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미생물 연료전지
미생물 연료전지(微生物燃料電池, microbial fuel cell, MFC, microbial desalination cell)는 세균을 사용하여 자연에서 볼 수 있는 세균의 상호작용을 모방함으로써 전류를 끌어들이는 생물전기화학 시스템이다. 생물학적 연료전지로 불리기도 하며 영문으로는 줄여서 MFC라고 칭한다. BES(Bioelectrochemicalsys tem)의 한 종류로 모든 세포에서 부터 특정 효소에 이르기까지 다양한 생촉매(biocatalyst)를 이용하는 장치이며, 미생물을 촉매로 이용하여 유기물로 부터 전자를 받아 다양한 전자 수용체로 전달하는 장치로 대상물질의 화학에너지를 전기에너지로 전환하는 장치를 의미한다.
미생물 연료전지는 유기오염물질 이외 다양한 환경오염원의 제거가 가능하며 독성 물질의 유입에 따른 경보장치의 활용 가능성 및 폐수로부터 전기를 생산할 수 있는 장치로 많은 연구자들로부터 큰 관심을 받고 있다.
개요[편집]
미생물 연료전지는 유기물의 화학 에너지를 미생물을 이용하여 전기 에너지로 변환하는 생물 전기화학 시스템이다. 미생물 연료전지의 원리는 수소 연료전지와 유사한데, 수소 대신 유기물을 사용하고 백금 촉매 대신에 미생물을 사용한다는 점이 다르다. 미생물이 유기물을 분해하는 과정에서 발생하는 전자와 수소 이온이 양극과 음극을 오가며 전기를 발생시키게 된다.
미생물 연료전지는 크게 '매개성 미생물 연료전지'와 '비매개성 미생물 연료전지'로 나눌 수 있다. 매개성(mediated) 미생물 연료전지는 미생물 세포의 세포막을 통과하여 전자를 양극으로 이동시키는 화학물질(매개체)을 이용하여 전기를 생산하는 연료전지이다. 비매개성(unmediated) 미생물 연료전지는 미생물 세포의 외막에 존재하며 전기화학적으로 활성화된 '산화환원 단백질'을 이용하여 전자를 직접 양극으로 전달하여 전기를 생산하는 연료전지이다.
미생물 연료전지는 미생물이 유기물을 단순한 형태로 분해하는 산화환원 과정을 이용하기 때문에 자연에 있는 모든 유기물을 이용하여 전기를 생산할 수 있다. 따라서 미생물 연료전지는 폐기물 속 유기물∙식품 가공 과정에서 발생하는 폐기물과 폐수∙축산 폐수∙산업 폐수와 같은 다양한 폐수 및 오염물을 처리할 수 있어 하수 및 폐수 처리를 위한 주요 대안으로 부상하고 있다.
오늘날 전 세계는 화석연료의 과도한 사용으로 환경오염이 심해지고 있어 많은 사람들이 청정 재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 미생물 연료전지는 주로 오수나 폐수 속에 포함된 유기물을 이용하여 전기를 생산하므로 환경오염 물질의 제거, 오폐수 처리 비용의 절감, 전기 에너지의 생산 등의 면에서 미래의 그린 에너지원으로 주목을 받고 있다.
반면 미생물 연료전지는 사용할 수 있는 미생물이 제한적이고 발전 성능이 매우 낮다는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 다양한 미생물을 사용하여 단위 면적당 미생물의 밀도를 높이거나, 또는 값싸고 효율적인 전극을 사용하여 전극의 표면적을 넓혀 효율성을 높이려는 연구가 진행 중이다. 또한, 나노기술을 활용하여 에너지 밀도를 높이고 발전 성능을 향상시켜 미생물 연료전지의 활용성을 높이려는 연구도 활발히 진행되고 있다.
원리[편집]
미생물연료전지는 소위 전기화학 활성 박테리아로 지칭되는 특정 미생물을 생촉매로 이용한다. 미생물 연료전지는 크게 산화전극부와 환원전극부로 구성되어 있으며 분리막에 의해 분리된다. 미생물 연료전지에서 기질의 생분해는 혐기성 조건으로 운전되는 산화전극부에서 일어나며, 이 과정 중에 수소이온과 전자가 생성된다. 생성된 수소이온과 전자는 각각 분리막과 외부회로를 통해 산화전극에서 환원전극으로 이동하게 되는데, 이때 수소이온은 환원전극부 내 존재하는 산소와 같은 최종 전자 수용체와 결합함으로써 물이 생성되며, 동시에 외부 회로에서의 전자의 이동으로 전기가 생성된다.
미생물 대사과정에서 발생한 전자를 세포 체외에 존재하는 전극에 전달함으로써 전기를 발생하며 많은 연구자들에 의해 알려진 전자전달 과정은 오른쪽과 같다.
유래 및 주요 활용 미생물[편집]
미생물을 활용하여 전류를 생산한다는 아이디어는 이미 20세기 초반에 Michael C. Porter에 의해 제안되었으며, 그 당시에는 많은 관심을 끌지는 못하였으나 차츰 발효 과정에서 발생되는 물질들을 전지의 음극으로 활용하는 것에 관심이 커지면서 널리 연구되기 시작하였다. 매질 및 미생물의 종류에서부터 미생물의 영양원에 이르기까지 다양한 연구가 진행되어 왔으며, 이에 따라 생물막(biofilm)을 기반으로 하거나, 매개체(mediator)가 없거나, 다른 종류의 membrane을 활용하는 등 다양한 종류의 미생물 연료전지가 제안, 연구되고 있다. 그 형태에서 따라서 다양한 미생물 혹은 미생물 군집을 활용하지만, 주로 Geobacteracea, Shewanella, 또는 Aeromonas에 속하는 균주들이 미생물 연료전지에 널리 활용되는 주요 미생물로 알려져 있다. 이 균주들은 음극에서 직접적인 접촉을 통한 전자 전달이 가능하다고 알려져 있으며, 이는 전기화학적 활성을 나타내는 단백질이 세포의 외부 표면에 존재하기에 가능한 것으로 보고 되었고, 또한 선모(pili)라고 하는 구조 역시 전자의 전달에 기여하는 것으로 밝혀졌다.
연구 및 적용 분야[편집]
미생물 연료전지의 경제성을 향상시키기 위하여, 가축의 축산 분뇨 등을 포함한 폐수를 미생물의 발효기질로 활용하여 전류 생산 및 폐수처리를 동시에 달성하는 기술이 제안된 바 있다. 그러나, 이러한 폐수 및 축산 분뇨를 적용한 미생물 연료전지 구동의 경우 병원균의 유입 가능성에 대해서 면밀히 검토되어야 그 산업적 적용이 가능할 것으로 예상되며, 이와 함께 안정적인 수처리를 위해서 실온 이상의 온도 조건이 유지되어야 한다는 점도 향후 기술의 산업화에 주요한 걸림돌로 작용할 것으로 여겨진다. 그럼에도 낮은 전력을 요구하는 곳에서 미생물 연료전지를 활용하는 것은 실현 가능할 것으로 여겨지고 있으며, 기존의 전지를 완전히 대체하는 대신 전력 그리드에 포함되는 요소로 미생물 연료전지를 활용한다고 가정할 때, 그 적용 분야는 제한적이지 않을 것으로 예상된다. 또한, 유기물을 활용한 전류 생산뿐 아니라, 폐수에 존재하는 유기물의 양이 미생물 연료전지에서 생산되는 전류와 비례한다는 점에 근간을 두어 생화학적 산소 요구도(Biochemical Oxygen Demand) 센서로의 활용 가능성을 인정받고 있다.
참고자료[편집]
- 미생물 연료전지의 하폐수처리 및 기타 응용분야 - file:///C:/Users/sms/Downloads/Konetic_Report_2016-045%ED%98%B8(2016.11.06.)_%EB%AF%B8%EC%83%9D%EB%AC%BC_%EC%97%B0%EB%A3%8C%EC%A0%84%EC%A7%80%EC%9D%98_%ED%95%98%ED%8F%90%EC%88%98%EC%B2%98%EB%A6%AC_%EB%B0%8F_%EA%B8%B0%ED%83%80_%EC%9D%91%EC%9A%A9%EB%B6%84%EC%95%BC%20(1).pdf
- 〈미생물 연료전지〉, 《미생물학백과》
- 〈미생물 연료전지〉, 《두산백과》
같이 보기[편집]
