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수소생산의 새로운 대안 ‘해양 바이오’ ① 미생물 이용 수소생산? 세계 최초 대량 수소생산 ‘눈앞’

2002년 남태평양 심해서 수소 생산성 높은 미생물 ‘NA1’ 발견
NA1 균주 활성 연구 통해 수소 생산성 100배 이상 향상
파일럿 플랜트 구축해 제철소 부생가스 활용 수소생산 성공
연간 330톤급 바이오수소 실증 플랜트로 경제성·안전성 검증


[월간수소경제 이종수 기자] 현재 수소를 생산하는 방법은 석유화학단지를 중심으로 생산되는 부생수소, 천연가스나 LPG 등 화석연료에서 수소를 추출하는 방식, 그리고 태양광·풍력 등 재생에너지 발전을 이용한 수전해 수소생산 방식이 있다.


그런데 미생물을 이용해 수소를 만든다? 무척 생소하게 느껴지지만 실제로 가능한 일이다.


미생물은 육안의 가시 한계를 넘어선 0.1mm 이하의 크기인 미세한 생물로, 주로 단일 세포나 균사로 몸을 이루며, 생물로서 최소 생활단위를 영위한다. 지구상 어느 곳에나 존재하며, 우리 몸속에도 수많은 미생물이 살고 있다.


미생물은 식품, 의약품 등 생산공업이나 생물자원, 수질 환경 및 토양의 지력보존 등에 이용된다.


이러한 미생물을 촉매로 이용해 수소를 생산하는 길이 열렸다. 국내 연구진이 10여 년 이상의 연구 끝에 세계 최초로 개발한 것이다. 특히 해양 미생물을 이용한 친환경 수소생산 기술이면서도 국내만 가지고 있는 독보적인 원천기술이라는 점에서 의미가 크다.


지난달 연간 2,200대의 수소전기차를 충전할 수 있는 양의 수소를 생산할 수 있는 ‘해양 바이오 수소 실증 플랜트’가 완공돼 해양 바이오 수소의 대량생산이 꿈이 아닌 현실로 다가오게 됐다. 미생물은 번식력이 있기 때문에 한 번 채취한 미생물을 배양하면 이를 이용해 지속적으로 수소를 생산할 수 있는 장점이 있다. 


정부가 지난 1월 발표한 ‘수소경제 활성화 로드맵’에도 추출 수소 생산 방식의 다양화 차원에서 해양 바이오 수소생산 기술이 포함돼 있다. 이번에 해양 바이오 수소 실증 플랜트가 본격 운영에 들어감으로써 해양 바이오 수소생산 기술이 추출 수소의 새로운 한 축을 차지할 것으로 기대를 모으고 있다.   

       
해양 미생물 ‘NA1’, 넌 어디서 왔니?
지난 2002년으로 거슬러 올라간다. 이정현 한국해양과학기술원(KIOST) 박사(해양생명공학연구센터) 연구진은 해양 탐사선 온누리호를 타고 파푸아뉴기니 인근 남태평양 심해를 탐사하던 중 마치 스팀이 뿜어져 나오는 것 같은 모습을 포착했다. 심해에 있는 미생물에서 뿜어져 나오는 것이었다. 



지난달 실증 운영에 들어간 해양 바이오 수소생산 실증 플랜트에 실제 이용된 해양 미생물 ‘NA1’이 처음으로 세상에 드러난 것이다. 이 미생물은 63~90℃의 초고온에서 성장이 가능한 심해 극한미생물이며, 고(古)세균(archaea)의 일종으로 수심 1,650m 깊이 심해열수구 근처에서 채취됐다. ‘학명’으로는 ‘써모코커스 온누리누스 NA1(Thermococcus onnurineus NA1)’으로 불린다.


지금까지 알려진 미생물 중 가장 많은 수소화 효소군(7종)을 보유해 생촉매로 사용할 수 있는 미생물 중 최대의 수소 생산성을 보인다. NA1은 일산화탄소(CO)를 먹고 바닷물을 분해해 수소를 만들어낸다.


‘NA1’ 수소 생산성 대폭 향상
연구팀은 NA1의 높은 수소 생산력을 가진 것을 확인하고 생화학적 매커니즘을 밝혀내는 데 노력했다. 이와 함께 해양수산부는 KIOST와 함께 2009년부터 ‘NA1’을 이용해 바이오 수소를 생산하는 원천기술 개발을 추진해 왔다.  


KIOST의 강성균·이정현 박사팀은 2010년 초고온성 해양 미생물 ‘NA1’이 일산화탄소(CO), 개미산과 물의 화학반응을 촉진하는 촉매로 작용해 수소를 만들어내는 기작을 세계 최초로 규명하는 데 성공했다. 이러한 내용은 지난 2010년 9월 세계 최고 권위의 과학 학술지인 Nature지에 게재돼 전 세계 미생물 과학자들의 큰 관심을 모았다. 


강성균 KIOST 박사는 “NA1 세포막에는 서로 다른 환원물질을 흡수하는 수소화 효소가 무려 7가지나 존재해 다양한 방법으로 수소를 생산한다”라며 “독성이 없는 일산화탄소의 경우 세포막을 투과해 들어와 탈 수소화 효소에 의해 물 분해 과정으로 이산화탄소와 2개의 수소 이온과 전자로 분리되며, 일부 수소 이온은 이온 통로를 통해 세포막 외부로 나간 후 다른 이온 통로를 통해 다시 내부로 들어오게 되고, 수소화 효소에 의해 수소가스를 생성한다. 이때 수소 이온과 교환되어 외부로 나간 나트륨 이온은 생체 에너지(ATP) 생성에 이용되고, 생성된 ATP를 이용해 고세균이 성장하게 된다”고 설명했다.


연구팀은 NA1의 산업적 활용을 위해 공정기술과 아울러 균주의 활성 및 활용도를 제고하는 연구를 진행해 왔다. 레셔널(rational) 디자인을 통해 수소 생산력을 극대화하는 한편 어뎁티브(adaptive) 에볼루션(evolution)을 통해 산업 부생가스 처리의 최적화된 균주를 개발해 왔다.


연구진은 지난 2011년부터 2014년까지 KIOST 내에 소형 플랜트를 구축, 제철소 부생가스(CO 포함)를 활용해 수소를 생산하는 데 성공했다. 수소 생산성을 높이기 위해 부생가스 처리에 최적화된 NA1도 개량해 수소 생산성이 기존 0.2kg/kL/day에서 12kg/kL/day로 60배나 증가했다.


현재 최종 개발된 균주는 2002년 최초 발견된 야생 균주 대비 성장 속도는 5배 이상, 수소생산성은 100배 이상 향상됐다.


또한 2015년부터 2017년까지는 당진제철소의 부생가스를 이용하는 파일럿 플랜트(1톤 규모, 5kg/일)를 구축해 수소를 장기간(1개월 이상) 연속적으로 생산하는 데에도 성공했다.


이러한 개발 과정에서 KIOST는 한국에너지기술연구원, 고등기술연구원 등과 협력해 NA1 분리·배양, 유전체 분석, 수소생산 기작, 균주개량, 바이오수소 생산 최적화 등 모든 공정의 특허권을 보유하게 됐다. 2017년까지 미국 등 국제 특허 7건, 국내 특허 15건 등 총 22건에 달한다.


해양 바이오 수소 대량 생산기술 확보
해수부는 지금까지의 연구 성과를 바탕으로 2017년부터 해양 바이오 수소 생산기술 상용화를 위해 기존 파일럿 플랜트의 약 100배 규모에 달하는 데모 플랜트 구축에 나섰다. 이 플랜트가 바로 지난달 준공식을 가진 ‘해양 바이오수소 생산 실증 플랜트’이다. 해수부가 지난 2009년부터 올해까지 총 340억 원을 투자해 개발한 ‘바이오 수소 생산기술’을 적용한 설비이다.




실증 플랜트가 본격적으로 가동되면 연간 약 330톤(1톤/일)의 수소를 생산할 수 있다. 이는 약 2,200대의 수소전기차를 운행할 수 있는 규모이다.


이번 실증 연구는 플랜트 설계 전문 기업인 ㈜경동엔지니어링이 주관하고 고등기술연구원, ㈜제일엔지니어링, 한국해양과학기술원, 한국서부발전이 협동기관으로 참여하고 있다. 한국서부발전이 플랜트 부지를 제공했고, 수소생산 원료인 합성가스도 공급한다. 


경동엔지니어링은 지난해 10월 플랜트 건설에 착공해 올해 9월 플랜트 구축을 완료했다. 약 1개월간 시험 운전을 거쳐 수소 생산기술을 실증했다. 향후 6개월 이상 장기간 연속 운전을 통해 플랜트의 경제성 및 안전성을 검증할 계획이다.


아울러 플랜트 설계·운영에 관한 특허권까지 확보해 수소 공급뿐만 아니라 플랜트 수출을 통한 고부가가치 창출형 비즈니스 모델까지 개발할 계획이다.




한국서부발전 태안발전본부(주)의 300MW급 석탄가스화 복합화력 실증 플랜트(IGCC) 인근에 구축된 이번 해양 바이오 수소 실증 플랜트는 실험실 수준을 넘어 상용화 가능성을 확인해 볼 수 있는 규모(약 1톤/일)까지 바이오 수소 생산기술 개발이 진행된 첫 사례이다.

 
NA1이 수소를 만들어내기 위해서는 에너지원으로써 반드시 CO가 포함된 합성가스가 필요함에 따라 서부발전 태안발전본부 IGCC 설비에서 석탄에 적은 양의 산소를 공급해 부분 연소시켜 만든 원료가스(합성가스, 주성분: CO, 수소)를 공급받은 뒤 정제하여 순도 99.8%에 달하는 수소를 생산할 수 있다.






실증 플랜트는 부산물 저장부, 해수저장부, 열교환부, 균주관리부, 반응조, 수소 정제부, 수소가스 저장부로 구성돼 있다.


최초 해수 탱크에서 출발한 해수는 열교환기를 통해 균주의 최적 온도인 80℃로 가열되어 균주 배양·반응기로 들어가 균주와 혼합되어 반응조로 이동한다. 발전소에서 나온 일산화탄소 역시 열교환기를 통해 가열된 상태로 반응조에 주입된다. 균주의 활동으로 수소가 발생하는 반응조는 내부와 외부에 고온 파이프가 설치되어 전 영역에서 균주가 왕성한 활력을 가질 수 있는 80℃의 온도를 유지한다.


한편 균주의 정상적인 생장을 위해서는 부생가스 이외에도 해수와 양분의 지속적인 공급이 필요한데 고온의 해수에 효모(yeast)를 녹인 용액을 반응조에 주입해 반응조 내 영양 조건이 일정하게 유지될 수 있도록 자동으로 조절한다.




생산된 수소가스는 거품 제거장치 및 냉각기, 응축기를 통해 최종적으로 탱크에 저장되며, 향후 수소전기차, 연료전지 발전설비, 수소충전소 등에 활용될 수 있다.


해양 바이오 수소 실증 플랜트는 환경오염을 유발하지 않으면서 수소를 지속 생산할 수 있는 설비로, 앞으로 상용화 연구를 통해 경제성까지 확보한다면 수소경제를 주도할 차세대 에너지원으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.


이협희 경동엔지니어링 부사장은 “이번 해양 바이오 수소 실증 플랜트는 향후 단순 스케일업만으로도 본격적인 상업생산이 가능한 연속 생산시설로, 경제성 측면에서도 가격경쟁력을 확보할 수 있도록 설계되어 있으며 앞으로 사업성을 검증할 예정”이라며 “실용화 단계에선 발전소, 제철소의 폐열을 이용해 가열에너지로 사용하고, 특히 폐기물의 경우 자체로 일산화탄소를 생산 공급하도록 연계해 환경보호와 경제성을 동시에 확보하도록 고안됐다”고 설명했다.


이 부사장은 이어 “해수 대신 담수에 천일염을 혼합한 인공해수도 이용하게 함으로써 해안이 아닌 내륙의 바이오 수소 생산설비 운영도 검증할 예정”이라고 말했다.


해수부는 해양 바이오 수소 생산기술의 경제성 확보를 위한 후속 사업 기획연구(해양수산 수소기술개발사업, 1,500억 원, 2021~2030년)를 추진하기 위해 내년 1분기에 예비타당성 조사를 신청할 예정이다. 


오운열 해양수산부 해양정책실장은 “해양 바이오 수소 생산기술을 지속 개발하고 공급 기반을 확대하기 위해 산업 부생가스 외에 폐자원 등을 원료로 활용하는 방안 등에 대한 후속 연구를 지속 추진해 나갈 계획”이라고 밝혔다.


<기고 | 강성균·이정현·이현숙 박사(한국해양과학기술원 해양생명공학연구센터)>


“해양 바이오수소 실용화 연구에 매진할 것”

데모 플랜트 실증 및 안정적 연속운전 등 연구개발 ‘최선’


전 세계적으로 화석연료 자원고갈 및 기후변화협약 등으로 에너지 패러다임 변화에 대한 관심이 증가하고 있다. 이에 따라 친환경적인 수소에 대한 수요와 투자가 증가하고 있다. 수소는 현재 국내에서 190만 톤 이상 생산되고 있는데 대부분 천연가스 개질화 등 화석연료에 의존한 수소생산이 주류를 이루고 있다.


지속적인 관점에서 장기적으로 신재생 자원을 이용한 수소생산 기술개발이 필요하다. 미생물을 핵심촉매로 사용한 바이오 수소생산은 그 대안의 하나로서 연구투자가 꾸준히 이루어지고 있다.


생물학적 수소생산 방법은 비교적 저온·저압 조건에서 생산이 이루어지고, 원료 물질로써 물, 바이오매스, 유기성 폐자원과 같은 재생자원을 사용해 지속적인 수소생산이 가능한 장점을 가지고 있다.


바이오 수소생산 연구는 1800년대부터 시작되었으나 본격적인 연구는 전 세계적인 에너지 위기를 겪은 1970년대에 활성화되었다. 이후 잠시 침체기를 거쳤고, 1990년대 이후 글로벌 환경문제에 대응하기 위한 전략의 일환으로 다시 활성화되고 있다.


초고온성 고세균 해양 미생물 ‘NA1’
태양을 에너지원으로 이용하는 광합성 미생물, 유기성 탄소원을 이용하는 혐기성 미생물 등 다양한 미생물을 이용한 바이오 수소 연구가 이루어지고 있다. 그러나 낮은 수소생산성과 효율로 인하여 상용화 수준까지 개발된 경우는 아직 없다. 그래서 전 세계적으로 많은 연구기관들이 낮은 생산성 등의 문제를 해결하는 원천기술 개발에 힘쓰고 있다.


한국해양과학기술원(KIOST)은 해양환경의 미생물 다양성을 바탕으로 수소 생산성이 우수한 해양 미생물을 발굴하고 생명공학 기술을 접목하여 바이오 수소 생산성 향상을 위해 노력해왔다.


그 중에서 지난 2002년 남태평양 파푸아뉴기니 인근의 심해 열수구(수심 1,650m)에서 세계 최초로 발견하여 보고한 초고온성 고세균 ‘써모코커스 온누리누스(Thermococcus onnurineus) NA1’(이하 ‘NA1’) 미생물을 이용한 연구 성과를 소개한다. 


NA1은 고(古)세균(archaea)의 일종으로서 63~90℃의 온도에서 성장이 유리한 극한미생물이며, 수소생산에 유리한 조건을 가지고 있다.


해수부의 해양 극한생물 유전체연구단 사업을 통해 2004~2007년에는 NA1 염색체의 유전체 연구를 통해 NA1 미생물이 수소를 만드는 핵심 생촉매인 수소화 효소를 7개나 함유하고 있다는 사실을 확인했다. 당시에 알려진 미생물 중에서 세계 최다의 수소화 효소를 함유하고 있는 독특한 특성을 발견한 것으로, 이러한 연구 결과는 국제학술지에도 게재(Nature 2010, PNAS 2014, Biotech Advances 2015)됐다. 




7개의 서로 다른 수소화 효소는 각각 다른 특징을 가지고 있어서 단백질, 전분, 과당, 유기산 등 다양한 유기물을 활용해 수소생산이 가능할 뿐만 아니라 일산화탄소와 개미산 등 하나의 탄소 분자로 이루어진 원료 물질을 이용할 수도 있다는 것을 확인했다.


특히 일산화탄소, 개미산을 이용하는 경우 수소생산과 동시에 발생하는 생체에너지(ATP)를 이용하여 세포가 성장하는 특성이 있다는 것을 밝혔다. 또 수소 이온이 최종 전자 수용체로서의 역할을 하는 독특한 분자적 기전과 다른 미생물에 비해 월등한 수소 생산성을 보유한 점도 밝혀냈다.


바이오 수소생산 원천기술 개발
다양한 원료 물질 중 일산화탄소는 제철소, 발전소 등 다양한 산업공정에서 산업가스로 부생되므로 NA1의 높은 수소 생산성을 적용할 수 있다면 바이오수소 생산에 있어서 경제성을 확보할 수 있을 것으로 예측되었으며, 산업 부생가스를 활용하는 차원에서도 의미가 있을 것으로 판단되었다.


이러한 비전을 바탕으로 지난 2009년부터 해양수산부 해양생명공학기술개발사업의 일환으로 해양 고세균 이용 바이오수소 생산 원천기술 개발이 시작되었다. 야생형 NA1도 높은 수소 생산성을 가지고 있었지만 수소 생산성을 더욱 증진시키기 위해 유전공학, 대사공학 방법을 적용하여 개량을 시도한 결과 2002년 발굴된 NA1 야생형에 비해 성장 속도 5배, 수소 생산성 100배 이상 증진된 우수 균주를 개발하는 데 성공했다.




또한 한국에너지기술연구원, 고등기술연구원, 대학 등 전문 연구기관과 협력해 일산화탄소가 포함된 산업가스의 효과적 전환이 가능한 생물반응기, 가스전환·생산 프로세스를 개발해 세계최고 수준의 바이오수소 생산성을 확보했고, 해양 고세균 이용 수소생산 원천기술을 개발할 수 있었다.


원천기술 실증 및 실용화 연구
개발된 원천기술을 산업현장에서 실증하기 위해 지난 2016~2017년에는 당진제철소와 협력해 제철소 부생가스를 활용해 바이오 수소를 생산하는 파일럿 플랜트를 구축했고, 세계 최초로 산업 부생가스를 활용한 바이오 수소 연속 생산 실증(1개월 이상)에 성공했다.


이러한 결과를 바탕으로 현재는 해양수산부의 지원으로 (주)경동엔지니어링이 주관이 되어 바이오수소 실용화 기술이 개발되고 있다.


핵심촉매 NA1의 분리·배양, 수소생산 기작, 우수 균주 개량, 바이오수소 생산 프로세스, 공정설계 등 바이오수소 생산의 핵심기술에 대한 노하우 및 특허권을 우리나라의 연구기관에서 보유하고 있기 때문에 해외 수출이 가능할 것으로 기대된다.


향후 실용화 기술개발의 성공을 위해 데모 플랜트 실증, 안정적 연속운전 기술개발, 현장에서 발생할 수 있는 다양한 문제에 대한 진단 및 해결, 운영비 절감 연구 등 추가적인 연구 개발에 최선을 다할 계획이다.




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