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‘연구성과 카드뉴스’ 제작구성

지원사업		수소에너지혁신기술개발사업
과제명		국내 미활용 바이오매스를 이용한 수익창출형 그린수소 생산 시스템 개발 (2019M3E6A1103839)
연구자		연세대학교 건설환경공학과 김상현 교수
성과	구분	SCI 학술논문 발표
	논문제목/ 저널명	Dynamic membrane bioreactor for high rate continuous biohydrogen production from algal biomass / Bioresource Technology
	임팩트 팩터	11.889
성과요약		미활용 해조류 바이오매스를 이용한 바이오수소 생산 - 해조류 바이오매스로부터 세계 최고 수준의 바이오수소 생산성을 달성함. - 유기성 폐기물로부터 고율 바이오수소 생산 가능성 확보 - 유기성 폐기물을 유래한 청정수소 생산 순환경제 실현 제고
연구를 시작한 계기나 배경은?		수소는 연소과정에서 이산화탄소, 메탄 등 온실가스를 전혀 배출시키지 않고, 전기에 비해 저장이 용이하고 전환 효율이 우수하며, 기존의 탄화수소연료보다 약 2.75배 높은 열량(122kJ/g)을 보인다는 점에서 이상적인 에너지 전달체로 평가받고 있습니다. 그러나, 현재 95% 이상의 수소는 화석연료를 이용한 수증기 개질법(부생수소 생산) 및 액화천연가스 정제과정에서 얻는 방법(추출수소 생산)에 의해서 생산되고 있으며, 이는 화석연료에 기반한 수소, 소위 그레이 수소의 사용을 확대하는 것은 기후변화를 가속화할 수 있습니다. 화석연료 중 이산화탄소를 가장 적게 배출하는 메탄을 사용하더라도 1k의 수소를 생산하는 데 9.3kg의 이산화탄소가 배출됩니다. 따라서, 탄소중립 관점에서는 그레이 수소 대비 이산화탄소 발생량이 일정 기준 이하인 청정 수소, 소위 그린수소 생산 및 보급하는 것이 필요합니다. 2012년 음식물쓰레기, 하수슬러지, 축산분뇨 등 유기성 폐기물의 “해양투기 금지” 법안이 발의되면서 환경오염 방지, 에너지 회수, 온실 가스 저감을 동시에 구현하는 C2C(Cradle to Cradle) 개념의 핵심에 위치하여 전 세계적으로 유기성 폐기물 자원화에 대한 연구 개발과 현장 적용이 급속도로 증가하는 추세입니다. 유기성 폐기물에는 미생물의 이화/동화에 필요한 탄소원이 함유되어 있습니다. 현재는 환경기초시설의 혐기성 소화 시설을 통해 메탄이 다량 함유된 바이오가스 생산 시스템이 구축되어 있습니다. 한편, 이러한 유기성 폐기물은 바이오수소 생산을 위한 기질로 충분히 활용할 수 있으며, 탄소중립 관점에서 이산화탄소 발생량이 일정 기준 이하인 청정수소 소위 그린수소 생산 기술이 장기적 측면에서 필요합니다.
기존 지식/기술과 어떻게 차별화되나? (성과의 차별성)		1 선진연구 추격		2 선진연구와 경쟁			3 세계최초 구현
		기존의 바이오 수소 생산 기술인 바이오가스 개질의 경우 유기성 폐자원의 생화학적 분해를 통해 메탄가스를 회수, 개질하는 방법으로서 유기성 폐자원의 감량화가 가능하다는 친환경적인 장점이 있으나, 바이오수소의 생산성이 5 m3 H2/m3-d로 낮으며, 흡열반응인 개질의 특성으로 인해 단일 공정만으로는 경제성이 낮다는 단점이 있습니다. 반면, 현재 연구개발중인 혐기성 수소 발효는 빛 에너지를 요구하지 않는 조건에서 바이오수소의 생산성이 60 m3 H2/m3-d로 매우 빠르며, 발효 여액은 젖산, 초산, 부티르산 등 생분해도가 높아진 형태로 다시 후단 바이오가스 생산의 기질로 사용할 수 있어 유기성 폐기물로부터 최대량의 수소 에너지를 추출할 수 있는 장점이 있습니다. 다만, 사업화를 위해 경제성 있는 큰 규모에서 장기 운전을 보장할 수 있는 기술 완성도를 확보할 필요가 있어, 현재 저는 혐기성 수소생산에 대한 상용화 연구에 집중하고 있습니다.
이번 성과는 어떤 점에서 혁신적인지? (성과의 혁신성)		1 기존의 방법으로 현안 도출, 해결방안 제시	2 기존 지식을 개선하는 발견/발명		3 알려진 방법으로 기존 지식을 근본적으로 개선	4 새로운 원리에 기반한 차세대 지식의 발견/발명		5 완전히 새로운 발견/발명
		본 연구는 해조류 바이오매스로부터 세계 최고 수준의 연속 바이오수소 생산성을 달성하여 우수성을 인정받고 있습니다. 특히, 본 연구는 상용화 수준의 바이오가스 및 바이오에탄올보다 높은 에너지 생산량을 보여 유기성 폐기물 유래 청정 수소생산의 새로운 패러다임을 제시합니다. 본 연구는 고율 바이오수소 생산 공정 설계 및 운영 정보와 더불어, 유기성 폐기물 자원화 방안 및 그린수소 생산 대안을 제공합니다.
이번 성과의 혜택이나 활용의 수준 (성과의 혜택 및 기대 파급효과)		1 기존에 제공가능한 혜택을 다른 방식으로 제공가능	2 기존에 제공 가능한 혜택보다 향상된 혜택을 제공		3 기존에 제공하지 못한 혜택을 제공	4 수요자의 이목을 끌만한 차별적인 혜택의 향상		5 새로운 지평을 개척할 수 있는 발명/발견
		본 연구는 국내 환경기초시설의 혐기성 소화조 전단에 설치하여 유기성 폐자원 유래 직접 수소 발효, 고율 바이오가스 생산 및 개질을 통해 분산형 그린수소 생산 시스템을 구축할 수 있을 것으로 사료됩니다. 본 분산형 그린수소 생산 시스템을 구축하게 된다면, 유기성 폐기물을 유래한 순환경제 실현을 통해 정부가 추진하는 ‘수소경제활성화 로드맵 2019‘ 중 그린수소생산 및 공급과 ‘2050 탄소중립’ 달성에 상당한 기여를 할 것이라 기대됩니다.
이번 성과가 후속 단계로 발전하기 위해 필요한 과제는? (후속연구 가능성)		본 연구는 해조류 바이오매스로부터 세계 최고 수준의 연속 바이오수소 생산성을 달성하였습니다. 그러나, 동일 공정 및 조건에서 합성기질 (galactose 및 glucose) 대비 낮은 바이오수소 생산성을 보였습니다. 이는 미생물의 대사과정에서 수소 소모 경로에 의한 것으로 확인하였습니다. 후속 연구에서는 대표적인 수소생산균이 우세한 조건이 될 수 있도록 순수 수소생성균을 활용하는 기술을 적용하거나, 본 연구에서 관찰된 미생물의 유전자를 재조합하여 수소 소모 경로를 차단하는 연구를 수행할 것으로 사료됩니다. 또한, 국내 환경기초시설의 혐기성 소화조와 연계하여 유기성 폐기물 유래 순환경제 실현을 위한 후속 연구를 수행을 기대합니다.
연구과정에서 어려웠던 점은 무엇이며 어떻게 극복하였는지?		본 연구는 109일간 자석교반기(magnetic stirrer)를 활용하여 혐기성 수소발효 공정이 가동되었으며, 가동 중 자석교반기에 의해 반응조가 손상되어 바이오수소 생산성이 크게 감소하는 사고가 발생했습니다. 산소와 접촉된 수소생성균들의 저해를 방지하기 위해 90oC에서 30분간 포자형성을 유도한 후 재가동하였는데, 상당한 회복성과 이전과 유사한 수소생산 성능을 보여주었습니다. 예상치 못한 사고와 이를 대처하는 과정에서 불안한 마음으로 실험에 임했지만, 혐기성 수소발효의 안정성과 회복성을 입증한 결과를 보여주었습니다.

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‘연구내용 설명’작성 양식

□ 연구 배경

신기후체제에 대응하기 위해 글로벌 탄소중립을 달성하고 청정에너지를 생산하려는 추세가 지속적으로 증가하고 있다. 전 세계 주요국들은 탄소중립 녹색성장을 추구하고 국가 에너지 안보를 강화하고자 기존의 정책 및 연구 기조를 변화시키는 데 적극적으로 투자하고 있다. 특히 수소는 탄소중립 녹색성장 및 국가 에너지 안보의 핵심 에너지 전달체로 거론되고 있다.

수소(H2)는 연소과정에서 온실가스를 전혀 배출시키지 않고, 전기에 비해 저장이 용이하고 전환 효율이 우수하며, 기존의 탄화수소연료보다 약 2.75배 높은 열량(122 kJ/g)을 보인다는 점에서 이상적인 에너지 전달체로 평가받고 있다. 수소를 생산하는 기술은 크게 빛 이외의 다른 에너지원의 사용하는지에 따라 물리·화학적인 방법과 생물학적인 방법으로 나뉜다.

특히, 혐기성 수소발효 기술은 음식물쓰레기, 농업부산물, 해조류 등 다양한 유기성 폐기물에 폭넓게 적용할 수 있으며, 하수 찌꺼기(슬러지) 속의 균을 수소를 생산하는 데 활용한다는 측면에서 유기성 폐기물 자원화의 핵심기술로 자리 잡고 있다. 혐기성 수소발효는 동일한 유입 기질을 사용하는 바이오가스화에 비해 수소생산성이 월등히 높으며, 혐기성 수소발효의 여액은 유기산처럼 생분해도가 높아진 형태로 다시 후단 바이오가스 생산의 기질로 사용할 수 있어 유기성 폐기물로부터 최대량의 에너지를 생산할 수 있는 장점이 있다.

□ 미활용 바이오매스를 이용한 바이오수소 생산의 필요성

대부분의 바이오매스는 별도의 에너지 공급 없이 태양에너지만을 이용하여 쉽게 생산되며, 식량과의 경쟁, 토지ㆍ농업용수 사용으로부터 자유롭다. 우리나라는 3면이 바다로 둘러싸여 있으며, 난류와 한류가 교차해 해조류의 종류가 다양 (홍조류 355여종, 갈조류 130여종, 녹조류 80여종, 남조류 50여종)하며, 국내 해조류 생산량은 2021년 기준 연간 약 200만톤으로 보고된다. 해조류는 채취 과정에서 생산량의 40% 정도가 제품 규격에 미달되어 폐기되고, 가공 과정에서 5% 안팎의 부산물이 발생하는 것으로 보고된다. 최근, 기후변화로 인해 ‘중국발 괭생이 모자반’과 같은 미활용 해조류 발생량이 크게 증가하고 있으며, 양식장 및 해양 환경에 막대한 피해를 끼치는 사례가 빈번하게 발생된다. 그러나, 수거 및 처리 방안 등 법률이 마련되어 있지 않아 해변이나 연안에 방치하거나 소각 및 직매립을 통해 처리되고 있어 대기, 토용, 수질, 지하수 오염에 막대한 피해를 야기하여 해조류에 대한 효과적인 처리 방안이 시급하게 필요하다.

□ 연구내용

본 연구는 유효 부피 2 L를 가지는 동적 막 공정 (dynamic membrane bioreactor, DMBR)을 연속식 바이오수소 생산 공정으로 활용하였으며, 90oC에서 30분간 열처리된 혐기성 소화슬러지를 식종균(inoculum)으로 이용하였다. 해조류 바이오매스로는 Eucheuma spinosum을 사용하였으며, 묽은 산 가수분해(dilute-acid hydrolysis)를 통해 전처리한 후 활성탄을 사용하여 5-hydroxymethylfurfural(HMF)의 농도를 0.5 g/L 이하로 낮추었으며, 3000rpm에서 10분간 원심분리한 상등액을 pH 8.2로 조절하여 기질로 이용하였다. 조제된 기질(galactose 57 g/L, glcuose 3 g/L)은 유입 농도 20 g/L로 희석하여 DMBR 공정에 연속 주입되었으며, 수리학적 체류시간(HRT)은 12, 6 4.5, 3 h로 순차적으로 감소시켰다. HRT에 따라 수소 생산성(hydrogen production rate, HPR) 및 수소 수율 (hydrogen yield, HY)을 109일간 평가하였다.

최대 평균 HPR은 21.58±1.59 L/L-d로 period V, HRT 3 h에서 관찰되었으며, 바이오매스를 공급원료로 하는 연속식 바이오수소 생산 공정에서 세계 최고 수준의 연속 바이오수소 생산성을 달성했다. 이를 에너지 생산성으로 환산 시 140 kJ/L-d에 해당하며, 이는 이미 상용화된 바이오가스 생산 기술(56 kJ/L-d)보다 높은 에너지 생산성을 보여준다. 그러나, 동일 공정 및 조건에서 합성기질 (galactose 및 glucose) 대비 낮은 바이오수소 생산성을 보였다. Metabolic flux 분석 결과 butyric acid 및 propionic acid가 바이오수소 생산 공정에서 가장 기배적인 부산물로 관찰되었다. 혐기성 수소발효 시 미생물의 대사과정에서 butyric acid 및 acetic acid 생산 경로부터 2 mol 및 4 mol의 수소가 생산될 수 있으며, propionic acid 생산 경로로부터 1 mol의 수소가 소모된다. 일반적으로, propionic acid 생산에 관여하는 대부분의 미생물은 spore-form이 불가능한 균으로 알려져있어, 열처리를 통해 수소 소모 경로를 방지할 수 있다. 그러나, 본 연구에서 열처리를 수행하였음에도 불구하고, 수소 소모 경로를 차단할 수 없었다. 미생물 군집 분석 결과 Clostridium sp., Anaerotipes sp. 및 Caproiciproducens sp.가 수소 생산 경로(ferredoxin hydrogenase)와 수소 소모 경로(propionate CoA-transferase)에 크게 기여한 것으로 나타났다. 본 연구팀은 DMBR을 활용하여 미활용 바이오매스로부터 고율 연속 바이오수소 생산의 가능성을 확인하였다.

* 동적 막 : 미생물 대사과정에서 생성하는 생물막 (biofilm)

* 혐기성 소화 : 무산소 상태에서 미생물에 의한 생분해성 유기물이 분해되는 과정

* 식종균 : 배양을 시작하기 위하여 첨가되는 접종원

* 바이오매스 : 생물학적 대사가 가능하거나, 가능했던 생물유기체 (곡물, 식물, 폐목재, 해조류, 가축분뇨, 음식물 쓰레기 등)

* 묽은 산 가수분해 : 물리•화학적 반응을 이용해 난분해성 물질(셀룰로오스, 헤미셀룰로오스)으로부터 생분해성 물질(육탄당 및 오탄당)로 전환하는 반응

* 5-hydroxymethylturtural(HMF) : 가수분해 시 과당에서 전환된 미생물 독성 물질

* Metabolic flux : 미생물에 의한 물질대사

* spore-form bacteria : 열악한 환경에서 포자를 형성하는 균

□ 기대효과

현재 95% 이상의 수소는 화석연료를 이용한 수증기 개질법(부생수소 생산) 및 액화천연가스 정제과정에서 얻는 방법(추출수소 생산)에 의해서 생산되고 있다. 문제는 화석연료에 기반한 수소, 소위 그레이 수소(grey H2)의 사용을 확대하는 것은 기후변화를 가속화할 수 있다는 점이다. 화석연료 중 이산화탄소(CO2)를 가장 적게 배출하는 메탄을 사용하더라도 1 kg의 수소를 생산하는 데 9.3 kg의 이산화탄소가 배출되기 때문이다(1 kg의 수소와 동일한 에너지량의 가솔린이 연소할 때 이산화탄소 9.1 kg이 발생한다).

탄소중립 관점에서는 그레이 수소에 대비해 이산화탄소 발생량이 일정 기준 이하(EU 4.37 kg CO2/kg H2, 일본 4.48 kg CO2/kg H2)인 청정 수소가 필요하다. 청정 수소 중에서 사용하는 에너지원이 재생 가능한 것을 재생 가능 수소(renewable H2), 소위 그린 수소(green H2)라고 하고, 에너지원이 재생 가능하지 않은 것을 저탄소 수소(low-carbon H2), 소위 블루 수소(blue H2)라고 한다.

EU를 비롯한 많은 국가에서 수소에 대한 지원은 청정 수소에 한정될 것이고, 청정 수소를 규정하는 탄소 발생량 기준 역시 지속적으로 강화될 것으로 예상된다. 우리나라도 2050년까지 국내에서 생산된 청정 수소를 연간 500만 톤(그린 수소 300만 톤, 블루 수소 200만 톤) 공급하겠다는 「제1차 수소경제 이행 기본계획 2021」을 발표했다.

전 세계적으로 청정 수소를 생산하기 위해 다양한 기술들이 활발히 개발되고 있다. 이 중 혐기성 수소발효 기술은 1 kg의 수소를 생산할 때 2 kg 이하의 이산화탄소를 발생시키며 재생 가능한 에너지만 사용하므로, 현재는 물론 향후 강화될 그린 수소의 요건을 충족한다. 청정 수소는 전 세계적으로 미래 수요가 예상되고 있으며, 한편으로 연구개발에 있어 지속적인 투자가 필요한 분야이다. 정부와 산업체의 지원을 통해 잘 준비되고 훈련된 다양한 분야의 국내 과학자들이 신규 시장인 청정 수소생산 및 활용에 있어 세계 최고의 기술과 기업을 만들어 낼 미래를 기대한다.