1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

 최근 ESG (Environmental, Social, Governance) 등 친환경 기조에 따라 바이오가스 산업이 국내외 사회적으로 많은 관심을 받고 있습니다. 혐기소화조 (Anaerobic digestion, AD)에서 발생하는 바이오가스는 열역학적 한계로 인해 메탄(CH4) 약 60%, 이산화탄소 (CO2) 약 35~40%, 그리고 원료에 따른 실록산 혹은 황화수소 등 미량성분들로 구성됩니다. 생성된 바이오가스는 32%는 외부공급, 17%는 발전용, 그리고 나머지는 생산시설 주변의 자가열원으로 소비하거나, 플레어 스택을 통한 연소처리에 사용되고 있습니다. 즉, 바이오가스를 효율적으로 사용하지 못하고 있는 실정입니다. 이러한 문제점을 해결하고자 바이오가스 고질화 (고품위화 혹은 정제, Upgrading) 공정 개발이 진행되고 있으며, 바이오가스 고질화는 천연가스 수준의 열량 확보를 위해 메탄 함량을 95%이상으로 높여, 바이오가스 중 이산화탄소 및 불순물을 제거 혹은 분리하는 것입니다. 바이오가스를 고질화 한 메탄을 바이오 메탄이라 명하며, 이는 천연가스 설비로의 공급, 에너지 발생 및 화학공업 등의 원료로 사용될 수 있습니다. 기존 바이오가스 고질화 공정은 물리화학적으로 진행되며 종류로는 멤브레인을 이용한 막분리, PSA (Pressure Swing Adsorption) 공정과 같은 흡착법들이 있으며, 이는 활성탄 등의 흡착제 재생문제로서 유지관리 비용 및 촉매의 피독현상으로 인해 주기적 교체가 필요한 단점을 가지고 있습니다.

 본 연구에서 사용된 생물전기화학 시스템 기반 생물학적 바이오가스 고질화 공정은 고온, 고압조건에서 반응하는 기존의 열화학적 전환 공정과 달리, 상온 상압에서 운전되며, 자가 증식이 가능한 미생물을 생촉매로 사용하기에, 지속 가능하며 친환경적인 공정이 가능합니다. 또한 대기 중으로 배출하던 이산화탄소를 회수하여 산업시설에 재활용 할 수 있기에 온실가스 배출을 최소화하는점과 폐기물 관리 및 활용 측면에서도 혐기성소화조의 슬러지를 접종원으로 사용하기에 순환 경제를 이룰 수 있는 장점을 가집니다.

 최근들어 주목받고 있는 미생물전기합성전지 (Microbial electrosynthesis cell, MES)는 전기화학적 활성 미생물을 촉매로 사용해 CO2로부터 휘발산, Polyhydroxybutyrate (PHB), 메탄을 생산합니다. [그림 1.] 본 눈문에서는 전극부착 세포기반, 미생물전기합성전지를 통한 바이오가스 고질화를 진행하였습니다. 반응기 구조는 산화챔버와 환원챔버로 나뉘며, 산화챔버에서는 물 분해반응을 통해 전자를 공급하며, 환원챔버에서는 CO2를 탄소원으로 하며, 전극으로부터 전자를 공급받아 메탄으로 전환하는 전기화학적 활성 미생물 대사활동이 진행됩니다. 환원전극에는 -1.0V (Ag/AgCl 대비)의 전위를 인가하여 실험실 규모의 H-Type 반응기 기준 10.55L CH4/m2 cat/day의 메탄 생산률을 보였으며, 최종 메탄 농도 96%를 달성하였습니다. 또한 안동에 위치한 혐기소화조 플랜트에서 직접 샘플링한 바이오가스를 적용하였을 때에도 8.8L CH4/m2 cat/day의 메탄 생산률을 보였으며, 최종 메탄 농도 95%를 달성하였습니다. 또한 Next Generation Sequencing (NGS)분석을 통해 전극부착 세포와 현탁액에 존재하는 세포의 종을 분석하였으며, 대부분의 메탄 생성균(예: Methanobacterium, Methanothrix 및 Methanobrevibacter)이 현탁액이 아닌 전극 표면에 부착하고 있는 것을 확인했습니다. 또한 순환 전압 전류법 (Cyclic voltammetry, CV) 및 전계 방출 주사 전자 현미경 (FE-SEM) 분석을 통해서도 전극 부착 세포들이 주로 MES 시스템을 통한 바이오가스 고질화의 성능을 제어한다는 것을 보여주었습니다.

 실제 산업현장에서 본 기술을 적용하기 위해서는 스케일업이 필요하기에, 실험실 규모의 사이즈에서 벤치형 규모의 반응기(총 부피 6L)를 제작하여 운전하였습니다. 벤치형 MES 반응기에서도 최종 메탄 함량 95%를 달성하였고, 4.78L CH4/m2 cat/day의 메탄 생산률을 보였습니다. 본 결과들을 통해 전극 부착 세포가 MES 시스템에서 바이오가스 중 CO2를 CH4으로 고질화하는데 중요한 역할을 한다는 것을 밝혔습니다.
  논문 링크 : https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137079

  그림 1. 미생물전기합성을 통한 바이오가스 고질화 모식도

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.

 저는 부산대학교 응용화학공학부 바이오에너지 생물공정 연구실 (Bioenergy & Bioprocess Engineering Lab, BBEL)에 소속되어 있으며, 김중래교수님 아래 학위과정을 하고 있습니다. 저희 BBEL 연구실은 생물공학과 전기화학 기술을 융합해 바이오전기 생산, 이산화탄소등 C1가스의 유용물질 전환, 바이오가스와 다양한 고부가가치 석유화학 대체 화학 물질 생산, 바이오센서 등을 개발하는 연구를 수행하고 있습니다. 또한 이러한 공정들을 통해 지속가능하며 환경친화적인 생물공정 개발을 목표로 에너지 및 환경문제를 해결하는데 기여하고자 합니다.

  연구실 홈페이지 주소 : https://bioenergy.pusan.ac.kr/bioenergy/index..do

3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

 연구활동이란 단어를 생각하면 제일 먼저 떠오르는 것은 “아직 멀었다” 입니다. 사람마다 기준은 다르겠지만, 제게 있어 연구활동은 많은 시간이 필요할 뿐만 아니라, 관련 전공지식 그리고 관련 연구 문헌 파악 등 여러가지 요소들이 준비되었을 때 제대로 된 연구활동을 할 수 있다고 생각합니다. 연구를 하면 할수록 쉽게 생각해야지 하면서도 어려운 길로 가고자 하는 것 같습니다. 많은 Try & Error 과정을 거치면서 분명 얻는 것 또한 많이 있습니다. 석사학위 과정 때에는 좋은 결과를 얻는 것이 자부심이라고 생각했다면 박사학위 과정을 지내면서 얻는 자부심은 좋은 결과를 얻는 것도 중요하지만, 생각하지 못했던 연구결과를 얻었을 때 유연하게 생각을 이어나갈수 있는 것입니다. 연구를 하면서 뜻하지 않은 결과를 얻을 때가 있습니다. 저희 교수님께서는 뜻하지 않은 결과를 받았을 때도 실망보다는 결과를 해석하여 다음 연구의 기반이 될 수 있도록 지도 해주셨습니다. 현재 속해 있는 연구실에서 박사학위과정을 하게 된 이유도 여기에 있습니다. 모든 연구가 좋은 결과를 얻지 못하더라도 결과를 해석함에 있어 생각을 유연하게 할 수 있는 것이 본 연구실에 속해 있는 자부심이기도 하며 현재까지 학위과정을 하면서 느끼는 보람이라고 생각됩니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

 제가 하고 있는 연구분야는 생물전기화학 분야입니다. 말 그대로 생물학과 전기화학의 융합연구라고 보면 됩니다. 신재생에너지를 기반으로 생산된 전력에너지를 이용하여 생물전기화학시스템 운전을 진행한다면 탄소중립과 더불어, 화석연료를 대체할 수 있는 에너지개발에 있어 많은 관심을 받을 것이라 생각됩니다. 국내에서는 관련 연구 그룹들이 손에 꼽지만, 국외에서는 많은 연구그룹들이 연구를 선도적으로 진행하고 있습니다. 막연히 관심이 있어서 연구를 하는 것도 좋지만, 가능하다면 본 기술공정을 이용하여 현재 직면하고 있는 환경에너지 문제를 해결하고자 하는 자세로 연구를 한다면 본 분야에 있어 전문가가 될수 있을 것이라 생각됩니다.

5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

 본 연구에서 얻은 결과들을 토대로, 새로운 연구를 진행 중에 있으며 자세하게는 미생물전기합성전지 운전을 통해 바이오가스 고질화에 있어 특정 전기화학적 활성 미생물군집을 선택적으로 배양할 수 있는 기술을 개발할 예정입니다. 현재 대부분의 연구그룹에서는 특정 전기화학적 활성 미생물군집을 안정화하는데 많은 시간을 소요하고 있습니다. 이러한 시간들은 연구에 있어서는 가능하지만, 실제 현장으로의 적용을 생각해봤을 때는 돈과 시간의 문제로 이어지게 됩니다. 본 연구실에서 이러한 미생물 군집 선택적 배양 기술을 가지고 있다면, 실제 현장에서 적용하기 위한 기반데이터로 사용 할 수 있을 것이라 생각됩니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....

 실험실 생활을 하면서 느낀 것은 좋은 연구자가 되기전에, 좋은 사람이 되는 것입니다. 실험실 생활을 하다 보면, 많은 학생들을 보면서 신뢰와 서로간의 예절이 중요하다는 것을 많이 느꼈습니다. 본인 시간이 중요하다고 생각하는 만큼 남들의 시간 또한 중요하게 생각 해야하며, 본인이 받는 고마움들이 당연하다고 생각하는 습관을 버려야한다고 생각됩니다. 선배도 후배한테 배울 점이 많다고 생각하는 사람 중 한사람이며, 선배가 후배를 존중해줄 때 선배 또한 후배한테 존중을 받을 수 있다고 생각합니다. 이러한 이야기를 꺼낸 이유는 많은 석, 박사 학위과정 중에 있는 학생들이 연구를 하면서 고뇌와 스트레스를 받아야 하는데, 실험실에서 사람들 때문에 스트레스를 받는 경우도 많이 봤기 때문입니다. 저 또한 앞서 이야기한 것처럼 노력하고자 하지만 잘 안되는 경우도 있습니다. 하지만 앞으로도 제 생각은 변치 않으며, 저부터 노력하여 후배들이 다음 후배들을 맞이할 때도 잘 대해줬으면 하는게 제 바램입니다.

 마지막으로 지금까지 저를 잘 이끌어주시고, 좋은 연구자가 될 수 있도록 방향을 잡아주신 저희 교수님께 감사인사를 드리고, 묵묵하게 잘 따라와 주는 우리 실험실원들한테도 감사인사를 드립니다. 그리고 현재 국립암센터에서 밤낮없이 연구하고 있는 대연이에게도 감사인사를 드립니다.