폐수 처리하면서 전기도 만드는 미생물연료전지

미생물연료전지는 오·폐수 내에 존재하는 유기물의 화학에너지를 미생물의 촉매작용을 활용해 전기에너지로 직접 전환하는 생물전기화학 장치입니다.

미생물연료전지로 하·폐수 또는 폐기물을 처리한다면 쓸모없는 유기물 오염물질들을 전기에너지로 생산할 수 있는 지속가능한 원료로 활용할 수 있어 하·폐수 처리를 위한 비용 절감과 전기에너지 생산에 따른 경제적 이득이라는 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 있습니다.

최근 지구온난화, 일본 원전 사태 등을 겪으며 미생물연료전지에 대한 관심은 더욱 높아졌고, 우리나라 역시 이 기술이 한국과학기술기획평가원의 '2012 미래 유망 10대 신기술'에 선정되는 등 높은 관심을 받고 있습니다.

그러나 이 기술의 상용화를 위해서는 폐수 처리 공정의 현장적용성 등 난제를 해결해야 합니다.

■ 광주과기원(GIST) 장인섭 교수와 김대희 박사(제1저자)가 폐수를 처리하면서 동시에 전력도 생산할 수 있는 미생물연료전지 기술의 상용화 길을 열었습니다.

장인섭 교수팀은 지금까지 실험실 규모로 이루어진 연구를 실제 현장에서 적용할 수 있도록 미생물연료전지의 묘듈시스템과 직렬로 연결하여 실제 폐수처리공정에서 적용할 수 있도록 전력을 크게 향상시켰습니다.

장 교수팀은 기존의 연구팀이 보유하고 있는 기술(미생물을 이용해 합성가스를 전기에너지로 전환하는 기술-2007년)들을 바탕으로, 시스템의 구조적인 측면에서 접근해 모듈시스템과 직렬로 연결하는 방법을 도입했습니다.

이를 통해 폐수처리공정 현장에 적용할 수 있는 미생물연료전지 시스템을 개발하는 데 성공했습니다.

이번 연구결과는 '앙게반테 케미'의 자매지인 '켐서스켐(ChemSusChem)'지 5월 8일자에 게재되었습니다.
(논문명 : Scaling-Up Microbial Fuel Cells: Configuration and Potential Drop Phenomenon at Series Connection of Unit Cells in Shared Anolyte)

관련 기술은 우리나라와 미국 등에 특허를 출원한 상태입니다.

<연 구 개 요> 미생물연료전지는 유기·무기물질을 흡수하고 분해해서 살아가는 미생물 중 세포 내에서 기질을 산화시켜 생성되는 전자를 전극으로 전달시킬 수 있는 미생물을 촉매로 사용하여 오·폐수 내에 존재하는 유기물의 화학에너지를 전기에너지로 전환하는 시스템을 말한다. 미생물연료전지 시스템은 현재까지 실험실 규모로 연구되어 많은 발전을 이루었고, 이는 실제로 폐수처리를 함과 동시에 전력을 생산하는 수준에 이르렀다. 하지만 본 기술을 실제 현장에 적용하기 위한 연구는 부진한 실정이며, 그 이유는 실험실 규모의 연구를 실제현장에 적용했을 시에 발생하는 상당량의 성능저하 때문이다. Scale-up을 위한 미생물연료전지 묘듈시스템 (출처: ChemSusChem, DOI: 10.1002/cssc.201100678) 본 연구에서는 이를 극복하기 위한 방안으로 그림과 같이 단위셀의 모듈화를 통해 크기를 증가시키고 이를 직렬연결 함으로써 생산 전력의 향상을 도모하였다. 본 연구에서 제시하는 시스템은 미생물연료전지의 현장적용성을 상당부분 끌어올린 것으로, 미생물연료전지의 상용화에 있어 이바지하는 바가 크다고 할 수 있다.

 

 용  어  설  명

미생물연료전지 (Microbial fuel cell)
유기물 내에 존재하는 화학에너지를 미생물을 촉매로 사용하여 전기에너지로 전환하는 시스템을 말한다.

모듈시스템 (modulation)
구조적인 표현으로 각각의 단위 셀을 쌓아 하나의 셀 형태로 운전하는 시스템을 말한다.

Scale-up 
공학적 기술용어로 실험실 단계 및 파일럿 플랜트 규모에서의 실험 데이터를 바탕으로 공정의 규모를 크게 하는 것을 말한다.

 

<장인섭 교수>  1. 인적사항  ○ 소 속 : 광주과학기술원 환경공학부 부교수 ○ 전 화 : 062-715-3278 ○ e-mail : ischang@gist.ac.kr 2. 학력 ○ 1990 : 고려대학교 식품공학과 졸업 (학사) ○ 1992 : 고려대학교 식품공학과 졸업 (석사) ○ 2000 : University of Wales Swansea, Department of Chemical and Biological Process Engineering (박사)   3. 경력사항 ○ 2001 ~ 2002 : University of Oklahoma, Department of Botany and Microbiology (Post-Doc Associate) ○ 1992 ~ 2005 : 한국과학기술연구원 수질환경 및 복원연구센터 (연구원, 선임연구원) ○ 2005 ~ 현재 : 광주과학기술원 환경공학과 조교수, 부교수 재직 4. 기타 ○ 2003 : 특허기술상 (충무공상) ○ 2008 : 교과부?연구재단 중견연구자지원(도약연구, 국가지정연구실) 선정

<김대희 박사>  1. 학력 ○ 2005 : 연세대학교 환경공학과 졸업 (학사) ○ 2006 : 광주과학기술원 환경공학과 졸업 (석사) ○ 2011 : 광주과학기술원 환경공학과 졸업 (박사)   2 기타 ○ 2005 ~ 2010 : 교육과학기술부 장학금 수여 ○ 2007 : 우수연구 보도자료 선정, 107회 미국미생물학회 총회 ○ 2007 : 다산장학금 수여, 광주과학기술원