미생물의 대사작용 결과, 미생물연료전지(Microbial fuel cell, MFC)

• 미생물연료전지는 미생물의 촉매반응을 통해 오수나 폐수 등에 포함된 유기물의 화학적 에너지를 전기에너지로 전환시키는 장치
  • 환경기술(ET), 정보기술(IT), 바이오기술(BT)이 만난 융·복합 장치
  • 미생물이 유기물을 분해하는 과정에서 전자(e^-)와 수소이온(H⁺)이 산화전극부(음극)에서 환원전극부(양극)로 넘어가고 환원전극부에 공급되는 산소(O₂)와 만나 물(H₂O)과 전기가 생산되는 원리
    • 화학연료전지는 백금, 루테늄과 같은 금속 촉매를 이용하지만 미생물연료전지는 미생물을 촉매로 사용

      화학연료전지는 원료로 유기성 폐수가 아닌 수소나 메탄올과 같은 순수 화학 물질을 이용하므로 다양한 오염물질을 포함한 폐수를 처리하기 어려움

    • 미생물연료전지는 유기성 폐수를 이용하기 때문에 폐수 내 오염 물질 제거 가능
  • 미생물연료전지의 구성은 멤브레인과 같은 분리막을 사이로 산화 전극부와 환원전극부로 구분되어 짐
    • 유기성 폐수가 공급되는 곳에 전기생산 미생물이 존재(산화 전극부)하며, 반대편(환원전극부)에 산소를 공급
    • 산화전극과 환원전극 사이에 외부저항을 달아 전류를 흐르게 함

  자세히 알아보는 미생물의 전자전달과정

  미생물연료전지에 촉매로 사용되는 미생물인 금속환원균 (Shewanella, Geobacter)의 전자전달 과정

  • 1) 전자 셔틀의 산화·환원을 통한 전달
  • 2) 전자 전달매개체 확산을 통한 전달
  • 3) 미생물 필리(pili)에 의한 전자 전달
  • 4) 미생물 체내·외부막의 시토크롬(cytochrome) 및 세포 밖 고분자 물질에 의한 전자전달

왜 미생물연료전지인가?

• 미래를 주도할 유망 신기술 선정으로 본 미생물연료전지의 가치평가
  • 영국의 유명 물 전문 연구기관인 Global Water Intelligence(GWI)에서 ‘물 시장을 주도할 10대 기술’로 선정(‘09)되었으며, 신에너지 기술 분야로 관심을 받고 있는 기술
  • 미국 TIME, ‘최고의 발명품 BEST 20’에 선정(‘09)되었으며, 우리나라에도 한국과학기술기획평가원에서 매년 발표되는 ‘미래 유망 10대 신기술’에 선정(‘12)
• 유기오염 물질 처리와 동시에 전기 생산이 가능한 지속 가능한 친환경 미래 기술
  • 유기물을 포함하는 다양한 하·폐수와 화학물질(페놀, 당류, 유기산 등)을 포함하는 폐수로부터 전기 생산 가능(‘10 팬트 등)
  • 분해된 유기물질은 전기 전환 및 안정적인 에너지 생산도 가능
    • 단일반응기로 최대 1.28V의 전압 생산시켜 산소를 이용한 반응기 (1.14V) 보다 높은 전압 생산(‘04 라바이에 등)
    • 1m³ 규모의 반응기로 환산시 세계 최대 수준인 2.15kW의 전력 생산(‘08 네빈 등)
• 미생물연료전지의 멀티수행능력
  • 환경 모니터링이 가능한 센서로 개발
    • 실시간 하천 및 폐수의 유기오염물질 농도를 측정하는 BOD(생화학적 산소요구량, biochemical oxygen demand) 센서 개발
    • 먹는 물을 포함하여 독성물질의 실시간 유입을 모니터링할 수 있는 센서로 개발 시판 중

      의료분야에서는 혈관 내부에 삽입할 수 있는 단백질 연료전지를 이용하여 혈관내 당 농도를 측정할 수 있는 센서 개발 가능성을 제시함

  • 아프리카 오지의 어린이에게 깜깜한 저녁에 책을 읽을 수 있도록 도움을 주는 램프로 사용
    • 전기 생산을 위한 인프라가 부족한 저개발국가의 가정에서 배출하는 하수나 가축분뇨를 이용하여 LED등을 밝힘
  • 미생물연료전지로 설탕을 분해해 배터리 충전
    • 미국 사우스플로리다대 스튜어트 윌킨슨 박사가 발명한 ‘가스 트로봇’은 각설탕을 먹고 움직이는 세계 최초 로봇임

      공식이름이 가스트로놈(미식가)이고, 애칭은 츄츄로서 이 로봇은 미생물 연료전지로부터 필요한 에너지소스를 얻음

    • 먹다 남은 음료수의 당 성분을 분해할 수 있는 미생물로 배터리 충전을 위한 미생물연료전지 개발 중

우주선에서 인간의 배설물 처리를 위한 미생물연료전지 연구 시도

• 미국항공우주국(NASA)에서는 우주여행 시 가장 큰 골칫거리였던 인간의 배설물 처리를 위해 미생물연료전지 적용 시도
  • 국제우주정거장(ISS)이나 우주왕복선 등 단기 우주여행의 쓰레기는 모두 지구로 되가져 옴
    • 화성 탐사 시 2년 동안의 우주비행사 6명이 쏟아내는 배설물은 모두 6톤이 넘을 것으로 추산되어 쓰레기를 지구로 되가져오는 것은 불가능(‘10 똥으로 해결한 과학)

      우주선에 1kg의 짐을 싣는 데 33,000달러 비용 발생

    • 인간의 배설물을 기술적으로 처리할 수 있는 해결책으로 미생물 연료전지 연구 시작
  • 2000년대 미국 리트먼 교수팀이 NASA 지원으로 지오박터균 (Geobacter)을 이용해 인간 배설물을 원료로 하는 미생물연료전지 개발
    • 이러한 미생물연료전지 기초연구를 바탕으로 마이크로로봇을 만드는 등 최근까지 여러 연구를 진행해왔음(‘12 스콧)(https://www.nasa.gov/vision/earth/technologies/18may_wastenot.html)

  미생물연료전지 역사

  미생물연료전지는 김병홍 박사가 최초로 개발한 이후 널리 알려져 전 세계적으로 연구 활동이 활발하게 진행 중

  • 1912년, 포터교수(영국) : 대장균 실험(미생물의 전기화학적작용 규명)
  • 1960년대, NASA(미국) : 우주선 폐기물 처리 실험(매우 낮은 효율)
  • 1980년대, 알렌&베네토 : 미생물과 전극사이에 매개체 주입
  • 1998년, 김병홍박사(한국 KIST) : 무매개체 미생물연료전지 개발(미생물 스스로 전자전극 전달 가능 규명)
  • 미생물연료전지에 대한 연구 급증(2만개가 넘는 논문 발표, ‘18.3

미생물연료전지의 기술적 도전

• 미생물연료전지의 산화전극부 크기에 비례하여 전기생산량이 증가하지 않는 문제를 해결하기 위한 연구가 수행 중
  • 이란의 라 히네 자드 연구팀은 미생물연료전지를 스택(stack)하여 전기 생산이 가능한 면적을 증가시키는 연구를 수행
    • 최대전류 6,447mA/m²과 최대 전력 2,003mW/m² 생산

      스택이란 연료전지의 전압을 높이기 위하여 다수의 전지를 적층형태 등으로 쌓는 구조(스택의 간단한 사례로 3V 전압을 생성하기 위해 1.5V짜리 건전지 2개를 직렬 연결함)

  • 중국의 주앙 연구팀은 원통형 스택 미생물연료전지를 이용하여 폐수처리와 함께 전기에너지를 얻는데 이용
• 미생물연료전지의 낮은 전류값 원인을 규명하는 연구가 진행 중
  • 미생물의 활성, 내부저항, 양극반응속도, 멤브레인을 통한 수소 이온 전달 등 전류발생에 제한 요인들 규명
  • 미생물연료전지 내 전기화학적 활성 미생물의 전기전달 메커니즘 규명 연구 수행
    • KIST 김병홍 박사 연구팀은 전기생산미생물의 세포표면에서 전자의 전극이동에 대한 전달 메커니즘 규명
• 미생물연료전지의 성능을 높이며 보다 경제적인 운전을 위한 방법 탐색이 진행 중
  • 주로 중국과 미국에서 가격이 저렴하며 성능을 높일 수 있는 전극 탐색 연구를 활발히 진행 중
  • 농촌진흥청 장재경 박사 연구팀은 전극물질을 스테인리스 스틸망 (철수세미)을 이용한 전극물질 대체에 의한 경쟁력 확보

    기존의 탄소전극과 비교하여 전류 발생량은 떨어지지 않으면서 가격은 1/25로 감소

농업분야에서 미생물연료전지를 연구하는 이유

• 가축분뇨 처리시 방류수 수질기준에 맞추기 위하여 물리학적, 생물학적, 화학적 처리 방법 등 복잡한 처리공정을 거치게 되어 막대한 비용이 부담
  • 가축분뇨는 하수보다 수십배에서 수백배 이상의 고농도 유기물 (10,000ppm이상)과 질소, 인과 같은 영양염류 물질을 함유
  • 처리하지 않은 가축분뇨를 하천에 방류하면 부영양화와 같은 심각한 환경오염 발생

    부영양화는 “영양물질이 풍부하게 공급되었다”는 뜻의 용어로 강이나 호수, 바다와 같은 곳에 가축분뇨 등의 폐수가 유입되어 질소와 인과 같은 영양분이 과잉 공급 되면서 용존산소량이 감소되어 생물을 죽게 만드는 현상

• 고농도의 오염물질을 함유하고 처리가 쉽지 않은 가축분뇨도 미생물 연료전지의 원료로 이용 가능
  • 미국 펜실베니아 주립대에서 최초로 가축분뇨를 이용하여 미생물 연료전지로부터 오염물질 처리와 전기 생산(‘05 민부기 등)
    • 이후 유럽, 미국, 중국, 일본, 한국 등 여러 나라에서 가축분뇨를 이용한 오염물질 제거와 전기 생산 연구 진행 중
  • 농촌진흥청과 광주과학기술원(GIST)에서 혐기소화조와 미생물연료 전지의 하이브리드 시스템으로 가축분뇨를 이용한 바이오가스와 전기 동시 생산 확인
    • 혐기성 소화조에서 바이오 가스 생산 후 나온 미처리된 유기물질과 질소를 미생물연료전지에서 처리함과 동시에 전기 생산
• 냄새나는 가축분뇨의 원인 물질을 미생물연료전지를 이용해 감소
  • 미국 로건 교수팀은 가축분뇨의 냄새 원인물질인 휘발성 유기산 99%를 제거하면서 전기 생산(‘08 김중래 등)
  • GIST의 장인섭 교수 연구팀에서는 미생물연료전지를 활용하여 가축분뇨 내 휘발성 유기산을 제거하고 암모니아를 회수함과 동시에 전기 생산

똥 만 아니라 우리 소변도 가능하다고

• 버려지는 사람의 소변을 이용하여 전기 생산
  • 70억 인류가 하루에 배출하는 소변은 무려 105억 리터
    • 소변은 98%가 물이고 2%는 탄소, 질소, 수소, 산소로 이뤄진 요소로 대부분 소변의 처리를 위해 정화시설로 보내짐
  • ‘13년 영국의 웨스트잉글랜드 대학은 소변으로 전기를 생산하는 미생물연료전지를 개발
    • 미생물연료전지 단위셀은 25 mL의 소변에서 3일 동안 0.25 mA 전류 생산
    • 스마트폰 충전, 환경감시로봇(EcoBot) 센서 작동 기술 소개

      2016년 영국의 배스 대학, 퀸메리 대학에서도 소변을 이용한 저렴한 미생물 연료전지 배터리 개발, 연료전지 한 개 가격은 1 2파운드(약 1,600∼3,200원)

  • ‘15년 소변으로 발전하는 웨어러블 미생물연료전지 신발 개발
    • 걸어 다니면서 펌프 원리를 이용해 소변을 순환시켜 전기 발생
    • 생산된 전기를 이용해 문자를 2분 간격으로 컴퓨터에 무선 전송
• 소변 내 요소 분해로 발생된 암모니아를 회수함과 동시에 전기 생산
  • ‘12년 네덜란드에서 미생물연료전지를 이용하여 소변 내 암모니아를 회수하면서 전기 생산 증명
    • 중국도 미생물연료전지를 이용해 소변 내 암모니아를 회수하고, 전기 생산율을 향상시키는 방법 개발

에너지 하베스트 기술과 미생물연료전지 만남

• 에너지 하베스트 회로기술을 미생물연료전지에 접목
  • 버려지는 에너지를 수확하여 활용하는 에너지 하베스팅 기술 각광
  • 미생물연료전지는 온도, 유속, 유기물 농도, 미생물 활성 등의 원인에 의해 전압값 차이가 발생
    • 에너지 하베스팅 장치인 전력관리시스템에는 배터리 역할을 하는 캐패시터(capacitor)가 존재, 최종 외부 출력전압을 일정하게 유지
  • 에너지 하베스트 기술은 미생물연료전지에서 발생된 전자를 DC- DC 변환기를 이용하여 3V 이상으로 승압이 가능
    • 한 개의 미생물연료전지가 생산할 수 있는 전압은 약 1.2V로 전력 기기를 구동할 수 있는 최소 전압인 3V에 미치지 못함
    • 하지만 3V 이상으로 승압하게 되면 일반 건전지와 같이 전자 기기의 전력원으로 이용 가능
• 하베스팅 기술을 접목한 미생물연료전지는 센서와 IoT기술과 함께 무선네트워크 기기 등의 전원으로 사용 가능
  • 에너지 하베스트 회로 기술 접목으로 LED등, 소형기기 등에 전력
  • 농업시설 내 환경 모니터링 및 제어를 위한 정보 수집, 송신 등을 위한 전원 기술로 개발 기대

하수처리장에서의 경제적 효과

• 기존 하·폐수 처리시설은 에너지 다소비 시설로 국내 총 전력량의 0.5%를 소비, 에너지 자립율은 0.8% 수준으로 에너지 자립이 필요
  • 국내 연간 총 하수량은 65억 톤, 운영관리비는 6,500억원(‘11 박병군)
• 미생물연료전지를 운용하고 있는 처리장에 적용시 경제적 이득 예상
  • 지난 10년간 미생물연료전지에서 발생할 수 있는 전기생산량은 무려 10,000배 이상 크게 증가
  • 국내 중규모 이상 하수처리장 전체에 미생물연료전지 수처리 공정 운영시 연간 1,860억원의 절감 효과가 발생(‘14 물과 미래)

기업체의 미생물연료전지 투자

• 미생물연료전지의 상용화를 위한 기업 및 연구소들의 투자
  • 미국 화학업체인 다우케미컬(Dow chemical)에서는 미생물연료 전지 실용화를 위한 연구 진행
    • 하루 10,000톤 이하의 하수처리장에서 경쟁력 가질 수 있다고 분석
  • 이스라엘 폐수처리 기업 “Emefcy”는 미생물연료전지 상용화 발표
    • GE 등 기업으로부터 1,000만 달러 투자 유치(‘11 박병군)
  • 우리나라 K-water는“미생물연료전지 기반의 에너지 자립형 수처리 기술”개발 시도(‘14 물과 미래)
    • 연구 목표는 하루 30톤 규모의 미생물연료전지 기반 공정 개발 후 에너지 자립율 60%, 슬러지 저감 및 감량화율 70% 달성 계획
  • 미국 해군연구소, 고등연구계획소는 군사 목적 연구에 수백억 투입

농업분야 적용과 예상 효과

• 농업분야에서의 미생물연료전지는 가축분뇨를 처리하는 동시에 전기에너지 생산 및 유용자원 회수가 가능
  • 국내에서 매일 발생되는 가축분뇨양은 약 17만톤(‘15 환경부)
    • 현재 농가에서 발생된 가축분뇨는 대부분 자원화센터나 공공처리 시설로 보내고 비용을 지불

      농가 자체에서 가축분뇨로부터 에너지 및 자원회수를 할 수 있어 부가 소득 발생 예상

  • 화학적 산소 요구량의 농도가 10kg/m³인 가축분뇨로부터 에너지 손실을 10%로 가정시 약 250MW 에너지 생산 가능
  • 가축분뇨와 미생물연료전지 기술을 이용하여 전기를 발생시킬 수 있다고 가정할 때 매일 약 75MW 에너지 생산 가능
  • 가축분뇨로부터 생물전기화학적 원리를 이용하여 고품질의 비료 생산 가능
    • '10년 이후부터 미생물 연료전지를 이용하여 분뇨 내 고농도의 질소와 인을 회수하려는 연구 시작
    • 가축분뇨 내 고농도의 암모니아성 질소이온, 인산염 이온, 마그네슘 이온을 결합시킨 스트루바이트 생산 기술로 화학적 비료가 결정화됨 (‘17 농촌진흥청)

      스트루바이트는 고갈되어가는 비료 생산원료인 인광석을 대체할 수 있는 원료로 여겨지며 호주, 일본, 영국에서 1톤에 25~180만원의 시장가격 제안

미래 지속 가능한 물-에너지-자원 넥서스

• (물) 가축분뇨와 생활하수 통합 처리가 가능한 미생물연료전지
  • 자원화-미생물연료전지-미세조류 등 단위기술 융합에 의해 고품위 수질 확보로 폐수를 농업용수로 확보 가능
  • 미생물연료전지에 삼투압 막 분리를 이용한 담수화 기술 적용으로 난민 캠프 등에 식수 보급 가능
• (에너지) 소형 전력 공급원으로 다양한 장소에서 사용될 수 있음
  • 해양 부표 센서의 전력 공급원
  • 무인 시설(화장실 등)의 형광등과 같은 장치 동력원
  • 호수나 하천 등의 오염물질 농도에 대한 실시간 모니터링이 가능한 센서의 전력 공급원
  • 해충을 잡아먹으며 움직이는 자립형 에코봇
    • 음식물쓰레기와 같은 유기물로 파리를 유인하고 미생물연료전지를 구동하여 전기를 생산하며 해충퇴치, 청소, 탐사가 가능함
• (자원) 생물전기화학적 기법을 이용하여 수소를 생산하거나 유기 화학물질 합성에 의한 바이오연료 생산 등 다양한 자원화 기술로 발전 가능함

시각의 전환이 보이지 않았던 것을 보게 한다

• 가축분뇨는 환경부하가 높은 유기성폐자원이기도 하나 또한 잠재적 자원의 보고로 고부가가치 기술 개발 가능성에 대한 인식 전환이 필요
  • 가축분뇨는 안정적으로 관리되지 않으면 토양, 하천, 지하수 등 환경오염을 야기하기 때문에 관리와 이용을 위한 다원화 필요
  • 장내 미생물을 이용한 치료제 개발 등이 이루어지고 있는데 가축 분뇨와 같은 농업 부산물을 이용한 선도적인 기술 개발로 기능성 산업 분야 개척 가능성 높음

외부 전력 공급 없이 자체 전력 생산 가능한 미생물연료전지의 도전

• 바이오에너지 분야의 전략적인 기술개발·보급·이용을 위해서는 유기성 폐자원(가축분뇨 등)의 자원을 다양화할 필요가 있으며, 지속가능한 미래농업을 위해 기술 발전과 함께 환경을 고려하는 시각이 필요
  • 미생물연료전지의 실용화에는 몇 가지 어려운 점이 있으나 농업 부산물을 이용한 에너지 및 자원 획득 가능한 다양한 응용 프로그램 연구 개발이 필요

    미생물연료전지는 응용분야가 다양하여, 생활오수, 가축분뇨 등 수처리 뿐 만 아니라 무인 원격 동력원, 바이오수소 생산, BOD 센서에서 의료용 생체인식 센서까지 활용이 가능

  • 미생물연료전지의 안정적 전기출력 문제를 해결하기 위해 에너지 하베스팅 기술과 접목하고 다양한 기술 분야와의 융합도 중요
  • 농업, 환경, 전자, 재료, 의료 등 다양한 기술 분야의 융합과 다양한 영역의 개발을 위한 중장기 연구 전략이 필요