원천생물자원(해양심해미생물)을
이용한 바이오수소 생산
강성균 (한국해양과학기술원 해양생명공학센터 센터장)

화석연료 과사용에 따른 에너지문제와 지구의 온난화에 대응하기 위한 2015년 12월 UN기후변화회의에서 채택된 파리협정에 따라 지속적이고 친환경적인 신재생에너지에 대한 관심이 증대되고 있다. 수소는 수소원자 2개로 이루어진 가장 가벼운 기체로서, 에너지 밀도가 높아 에너지원으로서의 가치가 매우 높고, 연료로 사용할 경우에 연소시 대기오염물질의 방출이 거의 없고, 연료전지를 이용하여 전기로 전환이 가능하고, 사용 후에는 다시 물로 재순환되는 환경 친화적 특성으로 미래 에너지로 주목 받고 있다. 특히, 최근 들어 수소연료전지자동차가 본격적으로 우리나라와 일본 등에서 출시되면서 수소에너지, 수소경제사회에 대해 더욱 관심이 모아지고 있다. 수소는 전 세계적으로 화학촉매, 암모니아 생산, 탈황 등 산업수요로 약 5,000만톤이 생산, 소비되고 있으며 국내에서도 약 190만톤이 생산 및 소비되는 것으로 파악된다. 하지만, 현재 생산되는 대부분의 수소가 화석연료 사용 중 부생되거나 천연가스를‘steam reforming’방식에 의해 생산되고 있어 장기적으로 신재생자원을 활용한 수소생산 기술개발이 요구되고 있다.

수소는 생산 방법에 따라 열, 전기 및 생물학적 방식으로 구분할 수 있으며, 생물학적 방식에 의해 생성된 수소를 바이오수소라 통칭한다. 빛이 없는 혐기적 조건에서 원료물질을 분해하여 생산하는 바이오수소생산 방식은 생산공정 개발이 용이하고, 높은 수소 생산 속도에 큰 장점이 있다.

바이오수소 생산기술은 수소생산 핵심미생물과 미생물에 적합한 프로세스 개발이 핵심요소이다. 본 기술에서는 2002년 파퓨아뉴기니 심해열수구 1,650m 깊이에서 한국해양과학기술원이 순수 국내기술로 국내 최초로 분리, 배양에 성공한 초고온 고세균 ‘Thermococcus onnurineus NA1’을 이용하고 있다. 국내에서 확보한 원천미생물 측면이외에도 알려진 미생물 중 세계 최다수인 8개의 수소화 효소를 가지고 있어서 다양한 유기물, 개미산, 일산화탄소를 이용하여 수소생산이 가능하고 단위세포 당 높은 수소생산성을 가지고 있어서 수소생산에 활용되고 있는 타 미생물에 비해 장점이 있다. 그럼에도 불구하고 80℃의 고온 및 산소가 없는 곳에서 자라는 심해미생물을 이용한 바이오수소 생산연구는 국내에서 시도되지 않은 분야로 여러 가지 기술적인 어려움을 내포하고 있었다.

<그림1. 해양심해 미생물 Thermococcus onnurinues NA1의 전자현미경사진>

2009년부터 아래 그림2의 개발목표 기술모식도를 실현하여 심해미생물이용 바이오수소 생산기술을 개발하기 위해 NA1의 수소생산 기작분석을 바탕으로 우수돌연변이를 개발하였고, 고온 혐기조건에서 바이오수소를 생산하기 위한 바이오수소생산 프로세스를 개발하였다.

<그림2. 해양극한 미생물이용 바이오수소 생산 프로세스>

특히, 경제적인 바이오수소 생산을 위해서는 지속적이고 값싼 원료물질을 확보하는 것이 중요하였다. 따라서 본 기술에서는 산업체에서 부생되거나 활용이 어려운 폐가스를 활용하여 바이오수소를 생산하는 프로세스를 개발하였고 산업부생가스/폐가스에 적합한 미생물 개발을 위해 모균주인 야생형 ‘써모코커스 온누리 누스 NA1’을 일산화탄소가 포함된 가스에 장기간 적응시켜 산업부생가스를 효율적으로 이용하는 바이오수소 생산균주 ‘156T’을 개발하였다.

<그림3. 해양극한 미생물이용 바이오수소 생산 프로세스>

이렇게 개발된 부생가스를 이용한 바이오수소 생산기술이 산업현장에 효과적으로 적용 가능한지 판단하고자 지난 2016년에 1ton 반응기 규모의 파일럿 플랜트를 당진제철소에 구축하고 산업 현장에서 제공되는 부생가스를 이용하여 바이오수소 연속생산 실증에 성공한바 있다. 이러한 성과를 바탕으로 2017년부터 ㈜경동엔지니어링의 주관 하에 원료물질 공급이 가능한 산업현장에 바이오수소생산 데모플랜트를 설치하고 시간당 500Nm3의 원료가스를 처리하여 수소를 생산하기 위한 실증이 현재까지 진행 중이며, 2019년 바이오수소 실용화기술 데모플랜트 실증을 완료할 예정이다. 데모플랜트에서는 하루 약 1ton의 수소생산을 목표로 하고 있으며 실증이 성공적으로 종료될 경우 공정설계를 바탕으로 스케일업이 용이하여 바이오수소 생산 플랜트 실용화가 충분히 가능할 것으로 예측되고 있다. 또한, 일산화탄소 배출이 많은 제철소, 가스화발전소 등 기존산업체와 연계된 상용화가 가능해 산업부생가스를 활용하여 친환경적이고 경제적인 바이오수소 대량생산이 가능할 것으로 기대되고 있다.