한국에너지기술연구원 “광주바이오에너지연구개발센터” (문명훈 박사)

연구실 개요

한국에너지기술연구원의 광주바이오에너지연구개발센터(Gwangju Bio/Energy R&D Center)는 탄소 중립 기술 개발을 통해 당면한 기후변화 위기에 대응하고 에너지 자립 기술 개발로 국가 경쟁력 강화에 힘쓴다. 그리고 지역 분원으로서 광주지역 내 신재생 에너지산업 육성 지원을 통하여 지역 주도의 혁신 성장 실현을 목표로 하고 있다.
광주바이오에너지연구개발센터에서 BT(생명공학) 기반 바이오에너지 기술개발을 주 임무로 수행하는 바이오 그룹 중 문명훈 박사 연구팀은 산업적으로 유용한 물질 및 바이오에너지 생산을 위한 생물공정 개발에 주력하고 있다. 대표적인 연구 분야로는 물질 전달 개선을 위한 생물반응기 구조 설계, 미생물 배양공정 최적화, 상용화를 위한 반응기 스케일업과 같은 생물공학 및 화학공학의 지식을 기반으로 한 바이오 프로세스 개발이 있다.
최근에는 비전통적인 원료인 가스를 이용하는 가스 발효 공정 개발에 집중하고 있다(그림 1). 특히, 수용액에서 낮은 가스의 용해도 및 기-액 물질 전달 한계를 극복하여 목적 산물 농도와 생산성을 증대시키기 위한 생물 반응시스템 개발 연구에 집중하고 있으며, C1 가스 리파이너리 사업단에서는 생물학적 CO 가스 활용을 통한 C2 제품생산용 세미파일럿 규모 반응시스템 및 분리/정제 통합공정시스템 개발 연구를 수행하고 있다.

주요 연구내용 소개

(1) 가스 발효 내 기-액 물질 전달 개선

가스 발효는 미생물을 이용하여 기체 기질을 유용한 물질로 전환하는 생물공정을 말한다. 기질로 사용될 수 있는 가스는 일산화탄소(CO), 메탄(CH₄)과 같은 C1 가스가 대표적이며 CO 가스의 경우 우드-륭달 대사회로(Wood-Ljungdahl pathway)를 가지고 있는 아세토젠(acetogen)을 통해 다양한 바이오 화학물질로의 전환이 가능하다. 또한, 산업 부생가스 내 CO 가스를 기질로 활용하여 고부가 유용물질을 생산하면 전 세계적으로 관심이 높은 온실가스 감축 효과도 있다. 하지만 당(sugar)을 사용하는 전통적인 발효와 다르게 배지 내에서 용해도가 낮은 가스를 원료로 사용하기 때문에 별도의 기-액 물질 전달 개선을 위한 노력 없이는 가스 발효를 이용한 효율적인 미생물의 생장 및 목적 산물의 농도 증가는 기대하기 어렵다. 따라서 본 연구팀은 미생물의 가스 발효를 성공적으로 수행하는 데 필요한 기-액 내 물질 전달 향상을 위한 연구를 집중적으로 진행하고 있다(그림 2&3).

가스 발효에 사용되는 생물반응기의 구조는 교반식, 기포탑, 공기 부양식, 멤브레인 생물반응기 등으로 나눌 수 있으며 반응기의 종류는 미생물 배양 효율 및 더 나아가 공정가격에까지 영향을 미친다. 따라서 생물반응기의 형태를 미생물의 특성에 맞게 선정하고 기-액 물질전달에 영향을 미치는 반응기의 요소들을 고려하여 최적화하는 연구도 수행 중이다(그림 4).

(2) 반응기 스케일업 및 통합시스템 개발

본 연구팀은 앞서 소개한 기-액 물질전달 개선 연구뿐 아니라 공정 기술의 상용화를 위한 필수적인 과정인 스케일업 연구도 진행하고 있다. 우선 랩 스케일에서의 미생물 발효 연구를 바탕으로 공정 스케일업에 필요한 인자들을 파악한다(그림 5). 그리고 스케일업을 통해 인자들을 개선 및 보완하는 것과 함께 자동화 기술을 접목하여 가스 발효 공정 표준화 기술 개발에 힘쓰고 있다(그림 6). 또한, 미생물 반응시스템과 더불어 산물을 직접적으로 회수하는 분리/정제 시스템에 관한 연구들도 앞으로 진행할 예정이며 나아가 TRL6 수준의 세미파일럿 규모 통합시스템 운전 및 목적 산물 분리/정제를 동시에 달성할 수 있는 올인원 패키지를 완성하리라 기대한다.

연구실 현황

한국에너지기술연구원 광주바이오에너지연구개발센터 내 바이오 그룹은 책임연구원 1명, 책임기술원 1명, 선임연구원 5명, 기술원 1명, 박사후연구원 1명, 박사과정 2명, 석사과정 5명으로 구성되어 있다. 최근 3년간 20여 건의 SCI(E)급 논문을 게재하였으며 다수의 특허 또한 출원 및 등록 중이다. 문명훈 박사 연구팀은 과학기술정보통신부 지원사업인 “C1 가스 리파이너리 사업단”에 소속되어 “생물학적 CO 가스 활용 C2 제품 생산 공정시스템 개발” 연구를 한창 진행하고 있으며, “CO 가스 이용 및 산물 증대 미생물 촉매 개발” 연구를 진행 중인 광주과학기술원 장인섭 교수님 연구팀과도 긴밀하게 상호 협력하여 연구를 수행하는 중이다. 이 외에도 센터에서는 이산화탄소 전환 생촉매 기반 바이오 리파이너리 기술 개발 관련 기초 연구부터 바이오수소 플랜트 운영 최적화 시스템 개발을 통한 산업적 응용까지 폭넓은 연구를 통해 당면한 기후변화 위기에 선도적으로 대응하며 바이오 기반 에너지 관련 연구 분야의 선도 그룹으로 거듭나고자 힘쓰고 있다.