| [노르웨이] 박테리아를 활용한 정수 및 전기 생산 기술 연구
노르웨이의 한 연구진은 박테리아(Bacteria)를 활용하여 연료전지(Fuel Cell)의 동력을 성공적으로 공급하였다. 여기서 폐수는 연료로 활용되었으며, 이 공정을 통해 정화된 물과 전기를 각각 생산할 수 있다. 이러한 공정은 산업 설비나 이와 유사한 공정에서 발생하는 폐수를 정화할 수 있는 친환경적인 공정이라 할 수 있다. 또한 소량의 전기를 생산할 수도 있다. 여기서 생산하는 전기는 소형 팬(Fan), 센서 또는 발광다이오드(Light-emitting Diode)를 구동하는데 활용이 가능하다. 연구진은 향후 이 기술의 적용규모를 확대하여 정수처리 공정 자체에 필요한 전기를 직접 공급할 수 있기를 바라고 있다. 정수처리 공정은 일반적으로 여러 단계를 거치며, 시작부터 에너지가 소요되는 기계적 오염 제거(Decontamination) 공정을 적용하고 있다.
생물학적 연료전지(Biological Fuel Cell)는 살아있는 미생물의 도움을 받기 때문에 완전한 천연 공정이라 할 수 있다. SINTEF 연구원이자 동료인 Roman Netzer와 함께 이번 프로젝트를 수행 중인 Luis Cesar Colmenares는 "간단히 말해서 이러한 종류의 연료전지는 박테리아가 물에서 발견되는 폐기물을 소비하기 때문에 작동할 수 있는 것"이라고 말한다. 그는 "박테리아는 폐기물을 소비하면서 전자와 양성자(Proton)를 생산하게 된다. 이들 입자 간에서 발생하는 전압은 우리가 활용할 수 있는 에너지를 생산하게 된다. 이 과정에서 폐수내 폐기물인 유기물질을 소비하기 때문에 물을 정화시킬 수 있는 것"이라고 말한다.
Netzer는 "이번 연구에서 어려웠던 도전 과제는 정수처리 기술에 가장 적합한 박테리아와 메커니즘을 발굴하는 것이었다. 이를 위해 연구진은 물속의 폐기물을 소비할 수 있을 뿐만 아니라 금속 전극으로 전자를 이송할 수 있는 박테리아를 발굴해야만 하였다"고 밝혔다. 이러한 정수처리 과정과 관련한 아이디어들은 두 명의 연구원이 서로 만나기 시작한 수 년 전부터 구체화되었다. 이들은 어떻게 하면 박테리아를 활용하여 에너지를 생산하는데 활용할 수 있는지를 논의하였다. 그 이후 각각이 가진 전문지식을 활용하여 아이디어를 실행에 옮겼다. Netzer는 박테리아와 관련한 전문가이고, Colmenares는 정수처리와 관련한 지식을 보유하고 있는 전기화학자이다.
연구진은 실험실 규모의 소규모 실증용 설비를 보유하고 있다. 이 설비를 통해 오염된 물을 정화하고 전기를 생산할 수 있는 박테리아의 능력을 효율적으로 확인하고 있다. 이들이 사용하는 폐수는 Tine 낙농장에서 얻어지며, 유기산이 풍부하다는 특징이 있다. 유기산이 풍부하다는 것은 이 공정에 적합하는 의미이기도 하다. 그러나 꼭 유기산이 풍부한 폐수에만 적용 가능한 것은 아니다. 다른 종류의 폐수에도 적용이 가능하다.
Netzer는 “현재 상태에서 대규모 에너지를 생산하지는 못한다. 그러나 오늘날 사용되는 기술을 이용하여 정수처리 공정을 가동할 때에는 많은 양의 에너지가 사용되기 때문에 이러한 공정은 흥미로운 접근방법이라 할 수 있다. 특히 연구진은 매우 값비싼 물질을 사용하여 얻어지는 다른 공정과 비교할 때 이 공정이 저가의 물질을 사용하지만 타 공정에 상응하는 에너지를 생산할 수 있다는 점을 자랑스럽게 생각하고 있다”고 말했다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 2월 4일]
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Water purification: Running fuel cells on bacteria
Researchers in Norway have succeeded in getting bacteria to power a fuel cell. The "fuel" used is wastewater, and the products of the process are purified water droplets and electricity.
This is an environmentally-friendly process for the purification of water derived from industrial processes and suchlike. It also generates small amounts of electricity -- in practice enough to drive a small fan, a sensor or a light-emitting diode.
In the future, the researchers hope to scale up this energy generation to enable the same energy to be used to power the water purification process, which commonly consists of many stages, often involving mechanical and energy-demanding decontamination steps at its outset.
Nature's own generator
The biological fuel cell is powered by entirely natural processes -- with the help of living microorganisms.
"In simple terms, this type of fuel cell works because the bacteria consume the waste materials found in the water," explains SINTEF researcher Luis Cesar Colmenares, who is running the project together with his colleague Roman Netzer. "As they eat, the bacteria produce electrons and protons. The voltage that arises between these particles generates energy that we can exploit. Since the waste in the wastewater (organic material) is consumed and thus removed, the water itself becomes purified," he says.
Searching for the best bacteria
"Our challenge has been to find the mechanisms and bacteria that are best suited for use in this water purification method," says Netzer. "To start with, we had to find a bacterium which was not only able to consume the waste products in the water, but which could also transfer electrons to a metal electrode," he says.
The idea behind this water purification approach was born many years ago when the two scientists first met and began discussing how bacteria could be used to generate energy. Since then, they have both been working to put the idea into practice -- each from their own respective fields of expertise. While Netzer is an expert in bacteria, Colmenares is an electrochemist with a knowledge of, and interest in, water purification.
Today, they have a small demonstration plant bubbling away in the lab -- efficiently exploiting the bacterias' ability to purify dirty water and generate electricity. The wastewater comes from the local Tine dairy and is rich in organic acids, which are ideal for this process. But this is not essential -- other types of wastewater work just as well.
"At the moment, we're not talking about producing large volumes of energy," says Netzer. "But the process is very interesting because water purification processes are very energy-demanding using current technology. We're particularly pleased at being able to produce just as much energy using low-cost materials as others are achieving using much more expensive approaches," he says.
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