[독일] 수소를 효율적으로 생산하는 조류
 
독일 연구진은 조류를 사용해서 수소 제조의 효율을 향상시키는데 성공했다.

 

조류가 포함된 큰 물탱크 속에서 재생 가능한 연료로서 수소가 제조될 수 있다. 이때, 유망한 녹색 에너지인 수소를 제조하는데 단지 태양광만을 필요로 한다. 이론적으로는 매우 우수한 아이디어이지만, 수소 제조에 필요한 공간이 매우 많이 필요하기 때문에 불가능한 것으로 알려졌다.

 

막스 플랑크 화학에너지변환연구소(Max Planck Institutes for Chemical Energy Conversion)와 보훔 루르 대학(Ruhr-Universität Bochum)의 연구진은 미세 조류 속의 수소 제조의 효율을 5 배까지 증가시킬 수 있는 새로운 방법을 개발했다.

 

조류가 더 효율적으로 수소 연료를 생성할 수 있다면, 이것은 더 작은 면적과 적용에 적합한 양으로 제조될 수 있다. 또한 이런 분야는 희귀 및 고가의 귀금속을 필요로 하지 않는다. 이것은 물에서 에너지가 풍부한 가스를 분리하는데 사용된다.

 

살아있는 유기체는 화학적 화합물의 형성 등과 같은 많은 분야에 전자를 필요로 한다. 광합성을 수행하는 조류와 다른 유기체들은 태양광의 도움으로 물의 전자들을 방출하고 그들을 세포 속에 분포시킨다. 철을 함유한 단백질인 PETE는 이것을 수행한다; 이것은 FNR(ferredoxin-NADP+ oxidoreductase)에 전자들을 전달해서 NADPH가 형성되고 탄수화물이 이산화탄소로부터 합성되게 한다. 수소화 효소(hydrogenase)를 통한 수소의 제조는 많은 공정 중 하나이다. PETE는 필수적인 전자들을 제공한다. 수소화 효소는 6개의 철 원자로 구성된 독특한 활성 센터를 함유한 매우 효율적인 효소이다. PETE에 의해 공급된 전자들은 양성자와 결합된다. 수소 분자는 이런 방식으로 제조된다.

 

핵자기 공명 분광기의 도움으로, 이번 연구진은 수소화 효소, FNR과 상호작용하는 PETE(아미노산)의 구성요소를 조사했다. 이것은 PETE의 단지 두 개의 아미노산이 FNR을 결합하는데 중요하다는 것을 의미한다. 이번 연구진은 두 개의 아미노산과 효소인 FNR을 변형시켰을 때, PETE는 더 이상 FNR과 효율적으로 결합될 수 없다는 것을 발견했다. 따라서 효소는 FNR에 더 적은 전자들을 전달하고 수소화 효소에 더 많은 전자들을 전달한다. 이런 방식으로, 과학자들은 5배까지 수소 제조를 증가시켰다.

 

“조류를 이용해서 기술적으로 적용 가능한 수소를 제조할 경우에, 이것의 효율은 천연 프로세스와 비교할 때 10 배 ~ 100 배까지 증가되어야 한다”고 Sigrun Rumpel은 말했다. “PETE와 FNR의 표적 변화를 통해서, 우리는 이런 목적을 달성할 수 있는 단계에 도달했다”고 Sigrun Rumpel은 덧붙였다.

 

지금까지, 신재생 에너지 캐리어로부터 수소를 제조할 경우에 물의 전해질 분리를 포함했다. 백금과 같은 희귀 및 고가의 귀금속들은 이런 목적으로 사용된다. 이번 연구진은 연료를 효율적으로 제조하기 위해서 조류를 사용하는 방법을 조사하고 있다. 미세 조류는 자연적으로 수소 가스를 제조하지만, 매우 작은 양이다. 따라서 자동차가 하루 동안 소모하는 수소의 양을 제조하기 위해서는 거대한 탱크에서 조류가 배양되어야 한다.

 

“이 연구결과는 미세 조류의 도움으로 경제적으로 재생 에너지를 제조할 수 있는 새로운 방법을 제공한다”고 Sigrun Rumpel은 말했다. 전자 전달 경로의 변화는 수소 제조 효율을 향후에 추가적으로 향상시킨다. 따라서 이번 연구진은 몇 가지 변형들을 서로 결합시킬 수 있기를 원하고 있다. 이 연구결과는 저널 Energy & Environmental Science에 “Enhancing hydrogen production of microalgae by redirecting electrons from photosystem I to hydrogenase”라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1039/C4EE01444H).

그림. 수소화 효소에 의해서 촉진된 미세 조류 속의 광 수소 생성. 이것은 페레독신(ferredoxin) PETF에 의한 광계 I(photosystem I)의 전자들을 받는다. 그러나 광합성 전자의 지배적 어셉터(dominant acceptor)는 FNR이다.

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 9월 29일]

 

Hydrogen as a regenerative fuel produced in gigantic water tanks full of algae, which need nothing more than sunlight to produce the promising green energy carrier: a great idea in theory, but one that fails due to the vast amount of space required for the production process. Scientists from the Max Planck Institutes for Chemical Energy Conversion and Coal Research) in Mülheim an der Ruhr, and from the research group Photobiotechnology at Ruhr-Universität Bochum (RUB) have now discovered a way of increasing the efficiency of hydrogen production in microalgae by a factor of five ("Enhancing hydrogen production of microalgae by redirecting electrons from photosystem I to hydrogenase").

 

If the algae can generate the fuel more efficiently, it can be produced in a smaller area and in quantities suitable for practical use. This approach also dispenses with the need for rare and expensive precious metals, which are used to split the energy-rich gas is technically from water.

 

Living organisms need electrons in many places, as they use them to form chemical compounds. Algae and other organisms which carry out photosynthesis release electrons from water with the help of sunlight and then distribute them in the cell. The ferrous protein PETF is responsible for this: It transports the electrons in particular to ferredoxin-NADP+ oxidoreductase (FNR), so that NADPH is formed and carbohydrates are finally synthesised from carbon dioxide. The production of hydrogen through hydrogenases is among the many other processes, for which PETF provides the necessary electrons.

Hydrogenases are very efficient enzymes that contain a unique active centre comprising six iron atoms, where the electrons supplied by PETF are bound to protons. Molecular hydrogen is produced in this way.
With the help of nuclear magnetic resonance spectroscopy, on which magnetic resonance imaging in medicine is also based, the scientists working with Sigrun Rumpel, a post doc at the Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion in Mülheim, investigated the components of PETF – or more precisely amino acids – that interact with the hydrogenase and those that interact with FNR. It emerged that only two amino acids of PETF are important for binding FNR. When the researchers modified these two amino acids and the enzyme FNR, PETF was no longer able to bind FNR as efficiently. Thus, the enzyme transferred less electrons to FNR and more to the hydrogenase. In this way, the scientists increased the hydrogen production by a factor of five.

 

“For a technically feasible hydrogen production with the help of algae, its efficiency must be increased by a factor of 10 to 100 compared to the natural process,” says Sigrun Rumpel. “Through the targeted modification of PETF and FNR we have taken a step towards achieving this objective.”
 
Up to now, the production of hydrogen from renewable energy carriers involved the electrolytic splitting of water. Expensive and rare precious metals like platinum are currently required for this purpose. Sigrun Rumpel and other researchers are therefore working on finding a way of enabling algae to efficiently produce the fuel. Microalgae produce the gas naturally, but in very small volumes. Thus, if cars were to be powered one day using hydrogen rather than petrol or diesel, to come anywhere near covering Germany’s fuel requirements, gigantic areas with tanks full of algal cultures would have to be set up.

“These results represent a path to the economically-viable regenerative production of fuels with the help of microalgae,” says Sigrun Rumpel. The change of electron transfer pathways could further improve hydrogen production in future. The researchers therefore now want to combine different modifications with each other.

[원문출처 : http://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=37522.php]