출처 : http://www.h2.re.kr/
태양광을 에너지로 이용하며, 물이나 유기물질로부터 미생물 내에 존재하는 자가 증식형 메카니즘에 의한 수소 생산은 에너지 생산 기술일 뿐만 아니라, 공기중 이산화탄소를 변환하여 탄수화물로 미생물 내에 축적하는 이산화탄소 저감 환경기술이며, 유기물질 농도가 높은 식품계 공장 폐수에 적용할 경우 유기물질로부터 수소를 생산하고 폐수의 COD를 낮추는 환경처리도 할 수 있다. 또한 광합성 미생물 자체에 축적되는 β-carotene, astaxanthin과 같은 고부가가치 식․의약품의 생산기술로도 활용되고 있다.
생물학적 수소생산 기술은 다양하여 기질로 사용되는 원료물질에 따라 물, 유기물, 가스로 크게 구분되며, 또한 미생물의 다양한 메카니즘에 따라 여러가지 기술이 알려져있으며 아직도 새운 기술 및 다양한 수소 생산 미생물에 대한 연구가 왕성하다. 이 중에서도 ① 녹조류 (green algae)가 광합성 메카니즘에 의해 물로부터 양성자와 전자를 공급받아 수소를 생산하는 직접 물 분해 수소생산 기술(direct bio-photolysis) ② 광합성 작용에 의해 물을 분해하여 산소를 발생하고, 동시에 공기 중 이산화탄소를 고정하여 고분자 저장물질로 균체 내에 합성한 후 혐기 발효 또는 광합성 발효에 의해 수소를 발생하는 간접 물 분해 수소생산 기술(indirect bio-photolysis or two stage photolysis) ③ 최근 일본을 비롯한 유기성 폐자원이 풍부한 국가에서 집중적으로 연구되는 기술로써, 유기물로부터 purple non-sulfur bacteria에 의한 광합성 발효에 의한 수소생산(photo-fermentation) 또는 ④ 광이 존재하지 않는 조건에서 혐기 미생물에 의해 유기물 자체가 에너지원으로 사용되는 발효에 의한 수소생산 기술 (dark fermentation) ⑤ 광합성에 관여하는 엽록체 및 미생물 효소를 추출하여, 물 또는 유기물로 부터 수소를 발생하는 균체 외 (in vitro) 수소 발생 ⑥ 광합성 미생물의 일산화탄소 가스 전환 반응 (microbial shift reaction)에 의한 수소 생산 기술로 구분할 수있다.
국내의 산업 및 자연환경에 가장 적합하고 실용화 가능성이 높은 것은 무엇일까?
첫 째 유기물로부터 혐기미생물을 이용한 dark-fermentation과 광합성 미생물을 이용한 photo-fermentation을 연속적으로 적용하여 유기성 폐수 및 폐기물로부터 최대 효율로 수소를 생산하는 연구와, 둘째 미생물이 생산하는 수소생산 관련 효소 및 광합성 시스템을 균체 외로 분리하여 물 또는 유기물로부터 in vitro 방법에 의한 수소생산을 개발하여, 수소에너지 시스템과 연계한 대량 생산이다. 혐기 및 광합성 발효에 의한 유기물질로부터 수소생산은 최근 국내 및 일본을 비롯한 유기성 폐자원이 풍부한 나라에서 집중적으로 연구되는 기술로서, 유기물로부터 혐기 및 광합성 미생물을 각각 적용시킴으로써 수소를 생산하는 즉, 유기물 자체가 에너지원으로 사용되는 발효에 의한 수소발생 기술이다.
수소를 생산할 수 있는 세균 중에는 빛이 없는 혐기 발효 조건에서 유기물을 이용하여 배양액 중에 각종 유기산, 유기용매를 축적하고, 동시에 수소와 이산화탄소를 발생한다. 클로스트리디움 속은 가장 잘 알려진 혐기 발효 수소생성 세균이며 현재 이들을 이용한 수소생산에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
C6H12O6(glucose) +6H2O → 2CH3COOH (acetic acid) + 4H2 + 2CO2
C6H12O6(glucose) → 2CH3(CH)2COOH (butyric acid) + 2H2 + 2CO2
위의 경우 glucose 1 분자는 혐기 미생물이 갖는 자체 내 발효 메카니즘에 의해 2 분자의 acetic acid와 동시에 4분자의 수소를 생산한다. 생성되는 수소양은 어떠한 유기산이 생성되는가에 따라 차이는 있지만, butyric acid가 생성될 경우는 2분자의 수소가 발생한다.
이와 같은 수소생성량은 glucose 1분자로부터 최대 생성되는 12분자 수소 중 4분자만이 생성되므로 약 33% 전환에 불과하지만, 동시에 발생하는 유기산 즉 acetic acid나 butyric acid 등은 광합성 세균에 의한 발효로 다시 수소 생산을 유도할 수 있다. 즉,
2CH3COOH (acetic acid) +4H2O → 4CO2 + 8H2
광합성 세균은 조류나 식물이 PS I(Photosynthetic system I) 과 PS II (Photosynthetic system II)를 모두 광합성에 이용하는 것과는 달리 PS I 만을 이용하여 광합성과 수소생산을 한다. 즉 cytochrome 색소 복합체로 구성된 반응계(reaction center)가 있어서 빛에너지를 색소가 흡수하면 반응계의 전위차가 형성되어 cyclic 전자 전달계를 생성하며, 이때 ATP라는 고 에너지 화합물을 합성한다. 한편 기질로부터 공급된 전자는 ferredoxin에 전달되고, 이 환원력과 ATP를 이용하여 nitrogenase 효소는 양성자(H+)를 수소 H2를 환원한다. 광합성 세균은 대사적인 다양성을 갖고있어 산소가 있을 경우나 없을 경우 모두 성장 할 수 있고 , 광합성 작용으로 수소를 생산할 수 있다. 이러한 다양성 때문에 기질의 이용효율에 차이는 있지만 단당류, 이당류 및 각종 유기산을 모두 배양 기질로 사용할 수 있어서 실질적으로 수소 생산을 쉽게 유도할 수 있다. 광합성 세균 중에서 대표적으로 이용되는 홍색 비유황 세균(purple non-sulfur bacteria)는 이론적으로 acetic, lactic, 또는 butyric acids로부터 각각 4, 6, 7분자의 수소가 생성된다. 정리하면 glucose 1분자로부터 혐기 세균과 광합성 세균을 적용할 때 최대 12분자의 수소가 발생하지만 실질적으로는 미생물의 배양조건 즉 pH 변화, 빛 이용효율, 온도등에 의해 최대 8-9분자가 발생하는 것으로 보고되고 있다. 유기물질이 다량 함유되어 있는 식품계 공장폐수나 하천 슬러지, 농수산 시장의 폐기물은 이와 같은 혐기 및 광합성 세균을 이용하여 수소를 생산할 수 있는 좋은 바이오매스로써 에너지 생산과 환경 처리를 동시에 할 수 있는 것으로 타당성이 검토되어 국내외에서 기술이 개발 중이다.
