글로벌물산업정보센터

[덴마크] 미생물로 생물가스를 강화시켜 메탄과 유용한 화학물질을 생성하는 방안

생물가스(biogas, 특히 메탄가스)는 가정 난방과 자동차에 동력을 공급하는데 사용될 수 있는 재생에너지 자원이다. 그러나 자체적인 원료 상태에서 기체 혼합물(gas mixture)은 메탄(methane)과 이산화탄소(carbon dioxide)를 모두 함유하고 있으며, 따라서 생물가스 플랜트는 메탄을 정제하기 위하여 이산화탄소를 제거 및 배출해야 한다. 최근 연구진은 이산화탄소를 온실가스로 배출시키는 대신에 귀중한 화학물질로 전환시키는 박테리아(bacteria)를 이용하여 생물가스에 함유된 메탄을 강화시키는 접근을 보고했다.

혐기성 미생물(anaerobic microbe)은 비료, 식물성 재료 및 활용되지 않으면 최종적으로 폐기되는 다른 유기 물질 등을 소화시킴으로써 생물가스를 생성한다. 이러한 생물가스는 50~75% 가량의 메탄을 함유하고 있으며, 정제된다면 이러한 메탄은 가정에서 사용되기 위하여 천연가스 공급 망으로 직접 투입되거나 압축되어 연료로 사용될 수 있다. 생물가스 제조사는 전문적인 여과와 고가의 공정을 이용하여 이산화탄소를 제거할 수 있다고 덴마크 공과대학(Technical University of Denmark) 소속의 Irini Angelidaki 연구실 석사 과정 학생인 Ingolfur B. Gunnarsson은 밝혔다.

Angelidaki 연구팀은 이러한 이산화탄소를 대기로 배출하는 대신에 유용한 물질로 전환할 수 있는 단순한 생물학적 방법을 개발하기를 원했다. 이러한 목표를 수행하기 위하여, 연구진은 도움을 줄 다른 혐기성 미생물을 조사했다. 이러한 미생물의 몇 가지 종은 이산화탄소를 고분자를 위한 전구체, 식품 첨가물 및 휘발유 기반의 화학물질에 대한 대체 등을 포함한 다수의 산업 응용에 적용되는 4개의 탄소 분자를 가지는 호박산(succinic acid)으로 전환했다. 이러한 박테리아를 이용하여, 과학자들은 원료 생물가스를 순수한 메탄가스와 호박산으로 전환시킬 수 있었다.

원리 증명 실험을 수행하기 위하여, 연구진은 높은 농도의 당과 호박산을 견딜 수 있는 탄소 고정 박테리아인 악티노바실루스 석시노겐(Actinobacillus succinogene, A. succinogenes)을 선정했다. 연구진은 A. succinogenes의 배양에 60%의 메탄과 40%로 구성되는 시뮬레이션된 생물가스를 투입할 수 있는 밀폐된 발효 용기를 구축했다.

연구팀은 배양액에서 이산화탄소 용해도(solubility)를 증가시키기 위하여 용기에 140kPa의 압력을 증가시켰다. 이러한 압력에서 24시간 발효는 배양 리터 당 14.39g의 호박산과 대부분의 응용에 충분히 적용하기 적당한 95.4 %의 메탄으로 구성된 생물가스를 생성했다.

생물가스는 매력적인 재생 에너지 매개체이다. 그러나 생물가스는 특정 용용에 생물가스 사용을 제한하는 이산화탄소를 함유하고 있다. 이 연구에서 연구진은 생물가스로부터 이산화탄소를 제거하고, 생물학적 공정을 통하여 생화학물질로 이산화탄소를 포획하는 기발한 접근을 보고했다. 이 접근은 박테리아 가계인 악티노바실루스 석시노겐 130Z를 이용하여 이산화탄소를 바이오호박산(biosuccinic acid)으로 전환하는 공정을 수반하고, 동시에 95% 이상의 고순도 메탄을 생성할 수 있다.

결과는 발효가 이루어지는 동안 압력이 101.325kPa에서 140kPa로 증가했을 때, 보다 더 높은 이산화탄소 용해도가 달성됐으며, 따라서 최종적인 호박산 수율과 적정 농도(titer), 이산화탄소 소비 속도 및 메탄 순도 등에 긍정적인 영향을 초래했다.

140 kPa에서 이산화탄소 공급원만으로 생물가스를 이용할 때, 이산화탄소 소비 속도는 2.59 L CO2 L–1 d–1에 상응하고, 최종적인 호박산 적정 농도는 14.4 g L–1이었다. 이러한 압력 조건 하에서, 가장 높은 호박산 수율과 생물가스 질은 24시간 발효 후 각각 0.635g g–1과 95.4% (v v–1) 메탄 함량에 도달했다. 이 연구는 자동차 연료/가스 그리드 질에 대한 개질된 생물가스를 가능하게 하는 시스템의 개발을 성공적으로 시도한 첫 사례를 대표하고 있으며, 동시에 단기에 거대한 시장 가능성을 가진 귀중한 빌딩 블록인 바이오호박산을 생성했다.

달성된 순도는 흥미로운 것이라고 미국 미주리 대학(University of Missouri) 소속의 Caixia (Ellen) Wan은 밝혔다. 그러나 실제의 생물가스는 박테리아의 배양에 손상을 초래할 가능성이 있는 황화수소(hydrogen sulfide)와 같은 불순물 때문에, 부가적인 정제 단계(purification step)를 필요로 할 것이라고 그녀는 밝혔다. 또한, 시뮬레이션된 생물가스에 존재하는 주어진 양의 이산화탄소에 대한 호박산 수율은 낮았다고 Wan은 밝혔다. Gunnarsson은 연구팀이 박테리아 가계와 발효 조건을 최적화함으로써 수율을 증가시킬 수 있다고 생각하고 있다.

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 10월 23일]

[원문보기]

Microbes Enrich Biogas And Synthesize Valuable Chemica

Biogas is a renewable energy source that can be used to heat homes or power vehicles. But in its raw state, the gas mixture contains both methane and carbon dioxide, so biogas plants must remove and release the carbon dioxide to purify the methane. Now, researchers report an approach to enrich the methane in biogas using bacteria that convert the carbon dioxide into a valuable chemical instead of emitting the greenhouse gas (Environ. Sci. Technol. 2014, DOI: 10.1021/es504000h).

Anaerobic microbes produce biogas by digesting manure, plant matter, and other organic materials that may otherwise end up as waste. This biogas contains between 50 and 75% methane, which, if purified, can be pumped directly into the natural gas grid for use in homes or compressed into a fuel. Biogas producers remove the carbon dioxide using specialized filters and expensive processes, says Ingólfur B. Gunnarsson, a graduate student in the laboratory of Irini Angelidaki at the Technical University of Denmark.

Angelidaki’s team wanted to develop a simple biological method that could transform this carbon dioxide into something useful instead of releasing it into the atmosphere. To do so, the researchers enlisted other anaerobic bacteria for help. Several species of these microbes convert carbon dioxide into succinic acid, a four-carbon molecule with multiple industrial applications, including as a precursor for polymers, a food additive, and a replacement for petroleum-based chemicals. Using these bacteria, the scientists could turn raw biogas into pure methane and succinic acid.

For a proof-of-principle experiment, the researchers selected Actinobacillus succinogenes, a carbon-fixing bacterium that tolerates high concentrations of sugar and succinic acid. They constructed a closed fermentation vessel that allowed them to pump a simulated biogas consisting of 60% methane and 40% carbon dioxide over a culture of A. succinogenes.

The team increased pressure in the vessel to 140 kPa to increase the solubility of the carbon dioxide in the culture. At this pressure, a 24-hour fermentation produced 14.39 g of succinic acid per liter of culture and a biogas composed of 95.4% methane, which is good enough for most applications.

The purity achieved is exciting, says Caixia (Ellen) Wan of the University of Missouri, Columbia. However, she says, real biogas may require additional purification steps because of impurities, such as hydrogen sulfide, that could potentially harm bacterial cultures. Also, given the amount of carbon dioxide present in the simulated biogas, the team’s yield of succinic acid is low, Wan says. Gunnarsson thinks they should be able to increase yields by optimizing the bacterial strain and fermentation conditions.

[원문출처 : http://cen.acs.org/articles/92/web/2014/10/Microbes-Enrich-Biogas-Synthesize-Valuable.html]