부산대학교 화공생명공학부 바이오에너지 & 생물공정 김중래 교수 연구실 개요

부산대학교 화공생명공학부 바이오에너지 & 생물공정연구실 (Bioenergy & Bioprocess Laboratory)에서는 생물전기화학적 전환공정을 통해 산업 폐가스의 주요성분인 C1 가스중 일산화탄소 (carbon monoxide)로 부터 유용 화학전구물질을 생산하는 연구를 진행하고 있다. 일산화탄소의 전환 효율과 수율증대를 위해, 필요한 환원력의 공급을 수소나 추가적인 환원당의 형태가 아닌, 전극을 통해 직접 전달하는 생물전기화학반응 시스템 기반 신개념 일산화탄소 전환공정 개발과 더불어 최적화된 미생물 균주 분리·동정 연구를 함께 진행하고 있다. 이러한 생물전기화학반응 개념은 실시간 일산화탄소 전환 미생물 검출 방법에도 활용되어, 기존의 방법에 비해 빠른 속도로 일산화탄소 전환 미생물 동정에 적용될 수 있다. 또한 일산화탄소 생물전환의 생성물인 다양한 유기산의 분리 및 이를 고부가가치 화학전구물질로 전환하는 연구도 함께 진행하고 있다.

주요 연구내용 소개

생물전기화학반응기를 이용한 일산화탄소 전환 성능 개선 연구

일산화탄소의 acetyl-CoA로의 전환 반응은 acetogen에 포함된 Wood-Ljungdahl Pathway를 활용하는데, 이때 acetyl-CoA로의 전환 효율은 외부에서 공급되는 환원력이 높을 수록 더 높은 전환효율 및 탄소 회수율을 보이게 된다. 기존의 산업 폐가스 내 일산화탄소/이산화탄소의 전환 반응에 사용되는 환원력은 보통 수소의 형태로 공급이 되고 있으나, 수소의 용해도가 낮고 일산화탄소에 의한 hydrogenase의 저해 효과때문에 전환효율이 떨어지는 단점을 보인다. 본 연구실에서는 생물전기화학반응기의 전극을 통해 직접적으로 전달함으로써, 높은 CO전환 효율과 전환 속도 향상에 관한 연구를 수행하고 있다.

고효율 일산화탄소 전환 미생물 분리

고효율의 일산화탄소 전환 미생물의 분리를 위해, 다양한 미생물 군집으로부터 신균주 분리를 시도하고 있다. 기존의 방법과는 달리, 추가적인 환원력 공급을 통해 고효율의 일산화탄소 전환 가능성을 가진 미생물을 분리하는 연구를 진행 중이다 (그림 1).

실시간 일산화탄소 전환 효율 분석법 개발

생물학적 일산화탄소 전환의 첫 번째 단계인 일산화탄소 탈수소효소는 산화-환원 반응이 세포내에서 일어나므로, 적절한 전자전달체와 전기화학적 방법을 통해 분석이 가능할 것으로 판단된다. 이를 활용하여, 다양한 일산화탄소 전환 미생물과 각 반응의 조건에 따라 일산화탄소 탈수소효소의 활성을 전기화학적 분석방법에 의해 실시간으로 측정하는 기술에 대한 연구가 진행중이다.

일산화탄소 기반 생성 유기산 전환 연구

일산화탄소는 Wood-Ljungdahl Pathway를 통해 일차적으로 아세트산으로 전환되며, 비교적 용이하게 생산될 수 있다. 그러나 아세트산의 산업적 활용도는 극히 떨어져, 고부가가치의 물질로 추가전환할 수 있도록 하는 연구가 필요하다. 대사공학기술을 통해 균주의 느린 성장속도 및 기질 전환속도를 생물전기화학반응 시스템과 접목해 아세트산으로 부터 고부가가치 대사산물의 생산을 시도하는 연구가 진행 중이다.