용상에서 안정하고 혐기 발효에 바로 주입해도 무방하다는 결과를 나타냅니다.”
이러한 전 교수팀의 연구는 그 성과를 인정받아 에너지 분야 학술지인 ‘바이오연료를 위한 생명기술(Biotechnology for Biofuels)’에 게재되기도 했다. 오존파괴의 주원인인 이산화탄소 제거방법을 고민하던 2009년에 이번 연구를 시작한 전 교수는 연구과정을 회고하며 “힘들었지만 소소한 기쁨이 있던 시기”라고 이야기했다.
“연구 진행 과정을 되돌아보면 조류를 대량 생산 했던 과정이 가장 기억에 남아요. 에너지화 하려면 다량의 조류 바이오매스가 필요하기 때문이죠. 저를 비롯한 우리 연구팀은 이 부분을 해결하기 위해 조도개선, 영양염류 교체 등 다양한 시도를 했습니다.
한 번은 우리 학생이 조류를 빨리 배양하기 위해 온도를 높인다고 가열기를 틀어 조류를 삶아버린 적도 있었죠.(웃음) 돌이켜보면 소소하고 재미있는 일들이 많았어요.”
앞으로 미세조류에서 더 많은 양의 에너지 원료를 찾기 위해 끊임없는 도전을 할 것이라는 전병훈 교수. 그는 앞으로 더욱 넓은 시야를 갖고 많은 부분에 도전하겠다며 포부를 전했다.
 저작권자 2013.04.26 ⓒ ScienceTimes |
댓글 없음:
댓글 쓰기