목차 다가서다 폐수에대한새로운패러다임시대, 폐수에서답을찾다. 미생물연료전지란? 들어는봤나, 미생물연료전지일석삼조의친환경적인기술, 미생물연료전지미생물연료전지, 어디까지활용해봤니? 하폐수처리장에서만나본미생물연료전지상용화, 당장은불가능한가? 미우나고우나그래도미

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1 글챌동아 2012년호 미생물 연금술사 특별판 물 재이용관련 산업 급 신장 세계 과학계 물부족난을 해결하기 위한 물 재이용 시장이 커지고 있다 미생물의 중요성 인식 재고 미생물 연료전지에 대한 국내, 해외 연구진과의 인터뷰 하폐수 처리의 혁신적인 기술 개발 변기에서 꿈을 꾸지 않으면 아무것도 이룰 수 없다 빛을 찾다 기술 개발과 투자 DO IT!

2 목차 다가서다 폐수에대한새로운패러다임시대, 폐수에서답을찾다. 미생물연료전지란? 들어는봤나, 미생물연료전지일석삼조의친환경적인기술, 미생물연료전지미생물연료전지, 어디까지활용해봤니? 하폐수처리장에서만나본미생물연료전지상용화, 당장은불가능한가? 미우나고우나그래도미생물연료전지! 전문가를만나다 전문가의시각에서바라보다국내탐방세계의주목, 미생물연료전지미국에가다해외탐방 제안하다 정부에게제안하다연구진에게제안하다기업에게제안하다사회에제안하다 편집후기 & 참고문헌 54

3 다 다가서다 가 서 다 폐수에대한새로운패러다임시대, 폐수에서답을찾다.

4 1 다가서다 폐수에대한새로운패러다임의시대! 폐수에서 물부족 과 재생에너지원 의답을찾다. 폐수를자원으로활용할수있다면? 인류가생존하는한폐수는끊임없이발생한다. 폐수를에너지원으로이용할수있다면그가치는이루말할수없다. 폐수를활용한다는것은크게두가지의의미를갖는다. 첫째, 한정된수자원을효과적으로물순환형체계를구축둘째, 폐수는전기, 연료, 화학물질생산을위한재생가능한자원따라서, 미래하수처리시설은다가오는 21세기물전쟁시대를대비한물재생체계구축과동시에탄소녹색성장및기후변화에대비한에너지자립화및온실가스감축측면에서도접근되어야할중요요소이다. 기존하수처리시설은에너지다소비시설 하수처리시설의패러다임변화 그동안국내의공공하수처리시설은에너지효율성증대보다는안정된유출수수질유지와하수처리효율증대에목적을둔수환경개선을위한신기술도입만을추진해왔다. 그리하여우리나라의하수처리공정은공공시설중전력비용이 98% 를차지하는 3Es 패러다임 대표적인에너지다소비시설로인식되고있는실정이다. 실제로하수처리시설은하수의수집및처리과정에서다량의에너지를소비하는데우리나라하수처리시설에서사용되는전력은연간총전력사용량의 0.5% 를차지하나, 공공하수처리시설에너지자립율은 0.8% 에불과하다. 독일의하 폐수처리장에서혐기성소화가스발전을통해하수처리장의자립율을최대 74% 까지끌어올린것에비하면부끄러운수준이다. Waste water treatment plant, Lynchburg, Germany 폐기물을새로운자원으로인식하고이의에너지화를추구하는 3Es 패러다임은현시대가처한복합적난제를해결할수있는유용한정책수단으로활용된다. 5

5 다가서다 1 잘버리면될줄알았던폐수속에잠재된에너지가? 캐나다에있는하수처리장의분석결과, 하수에포함되어있는에너지함량은하수처리에요구되는에너지량의약 9.3배로분석되었다. 이는폐수의에너지회수를통해자체생산전력으로하폐수처리시설을운전할수있을뿐만아니라추가적인전력생산도가능하다. ScienceDaily (Jan. 6, 2011) Household Sewage: Not Waste, but a Vast New Energy Resource 영국뉴캐슬대학연구진은가정폐수에잠재돼있는에너지를약 20% 로추정하고있다. 연구책임자는 미국의폐수를처리하기위해미국전체전기에너지의약 1.5% 를사용하는대신폐수에함유돼있는유기분자를연료로전환해에너지자원으로활용할수있다 고제안했다. 실제로에너지화가능한폐수의양은어느정도일까? 환경부가발표한 하수도통계 자료에따르면 2009년말기준총인구중하수처리시설을통해처리되는비율은 89.4% 다. 전국에가동중인공공하수처리시설은하루처리량 500m3이상의규모가 438개소로총시설용량은일일 2,475만3,610m3이며 500m3미만규모는 2,332개소로시설용량은 17만1,428m3다. 우리나라의에너지화가능한폐수의양은총 20,491톤 / 일으로전체폐수량의 14.4% 임에도불구하고에너지화에대한정책이나연구는미비하다. 폐기물에너지화종합대책 ( 환경부 2008) 점점증가하는추세의폐수처리용량 Shizas and Bagley, 2004 유기성폐기물의처리 유기성폐기물의처리에대해지난국토해양부의 육상폐기물해양투기제로화추진계획 에따르면, 1988년부터시작된해양투기가내년부터단계적으로금지돼오는 2014 년에는전면금지된다. - 평택해양경찰서, 2012 년 8 월 15 일 우리나라의경우, 유기성폐자원의연간발생량은 785만톤 (2007) 으로이중 711만톤, 90% 가해양투기하여처리되 유기성폐기물 음식물폐기물, 유기성오니 ( 폐수처리오니, 공정오니, 정수처리오니, 하수처리오니, 분뇨 가축분뇨처리오니 ) 등이해당 유기성폐기물처리방법 는실정이었다. 따라서, 해양투기금지로인한유기성폐기물량을근본적으로줄일수있는기술의보급이시급하다. 6

6 다가서다 1 문제많은기존하수처리공정! 유기성폐기물의생물학적처리는폐수에용해되어있는유기물질을미생물세포의먹이로흡수시켜정화하는방법이며현재국내하수처리는대부분생물학적처리로이루어지고있다. 이는산소이용여부에따라호기성처리, 혐기성처리로나눌수있는데대표적인기술은호기성활성슬러지법과혐기소화법이다. 활성슬러지법혐기소화법 생물학적처리 유기성폐기물의생물학적처리는폐수에용해되어있는유기물질을미생물세포의먹이로흡수시켜정화하는방법 정의 특징 단점 폐수와미생물의혼합액에미생물이폐수내의각종유기물을분해하여새로운세포나최종생성물로전화시키는공정국내에서가장많이사용반송량, 폐활성슬러지의인출량조절용이공정의개량을통한운전안정성획득가능에너지다소비공정인폭기과정포함유입수에따른불안정한제반문제 유기물을혐기성상태에서미생물을이용하여메탄가스및탄산가스로변화시키는공정슬러지의소화, 분뇨및고농도의폐수처리혐기처리로슬러지량감소건조성분 40% 이하의함수폐기물처리용이낮은악취발생반응속도가느리며긴소화기간낮은처리효율추가적인호기단계필요혐기세균은화합물의영향 ( 온도, ph 등 ) 에민감소화가스의악취 & 높은부식성 하수처리와동시에전기생산이가능한기술 Bioelectrochemical Systems (BESs) 로대체하다! BES 란? 유기성폐기물을혐기성미생물이소화하는과정에서전기생산하는기술 미생물연료전지 (Microbial Fuel Cell, MFC) 미생물전기분해셀 (Microbial Electrolysis Cell, MEC) 미생물전기합성 (Microbial Electrosynthesis) Bioelectrochemical Systems (BESs) 기존의연료전지와비교하여상대적으로 mild condition 에서작동이가능하며다양한유기기질을이용할수있다는특징을갖는다. 크게위세가지기술로나눌수있으며, 우리는미생물연료전지 (Microbial Fuel Cell, MFC) 에주목한다! 7

7 미 생 물 연 료 전 지 들어는봤나미생물연료전지란 일석삼조의친환경적인기술, 미생물연료전지 미생물연료전지, 어디까지활용해봤니? 하폐수처리장에서만나본미생물연료전지 상용화, 당장은불가능한가? 미우나고우나그래도미생물연료전지

8 2 미생물 연료전지란? 미생물연료전지란? 미생물연료전지 (Microbial Fuel Cell, MFC) 는유, 무기물질을흡수하고분해하는과정에서생성되는전자를전극으로전달시킬수있는미생물을촉매로사용하여하폐수내에존재하는유기물의화학에너지를전기에너지로전환하는시스템을말한다. 폐수속화학에너지 미생물연료전지 전기에너지 미생물연료전지연구, 어떻게시작되었나? 1912년 1960년대 1980년대 1998년 21세기 영국과학자 M.C Porter : 미생물을이용하여전기가생산될수있음을발견. 대장균을사용하여전류를생산 / 매우낮은전력생산으로주목받지못함미항공우주국 (NASA) : 우주선의폐기물을재사용할수있는에너지원으로서연구. 신에너지에대한관심부족과낮은효율로인해연구가활발하게진행되지못함 Roller, Bennetto : 미생물과전극사이에전자를주고받을수있는매개체를넣어미생물전지연료의효율을크게향상. 고가이며독성을가진매개체의지속적인주입필요, 장기적운행불가 KIST 김병홍박사 : Shewanella를사용하여전자전달매개체가필요없는미생물연료전지를발표. 미생물연료전지연구의새로운장을염. 무매개체 (mediator-less) 형미생물연료전지의본격적인연구가진행 미생물연료전지에대한연구급증, 폐수처리와동시에전력생산이가능한신재생에너지로서의입지부각 학문적관심 미생물로부터전기를생산할수있다 실용적관점 생산한전기를대체에너지로사용할수있다. 9

9 미생물연료전지란? 2 최근에는전력효율을증대및실제하수처리장도입을위한연구가진행되고있으며, 이를위해다양한미생물을사용할수있는방법을찾는동시에값싸고효율적인전극을만들기위해연구중이다. 또한최근일본원전사태와화석에너지고갈, 지구온난화로친환경대체에너지에대한관심이높아지고있어폐수속의유기물을연료로사용하여높은전류를발생하는미생물연료전지의신재생에너지측면이부각되고있다. 미생물연료전지어떻게작동할까? 일반적인미생물연료전지는양이온교환막 (Proton Exchange Membrane, PEM) 에의해나누어진두개의반응조에각각음극 (Anode) 과양극 (Anode) 이있다. 양이온교환막 (Proton Exchange Membrane, PEM) 이온교환막은양이온과음이온을선택하여한쪽만을통과시키는합성수지막을말하며, 양이온교환막과음이온교환막이있다. 양이온교환막은마이너스의전하를띄고있어, 마이너스의이온은반발하여통과시키지않고플러스이온만을통과시킨다. 외부장치를통해음극에서양극으로전자이동 양이온교환막 (PEM) 을통해양극으로수소이온이동 수소이온과전자, 공기중에서공급되는산소분자가만나물로환원 미생물이공급된유기물을분해하는과정에서전자와수소이온을생성 전위차에따라전자가흐르며, 전기에너지생성 여기서잠깐! 미생물연료전지에촉매로사용되는미생물인 Shewanella나 geobactor는전자를체외에존재하는금속산화물형태의최종전자수용체로이동시킬수있다. MFC는산화전극촉매로서이용되는미생물들의다양한이화적대사능력을이용함으로써, 복잡하게변동하는다양한유기물을연료로서이용할수있다. 10

10 미생물연료전지란? 2 미생물연료전지의구조 평판형 (Flat Plate Type) 단일형 (Single-Chamber Type) 관형 (Tubular Type) 특징 양극부와음극부두개의평판형반응조가수소이온교환막과연결되어있음 ; 산소의분리와수소이온이동이쉬움 음극및양극이모두포함된하나의반응조공기호흡으로양극에산소공급 셀의하층부 ( 음극부 ), 상층부 ( 양극부 ) 사이에일정거리를두어전기적절연이이루어짐 - 체류시간이짧도 COD - 공기에직접노출이되 - 구조가간단하고연속 장점 처리속도가빠름 - 단위부피당전력밀도도높은편 는양극 ; 규모확대에유리 - 저가의장치비로높은 적운전이가능 전력밀도를얻는데성공 - 고형물을함유하고있 - 비교적긴체류시간으로 - 양극부에폭기필요 단점 는하폐수처리시압력강하문제발생 - 단위부피당전극물질 인한 COD 처리속도향상연구필요 - 평판형이나단일반응조형에비해낮은전력밀도 의사용량이많아높은제 조단가 최근에는전압혹은전류를높이기위해단일셀을직렬혹은병렬로연결한형태로스택형 (Stack type) 에대한연구가활발하다. - 특징 : 목적에따라형태조절가능 - 직렬연결 : 전력생산 - 병렬연결 : COD 제거를극대화 2012년 5월 GIST의장인섭교수님은스택형미생물연료전지의모듈화를통해실제상용화가능성을증가시켰다. 11

11 환경친화적이면서환경정화적인 1 석 3 조의기술 ; 미생물연료전지 미생물연료전지란? 2 미생물연료전지는미생물의대사작용을통해유무기물질을분해하면서슬러지를감소시키고, 동시에전기를생산할수있는매력적인기술이다. 폐수정화 폐수농도에관계없이여러물질이혼합된유기물질도분해할수있다. 따라서생활하폐수와침출수, 축산폐수를비롯해오염된하천과호수등유기물이있는곳이라면어디든적용할수있다. 슬러지감소 축산폐수침출수오염하천 하폐수처리시설에서배출되는슬러지처리에는많은비용이들어가며환경에도악영향을끼친다. 2010년기준 67억톤의하수처리과정에서슬러지처분에만약 900억원정도의비용이사용되었다. 하지만하수도보급률의확대와고도하수처리시설이설치됨에따라앞으로슬러지의발생량의증가는불가피하다. 미생물연료전지를사용할경우슬러지를친환경적으로 50~90% 정도제거할수있기때문에슬러지처리비용을절감할수있다. 전력생산 하수도보급률이높아질수록슬러지양또한증가할수밖에없다 매년전세계전력량가 2% 는하폐수를처리하는데소모된다. 미생물연료전지는폐수를사용해안정적으로전력을생산할수있고, 생산된전기에너지를하폐수처리공정에이용할수있어하수처리장의에너지자립화에도기여할수있다. 또한이산화탄소를발생시키지않는친환경적기술로탄소중립을통한기후변화영향저감에도도움이된다. 12

12 미생물연료전지, 어디까지활용해봤니? 미생물연료전지란? 2 미생물연료전지는폐수를정화하는기능외에도미생물연료전지의원리를기반으로하여수소를생산해내는 MEC(Microbial Electrolysis Cell), 미생물담수화장치인 MDC(Microbial Desalination Cell), 바이오디젤생산, 유기물센서, 독성탐지기등다양한분야에응용될수있다. MEC MDC 특징 - 미생물연료전지의양극에산소공급을중단하여수소가스를얻음 - 미생물연료전지기술을기반으로얻은전기에너지를담수화에이용 장점 - 일반적인전기분해의 1/4 의전기에너지로수소생성 - 온실가스저감과환경영향에있어월등히좋음 - 발생된열이나압력을가해줄필요가없음 - 담수화과정에서추가적인전기에너지및과산화수소생산 바이오디젤생산 - 미생물연료전지의음극에조류 (Algea) 를배양하여바이오연료생산 - 이산화탄소발생기없이경제적으로조류배양가능 바이오센서 - 폐수속유기물또는유해물질의농도및종류에따른전류의변화양상을파악하여유기물센서, 독성탐지기등에이용 - 농약, 중금속과같이바이오센싱이어려운물질의탐지가가능 - 별도의유지관리없이수년이상작동가능 다양한적용을통해미생물연료전지의 응용가능성이무한함을입증할수있다! 13

13 하폐수처리장에서만나본미생물연료전지 미생물연료전지란? 2 세계여러나라에서하폐수를처리함과동시에에너지를절감하고청청에너지를생산하여하폐수처리시설의에너지자립율을높이기위해힘쓰고있다. 현재는혐기성소화가가장핵심기술로대두되어왔지만많은문제점을안고있는것이현실이다. 미생물연료전지는혐기성소화의단점을극복할수있는요소가많이존재한다. 전자회수율의증가 미생물연료전지는혐기성소화를통해생성되는바이오가스 ( 메탄, 수소 ) 와는달리중간몇단계의에너지전환단계를거치지않고화학에너지를전기에너지로직접전환하기때문에높은에너지전환효율을가진다. 동력비용절감 하수처리장에서대부분의비용은산소폭기와슬러지처리에쓰인다. 활성슬러지공정의폭기는전체운영전력의 40% 이상을차지하고, 혐기소화는높은온도를유지하기위해추가적인열에너지를공급해주어야하는에너지다소비공정이다. 반면미생물연료전지는낮은온도에서도큰성능저하를보이지않아추가적인에너지공급이없고, 폭기없이대기의산소를사용할수있기때문에비용이최소화된다. MFC 는 90% 에가까운전자회수율을가진다. 전자회수율이높을수록에너지전환율또한높다. 슬러지감소 기존의하폐수처리의상당부분을차지한것은해양투기였다. 하지만런던협약에의해 2012년부터폐기물의해양투기가금지되었다. 이에따른다양한슬러지저감기술이등장하였지만무엇보다슬러지자체의양을줄이는것이슬러지처리의근본적인해결책이다. 미생물연료전지를하수처리공정에적용하면이러한문제를해결할수있는하나의가능성이될수있다. 다양한폐수에적용가능 혐기성소화는고농도의폐수, 활성슬러지공정은저농도의폐수에서만안정적으로작동할수있지만미생물연료전지는폐수의종류, 농도에상관없이유기물을이용하면서전기를발생시킬수있으며, 충전없이유기물만있으면안정적으로작동할수있어더욱편리하다. 런던협약 폐기물이나다른물질의투기를규제하는해양오염방지조약이다. 선박, 항공기또는해양시설로부터폐기물등의해양투기및폐기물의해상소각의규제를목적으로하고있다. 14

14 미생물연료전지란? 2 상용화, 당장은불가능한가? 위에서살펴본바와같이 MFC는다양한장점및활용성을가지고있고이를통해서기존의혐기성소화와활성슬러지공정의문제점을극복할수있는뛰어난미래과학기술이다. 하지만실제하폐수처리장에적용하기에는낮은전력효율과경제성, 규모확대의어려움등의문제로현재까지실제하폐수처리장에적용가능한시스템개발이이루어지지못하고있다. 낮은전력효율및저가소재개발 지난 10년간미생물연료전지의성능을저해하는다양한인자들이밝혀져미생물연료전지의전기생산량은초기생산량보다 10000배이상증가하였다. 하지만아직혐기성공정과경쟁하기에는턱없이낮은전력효율이다. 또한미생물연료전지를구성하는전극물질과이온교환막을만드는데필요한고가의촉매대신경제성있는환원전극촉매와전극소재의개발도필요하다. 최근빠르게증가하고있는미생물연료전지의전력효율이다. 미생물연료전지를실제하폐수처리장에도입하기위해서는생산할수있는전력밀도가 400W/ m3이상이되어야혐기성소화공정과경쟁이가능하다. ( 수자원공사 ) 대형화문제 2008년호주퀸즐랜드대학교연구팀에서첫파일럿플랜트를가동하였으나, 충분한기초연구없이무리하게상용화를진행한탓에성공하지못하였다. 그이후전세계적으로미생물연료전지가파일럿크기로상용화된사례를찾기힘들다. 다년간쌓아온연구성과를바탕으로실제공정에도입하기위해파일럿단계의연구를시작으로대형화과정을통해점진적으로새로운공정기술을개발해야한다. 실제하수처리시설에적용가능한 실용적인미생물연료전지구조개 발및설계, 대형화기술등많은 2008 퀸즐랜드대학교연구팀이만든파일럿크기의미생물연료전지 연구개발이필요하다. 미생물연금술사의탐방포인트! 국내외전문가들의미생물연료전지의효율과저가소재, 그리고대형화에대한연구가어떻게진행되고있는지알아본다. 15

15 미우나고우나그래도미생물연료전지! 미생물연료전지란? 2 미생물연료전지기술은현재전력생산량이상대적으로미약하여생산된전력량에따라수질을분석하는수질측정장치에관한연구가주를이루고있으나장기적으로는댜양한유기성폐수처리에이용되어생산된전력을여러분야에사용할수있을것으로전망된다. 기존의연구를바탕으로실제하폐수처리시설에설치가능한미생물연료전지를개발한다면, 가까운미래에현재의하폐수처리시스템을대체하여긍정적인효과를이끌어낼것이다. 경제적효과 기존하수처리시설공정의 95% 이상은활성슬러지를이용한호기성공정으로연간 67억톤의하수를처리하는데약6000억원의운영비가소모되며, 전력비용 (1100억원) 과슬러지처분비용 (900억원) 이전체비용의약30% 이상을차지한다. 이러한과정들을미생물연료전지가대체한다면상당부분의비용을절감할수있다. 미생물연료전지를사용하면 50~90% 의슬러지가감소되는데이로인해감소하는슬러지처리비용만약 672억에이른다. 또한슬러지를이용해전기와가스를생산할수있기때문에실제경제적인효과는 700억이상일것으로예상된다. 산업적효과 세계의물시장은지속적으로확대되고있으며 2016년에는 5300억달러규모의시장으로확대될것이다. 그중 70% 이상은하수및정수처리에집중될것으로예상된다. 미생물연료전지의안정적폐수처리, 전기생산, 슬러지및산소소모절감등을고려하면시장규모는 2015년을기준으로국내시장은약 4천5백억원, 세계시장은 6조4천억원에달할것으로추정된다. 전세계적으로자원순환기반의도시구축에많은노력을기울이고있는상황에서폐수에서자원을효과적으로회수할수있는미생물연료전지개발을통하여자원의회수가능한영역을확장할수있으며, 해당기술을선점하여이를기반으로해외로의기술수출도꾀할수있을것이다. 환경적효과 미생물연료전지는화석연료고갈및지구온난화에따른온실가스감축및대체에너지원으로상당한가능성을가진다. 미생물을이용한전기화학적폐수처리는하수처리과정에서이산화탄소를발생시키지않아탄소중립을통한기후변화영향저감에도움이된다. 뿐만아니라슬러지를소각하는과정에서발생하는유독성화학물질이포함된가스에의한대기오염과해양투기에따른해양오염또한해결할수있어오염물질감소와에너지절약차원에서환경에미치는영향이매우클것으로기대된다. 또한오염된강이나하천에미생물연료전지를사용할경우에너지를생산함과동시에주변의생태계복원효과를촉진시켜자연의재생능력을가속화시키고생태계질서를회복시킬수있어파급효과는무궁무진할것으로예상된다. 탄소중립 대기중으로배출하는이산화탄소의순 (net) 량을 0 으로만들어대기중이산화탄소의총량을 중립 상태로유지하는것이다. 16

16 전만문나가다를 전문가의시각에서바라보다 국내탐방 세계의주목, 미생물연료전지 미국에가다 해외탐방

17 3 전문가를 만나다 전문가의 시각에서 바라보다 우리나라의 상황 파악 미생물 연료전지의 기술적인 문제점과 그 문제점을 해결하기 위한 연구방향에 대해 알 아보고 미생물 연료전지의 상용화 가능성에 대한 국내 연구진들의 생각에 대해서 들어본 다. 더불어 실제 우리나라 연구진들의 연구 환경에 대해서 파악과 함께 우리나라의 기업 및 정부의 관심 및 참여도에 대해서 알아본다. 해외 컨택의 필요성 확보 미생물 연료전지에 대한 세계적인 흐름에 대해서 알아보고 해외와 우리나라의 연구 내 용, 연구 환경 등 비교를 통해 해외컨택의 필요성을 제시한다. 또한 전문가들의 의견을 종 합하여 보다 탐방에 적합한 탐방국가를 찾아본다. 미생물 연료전지의 미래 기존 공정과 비교를 통해 신재생 에너지와 하폐수처리에서 미생물 연료전지가 의미하는 바와 미생물 연료전지의 상용화를 통해 얻어 올 수 있는 경제적, 기술적, 환경적 요소에 대해서 알아본다. 전문가를 만나러 GOGO 18

18 탐방기관 주요경력 탐방배경 광주과학기술원장인섭교수님 前한국과학기술원선임연구원現광주과학기술원환경공학부부교수 장인섭교수님은특허기술상충무공상을수상했으며, 대한환경공학회와한국미생물학회에서편집위원과평위원직을맡고있다. 미생물연료전지에대한여러가지특허보유및다양한시각으로연구를진행중이다. 최근에는단위셀을쌓은모듈시스템개발에성공하여미생물연료전지기술의현장적용성을크게향상시켰다. 전문가를만나다 3 장인섭교수님 기반다지기! 미생물연료전지는 Profit 이아닌 Benefit Technology! 미생물연료전지에대한관점, 하수처리 vs 바이오에너지화기술 MFC기술을폐수처리에도입하려는연구는 MFC의다양한응용가능성에비하면매우국한된분야다. 미생물연료전지를단순히하수처리목적으로사용하는것보다는버려지던오염물질을다양한에너지원으로활용할수있는기술이라는관점이훨씬더넓은의미로서의미생물연료전지의개념이자폐수처리분야보다가능성이높다 미생물연료전지이익구조모델을통한관점이해 일반적으로이익의형태는크게두가지가있다. 하나는사회환경적인이익인 Benefit, 다른하나는경제적인활동을통해서주어지는이익이나이윤을뜻하는 Profit이라고할수있다. 미생물연료전지를통해서얻을수있는것은사익 ( 私益 ) 과같은 Profit이라기보다, 오염물질처리뿐만아니라오염물질로부터전기나다른형태의가치있는에너지원을획득할수도있는공공익인 Benefit이다. 오염물질처리 + 가치있는에너지원생산 = Benefit! 우리가알고있는미생물연료전지전기생산의장점은 Profit이되기어려운게현재전기는싼값에생산해낼수있기때문에가격경쟁력에서 MFC가밀릴수밖에없다. 우리는오히려이러한전기를이용해미생물연료전지를전기보다부가가치가높은화학물질 (H2나 NaOH 등 ) 을합성하는데사용할수있다. 따라서 Profit을넘어많은양의오염물질을처리해서얻을수있는 Benefit이커지게되면우리는그기술의장점을최대한활용한것이다. 미생물연료전지를하수처리에국한시키는것보다그적용대상과범위를넓혀균형잡힌관점을유지해야할것이다. 19

19 장교수님의강의노트미생물연료전지효율, 어디서부터접근해야할까? 미생물연료전지를기술고유특성에대해크게두단계의반응으로나뉜다. 하나는직접적으로미생물과관련된 Bioelectrochemical reaction이고, 다른하나는 Non-Biological한 Electrochemical reaction이있다. Bioelectrochemical Reaction 미생물이대사하는과정을통해 ATP 가생산되는반응을의미한다. 미생물이섭취한영양분을분해하고산화하는과정에서전자가연속적으로계속이동하게되는데이때생기는에너지전위차에의해에너지저장형태인 ATP가생성된다. 다음과같이주어진식에서 G는전위차에의해생기는에너지의크기이며, 이값을통해우리는미생물연료전지의효율을최대화할수있는인자들을이해할수있다. 2 전문가를만나다 3 G = A n [A= 패러데이상수, n= 전자수, = 전위차 ] - n : 주어진환경에서가능한한많은전자전달 (= 최대한의대사진행 ) - 전자전달대사를할수있는미생물의개체수 - 미생물각개체의대사속도 - : 산화환원반응전위차는미생물의먹이가되는유기물종류 ( 즉, 에너지원 ) 에영향을받으므로, 대부분하수종류에따라결정되기때문에상수값을가짐. Bioelectrochemical 반응의메커니즘을규명하고조절하려는수많은연구가진행되었지만실제로적용시키기는힘들다. 실제미생물연료전지운전시유기물이포함된폐수속에는다양한종류의미생물들이공존하고있기때문에각각의미생물들이군집속에서어떤역할을하는지규명하는것은매우어려울뿐만아니라인간이인위적으로조절하는것은한계가있기때문이다. 우리는 Electrochemical Reaction 의조절을통해전지효율향상의해결책을찾는다. Electrochemical Reaction Electrochemical 반응은세포밖에서일어나는과정으로음극에서미생물의대사에의해서생성된전자와수소이온을양극쪽으로이동해줌으로서전류를생산하는과정이다. 실제로미생물연료전지를작동시켰을때일반적인반응에서는음극의산화반응속도에맞춰양극에서환원반응이진행되는것이쉽지않다. 따라서상대적으로양극에는 OH-가쌓이고음극에는 H+ 가쌓여 Charge Neutralization( 전하중성 ) 을유지하지못해전류 군집 일정한지역내에서생활하고있는모든생물개체군의모임 Charge Neutralization ( 전하중성 ) 어떠한범위내에서전하값이 0 이되는것. 양전하도음전하도띠지않는상태 기술고유특성을바탕으로효율저하요인들을극복할수있는 Break Through를거쳐야한다. 20

20 전문가를만나다 3 가흐르지못하게된다. 이러한환경에서는, 미생물내에서도전자소비가원활하지않기때문에미생물들이진행하는 Bioelectrochemical 반응마저저해하며이는곧미생물들이대사활동을하지못하여죽어버릴수도있다. 따라서 Electrochemical 반응은반응속도측면에서 Bioelectrochemical 반응보다우선시되어야하는요소이기때문에, 미생물연료전지를구성할때먼저세포밖의환경을최적화시켜세포내반응이피해를입지않도록하여전자흐름을원활하게해야한다. 저가격고효율의전극과분리막에대한핵심부품에대한연구에대한분야가이에포함되며이에대한해결을할수있어야실질적인상용화에다가설수있을것이다. Frontier Line 과 Public Domain 의확보는 MFC 상용화의충분조건 현실성에대해서묻는다면나는성공할확률이 51% 실패할확률이 49% 라고생각한다. 실패할가능성이큰기술이기때문에우선이를극복하기위해서 2가지의중요한부분이있다. 이두가지가바탕이된다면현실성이충분히있다고생각한다. 경제적인가치판단없이단순한호기심에의해서연구를진행하게되는여러연구실의과학적호기심을 Frontier Line 이라고한다. 어떠한기술이발전하기위해서는호기심으로시작하는이러한연구들이활발히진행되어야한다. 하지만학문적인호기심이있어연구가수행되는이기술들은최종적으로일반사람들이쉽게사용할수있는기술이어야한다. 최종비즈니스모델은기술적으로제공해주려는사람이최종적으로이사용자에게전달해주어야지만완성된다. 기술을응용하는사람들이최종적으로수혜를받는사람들에게수혜받을수있는형태로제공하는것을 public domain 이라한다. 예를들면 IT분야의경우에는회사가이를전달해주는역할을한다. 회사가이에참여하는이유는 IT를통해서얻을수있는부가가치를얻기위해서이다. 미생물연료전지의경우도이와같은사업모델이확보된다면상용화가가능하다. 광주과학기술원탐방사진 짚고넘어가기! - 미생물연료전지에대한치우치지않는기술적관점정립 - 미생물연료전지에대해광범위한대상적용 - 미생물연료전지수익형모델확보를통한상용화접근 21

21 탐방기관 주요경력 탐방배경 건국대학교미생물공학과김형주교수님 前한국과학기술연구원수석연구원前한국바이오시스템연구소장現건국대학교미생물공학과부교수김형주교수는 MFC를사용한바이오센서및하폐수처리시설관련특허를다수보유하고있고자석등다양한소재와형태연구및 MFC를사용한바이오센서, 조류생산등에관련하여여러논문을기재하였다. 현재캠퍼스내 6만6,000m2(2만여평 ) 의거대한호수인일감호에쌓인퇴적침전물을이용해전기를생산하는연구를진행하고있다. 개발중인 생물연료전지 (microbial fuel cell) 는광합성작용을하는미생물이가지고있는화학적에너지를전기에너지로변환시키는장치다. 소재 & 재료의다양한시도 전극과멤브레인소재에초점을맞춘실용적연구진행 김형주교수님 2 전문가를만나다 3 김형주교수님연구실에서는 MFC를구성하는여러가지소재에관한연구가활발히진행되고있다. 그중에도크게저가격고효율이핵심인전극과멤브레인에관한연구가활발하다. 전극의경우산화전극에서는미생물을위한안정적인환경공급에초점을맞추고, 환원전극의경우에는최종전자전달체인산소의공급이관건이다. 이와관련해서우리그룹에서는환원전극에산소의자화성을이용한연구를진행하였다. 여기서잠깐! 일정한조건하에서자속밀도가높아질때, 산소가자화되어자력의영향을더욱많이받게되어자석주위로산소가끌려오게된다. 이러한산소의성질을이용하여자석을미생물연료전지의양극에적용시양극의전극주위에산소의밀도를높임으로서성능을향상시킬수있었다. 멤브레인의경우수소이온이이동하면서내부저항을유발하기때문에이를최소화하는과정이필요하다. 현재우리연구실의경우절연체를사용하는대신멤브레인을사용하지않는 MFC를개발중에있다. 이 MFC의경우기존멤브레인의 100분의 1 정도의가격이지만아직까지효율은낮지만이를극복하기위한연구를진행중이다. 양극에자석을사용한 MFC 구조 미생물연료전지크게보자 미생물연료전지에대해서단순히폐수처리, 슬러지감소라는점에서주목하는것은매우옛날생각이다. 폐수처리는 5년전쯤, 슬러지는 10년전쯤이미화두가되었던주제이다. 슬러지는불법투기가금지된다고는하지만현재그에대한대비가거의이루어지지않은상태지만, 미생물연료전지가슬러지를위한당장의해결책을제시해주기에는 22

22 전문가를만나다 3 아직도선행되어야할연구가많이남아있는건사실이다. 따라서상대적으로적은비용으로처리할수있는소각이나매립그리고불법해양투기등은분명히행해질것이다. 현재로서는미생물연료전지를신재생에너지의친환경적인분야로서공략할필요가있다. 폐수는인류가생존하는한끊임없이발생할뿐더러인류생활양식의변화로증가하는하수처리량을효율적으로자원화할수있다면미생물연료전지는분명미래신재생에너지원획득기술로자리매김을하게될것이다. 부족한정부와기업의투자, 그리고연구중심센터의부재 우리나라에서는아직까지정부나기업에서폐수처리의미래다양한가능성에대한관심과친환경적가치인식이부족한편이다. 미생물연료전지의경우우리나라는가장핵심적인원천기술을 10년전부터확보하였음에도불구하고정부와사회의관심부족으로인해부족한연구비, 연구원들의수는현재우리나라미생물연료전지가세계시장을선점하지못하고있는이유중에하나다. 또한미생물연료전지는미생물, 환경공학, 기계설비등다양한학문의융합이필수인과학기술이다. 외국의경우특히미국에서는정부주도하에기초과학에대한융합연구가오랫동안다양하게발달되어온역사를가지고있다. 그럼에도불구하고우리나라연구환경은미생물연구중심센터의부재로관련연구를하고있는연구자들조차서로의연구교류가되기힘든시점이다. 현재건국대학교일감호에설치된미생물연료전지 미생물연료전지, 폐수처리는좁고갈길은멀다. 그럼에도불구하고...? 현재화석에너지의고갈이예고된시점에서안정적이고친환경적인새로운에너지를개발하는것은전인류가당면한과제이자전세계는이를자국에확보하기위해너도나도열을올리고있다. 우리나라의경우아직까지도원자력발전이가장핵심적인기술이지만일본원전누출사고에서알수있듯이언제까지원자력에의존하려는안이한생각은버려야한다. 이와더불어하폐수처리또한우리삶에서중요한부분이다. 인류가생존함에있어서폐수는끊임없이발생하고그양은점차증가하는추세이다. 앞으로더욱에너지자립적인폐수처리에대한관심이집중될것이며, 에너지생성과함께폐수를처리할수있는미생물연료전지의장점은더욱빛을발할것이다. 이처림우리삶에중요한부분들을한꺼번에해결할수있는기술이기때문에미래를위해서꼭연구되어야한다고생각한다. 짚고넘어가기! 폐수처리와전기를생산하는공법이다르다? 원리적으로살펴보았을때전기생산이많아지면폐수처리시수질이좋아지는것은당연하기때문에같은공법으로설비하는것이맞다. 하지만현재전기생산을목적으로 MFC 를작동하기에는아직기술적으로효율면에서많이부족하다. 따라서전기생산과폐수처리를위한각각의효율적인측면에서는상용화단계에서구분해서공법으로만드는것이필요하다. - 미생물연료전지의친환경적신재생에너지기술측면에서의관심유도 - 융합과학을위한미생물연료전지전문연구센터설립필요 23

23 2 전문가를만나다 3 탐방기관 명지대학교환경에너지공학과안대희교수님 주요경력경기녹색환경지원센터센터장 탐방배경 경기지역의환경문제해결을위해환경부가지정하고명지대학교를주관기관으로한강유역환경청, 경기도, 용인시, 경기지역기초자치단체, 지역산업체등의지원으로지역의산 학 민 관 연이컨소시엄을구성하여지역환경기준설정, 환경개선대책수립등지역의환경행정수행에필요한환경정책연구 개발사업과환경기초조사 연구및환경기술개발사업을추진하는환경연구기관 안대희교수님 공정연구 Hybrid 에서찾은미생물연료전지공정개발의가능성 현재처리가가장어려운침출수의처리를위한방안으로 Aerobic Granule Sluge(AGS) 와미생물연료전지를결합한공정에대해서연구하고있다. AGS 기술은현재의처리장과비교하여비슷한처리효율을갖으며이를낮은가격에이용할수있어효율적인생물학적처리의한방법이다. 쉽게설명하자면우리나라경기도만한면적을갖는 Cell이반응을효율을높이는원리라고할수있다. 침출수란? 침출오수라고도한다. 일반적으로부패성유기물때문에생화학적산소요구량 (BOD) 과화학적산소요구량 (COD) 값이높다. 산업폐기물매립지에서나온침출수는폐기물의종류나질에따라서각종수질오염물질을포함하는일이많다. AGS 사진 미생물연료전지공정분야에대한포괄적인연구개발단계 지난 10년간미생물연료전지에대한많은연구들이이어진결과, 현재는미생물연료전지의큰걸림돌중하나였던전극소재, 양이온분리막소재의경제성에대한연구는충분히이루어졌고어느정도표준이생겼다고할수있다. 예를들어전극의경우비싼금속소재를대체한값싼 Carbon Cloth, Carbon Brush, Carbon Fiber 등이있으며, 양이온분리막의경우에도과거엔비쌌지만연료전지의효율을높이기위해사용했던 Nafion 대신, 플라스틱을사용하거나아예제거한형태의 Sigle-chamber MFC를기반으로한연구들이다양하게진행되었고이들의효율성역시기존의것과비교해큰차이를보이지않을정도의결과를보이고있다. 따라서단위셀로는낮은미생물연료전지의효율을개선하기위해앞으로는전반적인시스템공정분야에대한포괄적인연구가필요하다. Nafion 미국의듀퐁사에서개발된불소수지계의양이온교환막으로, 고온에서의내산화성, 내알칼리성이뛰어나다. 24

24 전문가를만나다 3 안교수님실험실의경우에는우선 cathode에대한 coulomb efficiency를 80% 까지끌어올린연구특허결과를바탕으로, 여러개의미생물연료전지에대해연결하는연구를진행한바있다. 전기화학 에서처럼각연료전지를직렬과병렬로연결한후각각의경우에대해이론적으로계산된효율의값이유지되는지에대한연구는학문적으로굉장한의미를갖는다. 이러한실험의결과, 안교수님그룹은미생물연료전지를병렬연결했을때규모가커진다해도미생물연료전지효율향상이가능함을보였다. 우리나라가미생물연료전지시장선점을위한핵심요건은무엇일까요? 어떤연구들이든연구비나제도는항상충분하게뒷받침될수없다. 그렇기때문에나는연구의외적부분보다는연구자의역량을강조하고싶다. 극단적인예를들자면, 우리나라인구의몇배나되는미국에서도활발히미생물연료전지의연구가진행되고있는데그에비해우리나라의연구수준이전혀뒤처지지않는점을생각해본다면, 연구결과에대한연구자의수나연구비는크게영향을미치는요인이아님을알수있다. 이점에대해서는자신이하고있는연구에대해열정을다하며창의적인아이디어를마음껏펼칠수있고, 포괄적이고전문적인이해를갖춘인재가훨씬중요한요인인것같다. 그렇기때문에우리나라의경우연구외적인부분이다른나라에비해부족한점은크게문제되지않을것이며, 현재우리나라의수많은연구진들의창의적인아이디어와뜨거운열정을바탕으로가까운미래에는충분히우리나라가미생물연료전지기술을세계적으로선도할수있을것이라고생각한다. 짚고넘어가기! - 미생물연료전지공정분야의다양한연계가능성확인 - 포괄적이고전문적인이해를갖춘인재 25

25 2 전문가를만나다 3 탐방기관 주요경력 성균관대학교사회환경시스템공학과염익태교수님 무배출형환경기술센터센터장한국지하수토양환경학회편집위원한국물환경학회이사대한환경공학회편집위원한국산업기술평가원이사 정부정책및사회환경 염익태교수님 미생물연료전지상용화제시의큰틀을세우다. 기술적타당성확보 현재다양한에너지기술과비교하여왜굳이이기술이어야하는지, MFC만의강점에대한분석이필요하다. 다음으로는이기술이지니는기술내외적의한계를파악하고어떻게극복되고있는지알아본다. 이를바탕으로기술이지닌잠재적인가치가얼마나크고그잠재력을살릴수있을지에초점을맞춘제안을해야한다. 기술에대한정부의가치평가 실용화할수있을정도의기술의발전만으로는경제성이부족할수있기때문에충분한경제적가치가뒷받침되어야한다. 우리사회는정부가환경에대한가치평가를어떻게하느냐에따라그환경기술에대한의식과기술개발정도가달라진다. 경제논리에서의 MFC는아직은먼미래기술이지만, 친환경적미래를위해정부가이기술에미래가치를부여한다면국가에서시작하여민관까지의거대한투자확보가가능해진다. 따라서정부의미래환경기술에대한가치평가의판단을내려야한다. 경제성을보장해주는인프라구축 먼저자본주의사회의경제성논리와당장은보이지않는이익에대해서국가가얼마나부담할수있고할것인가에대한제도계획마련이필요하다. 기술개발과함께실용화를하게되었을때상업적인이익이보장될수있는시스템, 예를들면정부신재생에너지보조금지원, 적용기술에따른적절한금융지원제도혜택과같은기본사회제도적인인프라의구축은민간의참여를자연스레증가시킴과동시에기술의상용화도가능하게된다. 짚고넘어가기! - 미생물연료전지상용화제시를위한정부가치판단의중요 미래의어느시점에서는미생물연료전지가실용화가되겠지만그시점을얼마나빨리앞당길것인지는그사회의가치판단에달려있다. 26

26 탐방기관 주요경력 한국해양대학교건설환경공학부송영채교수님前 Univ. of Washington 방문교수現녹색환경도시영도 21 추진협의회기획위원장現환경관리공단설계자문위원現대한건설환경학회이사 전문가를만나다 3 탐방배경 송영채교수님은환경공학연구분야로해외유명학술지와국내외학회에다수의연구성과를발표한업적을인정받아 마르퀴즈후즈후의료, 건강분야 (Marquis Who s Who in Medicine and Healthcare) 에등재됐다. 교수님은유기성폐기물의혐기성소화와미생물연료전지를이용한폐수처리등과같은신재생에너지분야에서 SCI급논문을여러차례발표해왔다. 상용화연구실 기초연구의중요성 2008년호주퀸슬랜드대학교연구팀에의해서최초로 MFC 파일럿플랜트가운전되었지만성공을거두지못했다. 호주에서시도한파일럿이실패한이유는전지의재료, 전극설계, 전체시스템설계등여러가지부분에문제가있었던것으로판단된다. 기초연구가완전하지않은상태에서무리하게실용화를하려고시도한결과이다. 상용화에걸림돌이되는기술외적요소들?! 지금우리나라연구자들은많은연구지원을받는미국이나중국과는달리 60-70년대과학자들처럼부족한연구비나장비문제를극복하기위하여몸으로그리고열정으로감당하고있다. MFC기술의파급효과를생각한다면초기단계에국가에서정책적으로과감하게연구단을만드는등의방법으로국가의재정지원이있어야할것이다. 또상용화에걸림돌은비용일수도있지만정부의정책적지원과하폐수처리를전공하는기존의인력들의시각도지금단계에서는걸림돌이될수있다. 하지만우리나라연구자들의열정이계속된다면세계에서가장먼저실용화할수있을것이다. 송영채교수님 2008 년송교수가개발한미생물연료전지는폐수 5l 를처리해전기를생산할수있는규모로 1 m3당 220W 의전력생산이가능하다. 기술분야 인프라항목 선진국대비인프라수준 부족 다소부족 동등 우월 보다우월 MFC 설계 연구시설및설비 v 기초인력 v 산업기술인력 v 산학연공동연구기반 v 정보화 v 고효율소재 연구시설및설비 v 기초인력 v 산업기술인력 v 산학연공동연구기반 v 정보화 v 전기화학활성 연구시설및설비 v 미생물우점화 기초인력 v 기술전략및 산업기술인력 v 제조기술 산학연공동연구기반 v 정보화 v 한국수자원공사, 2012 국내연구인프라수준연구인프라가선진국에비해월등히떨어진다. 짚고넘어가기! - 기초연구의활성화로실용화기틀다지기 - 정부주도연구단설립을통한인프라구축필요 27

27 2 전문가를만나다 3 탐방기관 수자원공사 (K-water) 김홍석박사님유재철박사님곽지훈박사님 탐방배경 K-water 는 1967 년창립이래물자원의효율적개발과 관리를개발해온공기업이다. 최근 에너지자립형물재 생기술 이라는목표를바탕으로미생물연료전지를하폐수처리장에도입하기위한계획을진행하기위해 MFC연구사업단을만들었다. 김홍석박사님 유재철박사님 곽지훈박사님 상용화공기업 하폐수처리장에너지자립화계획에따른자립형물재생기술 기존하폐수처리시설은에너지다소비구조로국내총전력사용량의 0.5% 를소비하고있는데반해, 국내하수처리시설의에너지자립율은 0.8% 에불과한실정이다. 이에정부는 2030년까지에너지자립율 50% 를목표로에너지자립형하수처리장구축을위해 2010년환경부에서에너지자립화기본계획 ( 환경부, 2010) 발표하였다. 수자원공사에서는기존의하수처리시설에서전력비의 40% 이상을차지하고있는활성슬러지공정을배제할수있다면, 환경부가목표로하는에너지자립율 50% 을조기달성할수있을것이라고생각했고그대안으로 MFC에대한연구를진행하게되었다. 때문에수자원공사에서는미생물연료전지를기반으로한에너지자립형물재생기술에대해연구를진행하게되었다. 혐기성소화를뛰어넘기위한 MFC 연구방향 MFC가폐수를정화하면서소량의전기에너지를얻을수있다는점은큰장점이지만혐기성소화를통해서도바이오가스형태의에너지를추가적으로얻을수있고, 실제로현재국내에서는혐기성소화를통해하수처리장의에너지자립화를추진하고있다. 따라서현존하는혐기성소화와경쟁을하기위해서는, MFC를가동하였을때 400W/m³ 이상의전력밀도와유출수 CODMn 농도 20mg/L를달성할수있는실질적인 MFC 기술을확보하는것이중요하다. 이러한조건들을바탕으로실제하수처리장에적용하기위해실험실규모의 MFC가아닌 scale-up MFC에대한실증화단계까지진행되어야한다. 수자원공사에서는현재여러개의양극과음극을교대로쌓은샌드위치형태의 MFC 를운행하고있다. 산학협력을통한구체적인상용화계획추진 지난해 2월 MFC연구사업단을발족을시작으로여러기업들및대학연구기관들을공모한후연구개발협약을체결한상태이다. 우리사업단은미생물연료전지의핵심요인들을세분화하여다양한분야에서고루연구를진행하고있다. 28

28 전문가를만나다 3 대학연구실의경우미생물연료전지를사용한실증화플랜트단계를진행하기위한기반연구를중점적으로진행하고있으며, 현재참여하고있는기업인태영건설과한화건설에서는미생물연료전지만을사용하였을때보완되어야할추가수처리공정에관해협력중이다. 추가수처리란, MFC 공정이후질소, 인및기타용존이온을효과적으로제거하여공업용수수준의재이용이가능한처리수질을확보하기위한공정이다. 아직은소규모의 MFC에대해연구중이지만 1차년도부터 1톤규모의파일럿플랜트를설치하여현장적용운전을실시할계획이며다가오는 2015년까지상용화를목표로두고있다. 기업과정부의체계적지원의필요성 - 기술에대한관심, 나아가장기적인정책지원까지 우리나라의경우, 가장핵심적인원천기술을보유하고있고세계적인토목공학기술력을보유하고있다는강점이존재함에도불구하고뚜렷한도약을짚어내기힘든이유는, 연구내에서의효율과가격경쟁력에대한해결뿐만아니라연구외적으로기업과정부의참여와관심이필요하기때문이다. 정부는미래친환경적인기술에대해투자와정책적인지원을함으로써이기술을국민에게알리는것과동시에기술사용의참여와관심을촉구해야한다. 실제로 KIST 김병홍박사님께서무매개체형미생물을발견한 1999년이후로세계에서는미생물연료전지에대한재조명으로연구가활발히진행되었지만, 막상우리나라에서는정부의관심과의식부족으로과감한투자가바탕이된연구를진행하지못하였다. 올해초 KISTEP에서미래10대유망기술로미생물연료전지를선정하면서예전에비해정부에서도미생물연료전지에관심을가지고있지만그냥관심에서끝나는것이아닌장기적이고체계적인지원이뒷받침되어야한다. 또한현재우리나라기업들의경우 MFC 후처리에대한대기업의참여는높으나 MFC 기술자체에대해서는참여의지를보이지않고있다. 분명많은경제적인위험과부담이따르는것은사실이지만대기업이기에당장의이익뿐만이아닌장기적인안목을바탕으로혁신적인기술에대해서과감한연구를진행할수있다는점을잊지않아야한다. 짚고넘어가기! - 효율적인산학협력을통한상용화계획확립 - 미생물연료전지에대한구체적인연구방향확립 - 정부와기업의인식재고및기술개발참여유도 연구개발하려는기술의세계적수준이다음의기술발전주기 (Technology Life Cycle) 중현재어느단계에해당되는가? 개념정립단계 기업화단계 기술의안정화단계 29

29 2 전문가를만나다 3 탐방기관엔바이론소프트 탐방배경 엔바이론소프트는부산시와부산대학교등관산학협약을통해미생물연료전지의연구개발을진행하고있다. 우리회사는하폐수처리장대체탄소원개발및생산에선도적기술을보유, 이를바탕으로지속적인연구개발을통해미래성장산업으로미생물연료전지분야에실용화및사업화를진행중이다. 대체탄소원개발외에도하수처리장제어시스템을연구하고있다. 상용화벤처기업 엔바이론소프트에서미생물연료전지를연구하게된이유와전망에대해기업의입장을알고싶습니다. 미생물연료전지는최근 10여년사이에학계에서큰이슈가된연구주제로, 폐수처리와전기생산두가지의목적이가능하다는장점이있습니다. 기업적측면에서미생물연료전지기술의상용화및사업화가가능하게된다면, 아직우위를가지고있는기업이없기때문에블루오션이라생각하여충분한경제적가치가있다고판단되어연구를시작하게되었습니다. 현재엔바이론소프트의입장에서는관련기술이충분한사업화가능성이있다고판단되어, 야심차게상용화를준비중입니다. 대기업의도움이라기보다는기술개발과사업화측면모두에서서로의노하우를공유하며, 상호협력적인관계가필요하다고판단됩니다. 참석포럼녹색기술포럼 - 수소및연료전지부분에서생각보다다양한연료전지에대하여연구가진행되고있다. 연료전지가상용화되기위해서는낮은가격으로, 공해물질이나오지않으며고안전과고용량을가지고있어야한다 년한국의 RPS(Renewable Portfolio Standard, 신재생에너지공급의무화제도 ) 도입에따른신재생에너지에대한기술의상용화가시급하다. - 미국은혁신적인기술이라고판단되는기술에투자를하고미래를생각한투자를하지만한국은현재의시스템의통합과상용화에만집중을녹색신기술에투자를하고있다. RPS 제도 신에너지및재생에너지개발, 이용, 보급촉진법 에따라일정규모이상의발전사업자에게총발전량중일정량이상을신재생에너지전력으로공급토록의무화하는제도이다. 다양항신재생에너지기술중의하나에불과한 MFC 다른기술들과함께경쟁해나가며성장해야한다. 30

30 전문가를 만나다 3 세계는 지금 미생물 연료전지는 세계 각국이 관심을 가지고 연구하고 있는 신기술이다. 하폐수를 처리하며 전기를 동시에 생산한다 는 특징은 전 세계의 관심을 불러일으키게 되었다. 다양한 나라에서 미생물 연료전지를 필수 기술로 선정하였다. 최고의 발명품 BEST 20 TIME, 09 물시장을 주도할 10대기술 GWI(Global Water Intelligence), 년 10대 미래유망기술 KISTEP(한국과학기술기획평가원), 12 연구 동향 유럽연합 미생물의 전자 중국 미생물 연료전지의 염 전자 전달에 관한 생리 및 군집특성에 관 혐기성 조건에서 이용할 수 있는 미생물을 발 한 기초연구가 수행되고 있다. 또한 다른 바이오 기술 견하였으며, 미생물 연료전지에서 생성되는 중간 물질을 과 접목하여 다양한 시도를 하고 있으며 지속 가능한 통해 전자가 유기물로부터 전극으로 전달하는 과정 등을 시스템 개발을 추진하고 있다. 실현하였다. 일본 과학기술진흥기구와 이스라엘 2009년 설립한 도쿄대학의 공동연구진의 미생물 연료 벤처기업인 Emefcy는 미생물 연료전지 기 전지의 연구가 이루어 지고 있다. 미생물 연료전지에 술의 보유한 기업이다. 2013년까지 미생물 연료전지의 서 효소 바이오 전지 수준의 출력을 달성하는데 성공 상용화를 목표로 하고 있으며 올해 4m 규모의 미생 하였다. 물 연료전지를 보유한 공장을 지을 예정이다. 호주 퀸슬랜드 대학은 2007년 세계 최초로 파일럿 규모의 미 생물 연료전지를 시도했다. 맥주 공장에서의 미생 물 연료전지의 시험가동 등을 진행하였고, 스케일 업 과 파일럿 규모에 대한 지속적인 연구가 이루어 지 고 있다. 31

31 2 전문가를만나다 3 미국에가다 미국은미생물연료전지에대한다양한연구가세계에서가장활발히진행되고있는나라이다. 최근 3년간미생물연료전지에관련하여나온논문의개수가가장많고, 미생물연료전지에대한연구투자또한압도적이다. 이러한미국의미생물연료전지에대한연구가어떻게이루어지는지또연구의흐름은어떻게흘러가고있는지배워야한다. 미생물연료전지에대한다양한연구 미국은미생물연료전지의상용화를위한다양하고창의적인연구가되고있는나라이다. 각연구소에따라미생물연료전지에접근하여연구하는방법이다르다. 따라서각연구소는자신이연구하고있는미생물연료전지에대한세미나와포럼을열어서로의연구를공유하는기회를만들고있다. 미생물연료전지의상용화를연구가세분화되어진행중이다. 융합과학의발달 미생물연료전지는미생물학, 전기화학, 반응공학등다양한학문의전문가들이함께참여하여개발해야하는기술이다. 미국국립과학재단 (National Science Foundation) 에서미래융합과학기술의틀을제시하여융합과학에대한토대가마련되어있다. 국립과학재단에서제시간 NBIC 수렵과학기술은나노, 생명, 정보, 인지과학의서로다른과학기술분야가상호작용하여서로하나된융합된과학기술분야로재탄생하는것을의미한다. 이처럼통합적인관점의융합과학으로서의미생물연료전지에대하여배우려한다. NBCI 나노공학 (Nano technology), 생명공학 (Biotechnology), 정보과학 (Information Science), 인지과학 (Cognitive Science) 의줄임말로서현대과학에서융합과학기술의틀로완성되었다. 과학기술에대한과감한투자 미국은기초연구및응용연구분야에대하여가장많은투자가이루어지고있는나라이다. 미국정부의 2013년도예산안에따르면재정적자의우려속에서도경제성장을위해과학기술이미래를위한인식을반영하여 2012년도대비 1.4% 증가한 1,408달러의예산을측정하였다.*( ) 특히에너지부분의기관과국립과학재단의예산이크게증가하였다. 미국은새로운에너지원을창조하기위한개발에대한투자를적극적으로지지하고있다. 32

32 탐방기관 탐방배경 J. Craig Venter Institute 미생물연료전지에이용되는미생물의메커니즘, 바이오필름, 스케일업을위한연구등전반적인기초연구를하고있다. 미생물의하수와중금속처리를위한연구개발도진행중이다. 최근 (2012.3) 월하수처리를위한대용량의미생물연료전지개발에성공하였다. 전문가를만나다 3 Orianna Bretschger Shunichi Ishii Greg Wanger JCVI 기관소개 JCVI는지난 20년간게놈연구의선구자로서의역할을해왔다. 처음엔미생물로시작하여현재는포유동물의유전체학까지범위를넓혀유전자에관련된다양한연구를진행중에있다. 최근에는지구온난화에의해서여러가지친환경물질및에너지개발에대한연구가활발히진행중이다. 우리연구실은크게해양미생물 (Ocean Microbes), 단일세포게놈 (Single Cell Genomics), 세포간전자전달 (Electro-Micro Biology) 에관한연구등다양한유전학적인연구를하고있다. 그중 Microbial and Environmental Genomics 그룹에서미생물연료전지에관한연구를맡고있다. JCVI는이익을추구하는기관이아닌순수학문을연구하기위한기관이다. 많은지원이있어야지만정부가주도하는과학적프로젝트를진행할수있다. JCVI 내미생물연료전지기술의유기적인교류 JCVI에서는미생물연료전지기술에대해 scale-up, 전자전달메커니즘, 그리고기술표준화에대한유기적인교류를통해서로의연구에시너지효과를낼수있었다고한다. 대형화 Orianna 박사와같은경우전자의이동이어떻게전기를생산하는지에대한연구를, Greg 박사는미생물연료전지의크기를확대하는 (Scale Up) 연구와바이오필름에대하여연구하고있다. 실험과정중에서캘리포니아하수처리장에서실제폐수를사용한다. 기존의폐수처리장을대체할수있는폐수처리시스템을만드는것이목표이기때문에박테리아가서식할수있는플라스틱을사용하는등경제적인요소가뒷받침되어야한다. 아직까지는전기생산량이매우적은편이기때문에폐수처리효율을높이는데더주력하고있다. 전자메커니즘 Shunichi 박사의경우는세포간전자전달메커니즘 (Electro-Micro Biology) 을밝히는연구와함께미생물연료전지에대한전반전인기초연구를통해전력생산을높이는것에초점을맞추고있다. 경제적인요소를배제하고물질의종류와관계없이전력생산에관해서만집중적으로연구하기때문에기존에양극에 pt를사용하여전류를최대한끌어올리기위한연구를진행중이다. 33

33 MFC 의표준화 2 전문가를만나다 3 현재미생물연료전지를연구하고있는모든연구실마다미생물, 전극소재연구를진행하면서단백질 (Protein), 전극 (Electrode), 미생물연료전지의부피 (Volume) 등어떠한표준도정해져있지않기때문에연구실끼리의시스템디자인에대해서비교하는것에많은어려움이있다. 이러한문제를해결하기위해 jcvi에서는세계최초로미생물연료전지의표준화작업을 200펨토의크기의단위를정해서연료전지의세포하나당전류를기준으로진행하고있다. JCVI 미생물연료전지상용화기술완성을위하여 2012년 3월 28일미국샌디에고에서열린세계적으로저명한학회에서 Orianna 교수는하수처리를위한고효율 MFC의가능성을다시한번전세계에입증했다. JCVI에서는그동안 MFC의대형화를통하여충분히상용화의가능성에대해주목해왔고현재기술의 90% 정도완성이되었다고한다. 마지막남은과제는 MFC를장기간에안정적으로작동하게하여하수처리장에적합하도록하는것이다. 또한이들의최종목표는 MFC 처리를통해우리가최종적으로마실수있는물을만드는것이라고한다. 이를위해서폐수처리공정단계의하나인 MFC만으로부족한부분을추가적인기술과결합하여통합된하나의공정의개발이필요하다. 필요한정부와기업의관심 우리는미생물연료전지의대형화를통하여충분히상용화의가능성에대해주목해왔고현재 90% 정도완성이되었다. 마지막남은문제는 MFC를오래지속가능하게작동하게하는것이다. 올해초파일럿규모의실험을진행하다가재정부족으로중단을하게되었다. 정부와기업의지속적인관심을통해서현재남은문제또한빠른시일내에극복해야한다. MFC 를연구하는데있어서 JCVI 만이가지는장점 1 JCVI내에서의유기적인연구활동교류 ; 미생물연료전지는공학과화학, 생물학유전학등다양한학문과연계된만큼각분야간의교류가매우중요하다. 2 타그룹과의연구교류가자유로운환경 ; JCVI는층마다다양한연구그룹들이존재하며, 서로의연구활동에대한교류가자유롭다. 3 세계적인유전학 (genomics) 기술력이바탕이된연구기반 ; 최첨단유전학연구장비들과세계적인유전학기술을바탕으로좀더체계적이고심층적인미생물에대한연구는미생물연료전지에대한심도있는이해와응용을가능케한다. jcvi는미생물연료전지를이용하여 95% 의유기물정화와함께벤젠과톨루엔같은유해물질뿐만아니라하폐수에있는중금속제거에도성공하였다. 최근연구팀에의해개발된 MFC 장치는물부족이심각한캘리포니아정부와샌디에고지자체의지원을받아수행되었다. 실제하수를사용해추가비용없이에너지회수율을기존의 6배까지향샹시켰다. 짚고넘어가기 JCVI 센터앞에서 연구원들과함꼐 미생물연료전지기반의통합된하나의공정의개발 정부와기업의낮은관심에의한연구정체사례 연구를제한하는관련법개정필요성 연구교류가자유로운전담연구센터의필요성 34

34 전문가를만나다 3 탐방기관 코넬대학교바이오에너지연구소 탐방배경 바이오에너지연구소 (Bio-Energy Lab) 에서미생물연료전지의미생물에대한연구와함께다양한원료를사용하여활용하는연구를하고있다. 또한미생물연료전지뿐아니라전반적인바이오기술에대하여연구를하신다. 미생물의환경과 Hanno Richter Lars T. Angenent 미생물이만들어내는생산물에관한연구가진행중이며하폐수를이용하여다양한에너지를만들어내 는기술을연구하고있다. 바이오에너지연구실에대한소개 바이오에너지연구실에서는 ph, 온도, 농도등여러조건을다르게적용한환경을만들어박테리아가가장잘활동할수있는조성에서어떤물질을생성하는지에관한연구를하고있다. 크게합성가스의발효 (Syngas Fermentation), 미생물연료전지 (Microbial Fuel Cell), 혐기성소화 (Anaerobic digestion) 3분야의주제로연구를진행하고있다. 합성가스의발효는사용불가능한유기물질들을박테리아의생물학적전환을통해액체연료 ( 에탄올, 부탄올 ) 을얻는과정을연구하는것이고미생물연료전지는미생물의조성이나환경을바꾸어효율을높일수있는연구를진행중이다. 마지막으로혐기성소화는최근의가축의분뇨를이용하여 caproic acid를만드는연구등을진행하고있다. 하수처리보다바이오에너지측면의미생물연료전지연구 바이오에너지연구실에서는미생물연료전지의바이오에너지측면으로유용한화학물질생산및바이오센서로서의이용을중심으로연구한다. 미생물연료전지는주로 Onechamber와 Two-chamber MFC를기반으로이용하여미생물에관한메커니즘에대한연구를한다. One-chamber MFC의경우미생물연료전지의원리를이용하여전자와빛, CO2( 영양분 ) 를바탕으로 photosynthetic 박테리아대사활동메커니즘을규명하는연구를하고있다. Two-chamber MFC에서는박테리아의전자전달과정이어떻게진행되는지에대하여관심을가지고연구를하고있다. 두가지의경우중어디에서더높은효율을얻을수있는지에대한비교연구또한진행중이다. 35

35 2 전문가를만나다 3 미생물연료전지, 맥주에서바이오연료를얻다? 우리는연구에필요한에탄올을싸게구할수있는방법을찾았는데그에적합하다고생각된물질이맥주였다. 에탄올은이미널리사용되는바이오연료이지만, 물에잘녹기때문에정제가힘들고가격이비싸다. 맥주같은경우에는에탄올이풍부하기때문에매우좋은연구소재가되었다. 바이오연료인 caproic acid를얻기위해서는옥수수로만든맥주를이용하는것이좋다. 에탄올을특정화학반응을하는미생물을이용하여 caproic acid, carboxyl acid와같은유용한물질을생성하는방향으로미생물연료전지를설계하였다. 미생물들은개조한에탄올 (2-C) 을맥주 (6-C) 에섞어주는역할을한다. 우리연구실에서는 5L 크기의반응기를설치하고, 인간의창자에서발견된미생물을비롯한수백만종류의미생물을반응기에넣고작동시켰다. 희석한에탄올을섞은맥주를생물학적인방법으로 caproic acid으로바꾸는데성공하였다. 또한우리는 ph와온도를조절하여생산한 caproic acid이메탄으로전환되지않고남아있도록하는방법을알아냈다. caproic acid는물에섞이지않기때문에정제할때쉽게분리할수있고, 동물의사료나항균성원료로사용할수있는등다양한분야로응용가능하며경제적가치가충분하다. 하수처리시설을위한미생물연료전지에대한부정적인시각 미생물연료전지가실제로하수처리장에도입되기위해서선행되어야하는연구가굉장히많은걸로알고있다. 우리실험실에서진행하고있는미생물분야만해도그종류와메커니즘이다양하여실제하수처리장에서미생물의군집하나도제대로통제하기가어렵다. 게다가미생물연료전지는신기술이아니다. 기술에대한역사가짧지않음에도아직낮은전력효율에대한해결도제대로진행된것같지않다. 오히려미생물연료전지를바이오에너지를얻는관점에서의연구가훨씬더넓은가능성의미생물연료전지의장점을살릴수있을것이다. 짚고넘어가기 바이오에너지기술로서의미생물연료전지 하수처리 vs 바이오에너지획득기술미생물연료전지 교수님연구실앞에서 Hanno박사님과함께 36

36 전문가를만나다 3 탐방기관 Arizona State University Biodesign Institute 탐방배경 에리조나주립대학의바이오디자인기관중스위티센터 (Swette Center) 의디렉터이다. 바이오필름분야에서주로연구를진행중이다. 바이오필름이전극에서효율을높일수있는방법에대하여연구하신다. 또한물정화과정과새로운재생가능한에너지를만들어내는연구도하고있다. Bruce Rittmann Bio Institute 의기관소개 Bio institute는환경바이오기술을연구하는기관이다. 환경바이오기술은지역사회에도움이되는기술에생물학적독립체들을이용하기위해미생물학, 바이오정보학, 화학, 유전체학, 재료과학, 공학등을함께연구하는학문체계이다. 이곳에서하는연구는크게세분야로나누어지는데, 환경보존 (Environment Sustainability), 건강 (Human Health), 그리고보안 (Security) 이다. 다양한분야의연구를진행하고있으며각연구에는기본적인연구를바탕으로응용연구또한병행되고있다. 그중수질 (water quality) 에관하여주로연구하고진행되고있으며부수적으로는생물반응장치 (Bio-Reactor) 에대한연구가병행되고있다. 연료전지의효율, 미생물메커니즘부터파악하라 Rittmann 교수님의연구실에서는최신개발된재료와미생물, 물리화학적공정을다양하게응용하여새로운관리시스템을개발하는중이다. 특히 Anode에서의미생물 organism에대하여연구하고있다. 현재미생물 organism의연구에주로 geobacter를사용하는데 geobacter 보다전자전달효율이더좋거나특이한상황에적합한케이스의미생물등다양한종류의미생물에대해서도연구하고있다. 뿐만아니라 2-Chamber 의미생물연료전지를이용하여미생물에게도움이되는요소, 해가되는요소등을바탕으로실제미생물연료전지에적용하여미생물연료전지의효율을높이기위한연구도진행중이다. geobacter Goebactor는혐기성소화를하는미생물로서물질대사를통해전기를생산할수있다. 미생물연료전지에게 Biofilm 이란? biofilm은미생물군집이 membrane의표면에자연스럽게부착되어자라는것으로, 전자를폐수속의유기물에전달하는역할을한다. 미생물연료전지에서 biofilm은 Anode 와 membrane에서사용될수있으며, 이외에도적용할수있는많은시스템들이있다. MBfR처럼좋은 biofilm은물을정화할때오염물질을생분해하고자연스런영양분순환을가진다. 우리연구팀은밀도가높고견고한 biofilm을만들기위하여연구중이다. 이러한 biofilm을만들기위해서는미생물, 구조, 물리학적특성간의상호작용이중요하다. 우리는 biofilm의두께, 강도, 구성등을다르게한연구를통해서물이흐르는속도, 미생물종류, 기질가능성등이효율에영향을미치는것을알수있다. MBfR Rittmann박사님이고안하였으며, 자연적으로발생하는미생물을사용하여, 물속의 perchlorate, tricloroethene 등오염물질을제거하는기술이다. 37

37 2 전문가를만나다 3 Bio Institute 의융합연구환경은어떤가요? Bio Institute의경우하나의실험실안에서도다양한전공자들이모여연구하는그룹이기때문에융합연구의입장에서본다면협력하기좋은환경이라할수있다. 연구진들은자신의전문분야가아닌다른분야의공부도스스로많이하고있다. 예를들어미생물연료전지에대해연구를하기위해서, 생물학을전공한사람은공학에대하여공부를해야하고공학을전공한사람은생물학에대하여공부를해야하기때문에각자다른분야의연구진이뭉쳐서연구하면더욱큰시너지효과가발휘되는것이당연하다. 오히려비전공자의참신한시각이연구진행을이끄는경우도많다. 최근미생물에서자라나는나노와이어의발견을통해박테리아가거리를초월해전극표면에전자를전달함을알게되었다. 미국이연구를진행함에있어개선되어야할점이있나요? 미국의막강한투자력과세계적인미생물연료전지연구그룹들을바탕으로미국이미생물연료전지를선도할수있을것이라고장담할수는없다. 오히려한국처럼정부의주도하에그린에너지에대한집약적인투자와연구가중앙으로집중되어진행될수있는사회구조라면가능할것이다. 그에반해미국은연구에서도개인주의적인성향이강해서정부의주도로연구를진행하는것보다연구그룹각자의창의성과자율성을살리는연구들이진행되기좋은구조를갖고있다. 이러한점에서미국의경우하나의통합적인연구를하기에한계가있다고생각한다. 미국 biofilm 의권위자로알려진교수님께바이오필름이란어떤의미인지궁금했다. 교수님께 Biofilm 이란? 나는 1975년부터 biofilm에대한수많은연구를진행해온연구자로서,biofilm이갖는다양한가능성은정말말로형용할수없는분야인것같다. 앞으로도나의 biofilm에대한연구는멈추지않을것이다. I Love Biofilm! 또한창의적인인재를위해많은말씀도해주셨다. 대학시절에많이읽고많이배운것을토론을통해가능한많은사람들과공유하는과정을통해학문의깊이가깊어지게된다. 창의적인인재는이를바탕으로기회가왔을때지식의조합을통해새로운기술을창조하는사람이다. 벽이없고유리가매우많은센터의건물디자인은사람들이얼굴을보며자극이됨과동시에서로를북돋아줄수있다. 짚고넘어가기 미생물연료전지 biofilm 및미생물연구필요성 우리정부의통합적인 MFC 기술개발주도력은미국과의경쟁력 우리나라 MFC 관련 Bio Institute와같은융합연구개발기관부재 38

38 전문가를만나다 3 탐방기관 University of Connecticut 탐방배경 미생물연료전지를이용한지속가능한하폐수처리에대하여연구하고있다. 미생물연료전지의전력생산을높이는연구, 미생물연료전지의새로운 Cathode와형태에관한연구를하고있으며동시에혐기성소화에대한실험또한진행중이다. ( 연구분야 : Biological wastewater treatment / Bioenergy production from waste treatment/ Environmental biotechnology / Biosensor development) Baikun Li MFC 공정의연구, 저가격고효율의 Anode 소재에서시작한다! Baikun 교수님연구실에서진행되고있는 MFC의한형태는 Granular Activated Carbon-MFC(GAC-MFC) 를기반으로하고있다. Anode에 GAC를장착하게되면거대한표면적을갖는 GAC를통해자연스레표면에붙는박테리아의양이증가하게되고이는곧 Anode에서의반응을촉진시키는결과를갖게된다. 또한 GAC는그값이매우싸기때문에실제로 Scale-up 했을때에도상당한경제력을갖게될것이다. 하지만, 이론적으로 MFC가작동되는전위차는 1.2V 인데반하여실제실험실단일 Chamber내에서는그값이충분하지않으므로상용화할수있는정도의효율로높이기위해서는단위시스템에대해여러개의 GAC-MFC를붙여놓은 Multiple Anode/Cathode (MAC)-GAC-MFC를고안하였다. 이를통해하나의시스템에 12~27개까지의단일 Chamber를연결한연구결과를발표한바있다. Activated Carbon 흡착성이강하고, 대부분의구성물질이탄소질로된물질로, 흡착제로기체나습기를흡수시키는데, 또는탈색제로사용된다. 기존혐기소화와의경쟁력을갖춘 Hybrid 공정을제안한다 Baikun 교수님의실험실에서는기존혐기성소화의단점을극복하기위해혐기소화대신같은혐기조건에서수소뿐만아니라 1,3-Propandiol을생산해낼수있는 Anaerobic Fermentation을이용한 Hydrogen Producing Bioreactor(HPB) 와 MFC를연결한공정에대한연구도진행한바있다. HPB의경우에는기존의슬러지를소화하는방법 ( 혐기소화법 ) 과비교해서빠른반응속도와안정된작동을보이며, 유압식체류시간 (Hydraulic Retention Time, HRT) 가짧으며, 친환경적인에너지생산을한다는장점을갖는다. HPB의혐기성폐수는좋은에너지원이지만, HPB 자체에서는 COD를제거하기에는힘들다. 반면, MFC의경우에는 COD 제거효율은높으나낮은전력밀도를갖는다. 그렇기때문에우리는이제껏진행된적이없는두공정을직렬로연결하여실험을진행하게되었다. 이러한 Hybrid HPB-MFC system은전력생산과동시에오염물질의제거가이루어질수있다는의미를갖는다. 유압식체류시간 (Hydraulic Retention Time, HRT) 가용성물질이구축된반응기속에서머무르는평균시간을말하며짧을수록반응의효율이좋다고할수있다. 39

39 2 전문가를만나다 3 HPB에실제폐수가아닌 Pure Glycerol의농도를조절하여실험을진행하였고 MFC 는 HPB의폐수를기질로사용하게된다. 이폐수속에는에탄올과아세테이트등이포함되어있으며, 이러한조합공정에서는 scmfc가최대 4200mW/m3의전력밀도를갖으며 Coulumbic Efficiency(CE) 는 5.3% 그리고 Energy Conversion Efficiency (ECE) 는 4.24% 라는실험결과를얻었다. 두공정을결합하여에너지생산과 COD 제거가향상된 것은분명하지만, 에너지 Conversion의효율을좀더높이는연구가필요할것으로보인다. 또한실제폐수속에서의테스트에대한연구도진행할예정이다. 이실험은 Hybrid 공정이하폐수처리에도입된다면하폐수처리장이충분히 Self-Sustainable Plants가될수있다는것을보여주었다. HPB와 MFC의 Hybride 공정 Coulumbic Efficiency 방전시소비되는에너지와충전시사용되는에너지의비율을나타낸것으로 charge efficiency나 charge acceptance 로도불린다. Pilot scale 의연구, 하수처리를위한장기간의안전성은확보되었나요? 우리실험실에서는 pilot-scale로 4개의 16-liter(L) 의장치를뉴욕의한하수처리장에 6 개월이상비교적장기간에걸쳐작동을해본결과, COD제거효율이 80% 로굉장히높은값을보였으며, Effective Power Density는 300mW/m3를나타냄을실험적으로증명하였다. 또한이실험에서는기존 MFC에서 Cathode의비싼값으로상용화의걸림돌이었던백금촉매를싼 MnO2로대체하여진행하였다. 위의결과는기존의 MFC에대해효율에는큰차이가없고, 오히려싼가격에 COD제거효율은높아졌으니상당히가격경쟁력이 상승하여상용화에한발더다가간결과라고할수있다. 하지만, 장기간에걸쳐실험을진행해보니 Cathode에부유물이붙는현상 (Fouling) 이생겨효율이저하되는것을막기 MAC-GACMFCs 의 Cathode 에 서의 fouling 현상 위해 6 개월정도의주기적단위로이를제거해주는과정이필요함을알게되었다. 40

40 전문가를만나다 3 미생물연료전지가하폐수처리시설에도입될수있을까요? 당연히가능하다고생각한다. 물론이기술이상용화되고실제하수처리장에서완벽히운전되기위해서넘어야할도전적인부분이많이존재하지만, 지금껏연구된미생물연료전지의연구들을통해우리는충분히이기술이최소 10년안에는상용화될수있을것이라생각한다. 실제로우리연구실에서는아직적은용량이지만뉴욕의한하수처리장에직접설치하여운행하는실험을진행하고있고, 가격경쟁력을위한분리막과전극의대체안도상당부분찾아낸위치라고생각한다. 따라서미생물연료전지의하폐수처리장도입은더이상먼미래의일이아니다. MFC 에대한미국정부와기업의투자는어떤가요? Gloversville Johntown 하수처리장에서시험중인 4 개의파일럿크기의 MAC- GACMFC 현재우리는국립과학재단 (NSF, National Science Foundation), 미국방부, 미환경보호국 (EPA, Environmental Protection Agency) 등의연방정부에서지원을받고있다. 국립과학재단은 Marine-MFC에매우큰관심을보이고있다. 또한지역정부는미생물연료전지리터단위의처리에관심을가지고있으며실제로우리는이러한투자를바탕으로뉴욕의하폐수처리장에 100L단위크기의미생물연료전지를설치할수있었다. 하지만기업의투자나연구개발참여는없는실정이다. 기업의투자를이끌기위해서는대학연구결과의뒷받침이필요하다. 대학의연구기술은기업화단계의시점인데반해기업의투자는부족한실정이다. 짚고넘어가기 미생물연료전지의다양한공정연계가능성 공정개발을통한미생물연료전지의상용화가능성 파일럿규모의실증연구로이어진정부의관심과투자 미국에서도부족한기업의관심과연구개발협력 교수님연구실에서연구생들과함께 41

41 제 제안하다 안 하 다 정부에게제안하다 연구진에게제안하다 기업에게제안하다 사회에게제안하다

42 4 제안하다 우리나라의미생물연료전지기술의선점을위한미생물연금술사의제안! 우리의탐방활동을바탕으로앞서염익태교수님께서제시해주신틀을바탕으로미생물연금술사가제안하는 MFC 기술내적상용화제시를위한분석을해보았다. MFC 의강점 MFC 인이유 기술내적한계 한계극복방안 기술미래잠재성 우리나라의기회 - 버려지던폐수를정화함과동시에에너지를생산해낼수있는미래하수처리기술 - 물부족시대, 한정된수자원을효율적으로사용하는물순환형체계구축 - 폐수속유기체슬러지는안정된보급이가능한재생에너지원 - 낮은전력밀도및핵심소재의낮은가격경쟁력 - 파일럿스케일의성공사례전무 - 저가격고효율화를만족하는핵심소재발굴연구진행중 - 다양한공정연계를통한통합적하수처리시스템연구개발중 - 하수를처리하여에너지를얻는다는사회적편익적인이익뿐만아니라에너지화를통한경제적, 산업적인경쟁력확보가능 - MFC플랜트기술은해외특허장벽이높지않으며, 국내기술경쟁력또한해외기술과대등한수준으로나타났기에해외기술의추격이어렵지않음 지피지기 ( 知彼知己 ) 면백전백승 ( 百戰百勝 ) 이라했던가. 미국탐방을통해우리미생물연금술사는거대한투자금액과융합연구의강점으로똘똘뭉친미국을상대할제안서를작성할수있었다. 미생물연료전지플랜트기술의선점가능성은그기술이갖는미래적잠재성을알아보고, 그잠재력을최대화할수있는국가또는연구그룹이차지하게될것이다. 우리나라의장점인인프라적기반을견고히하고, 부족한점에대한부지런한보완으로 미생물연료전지기술의하수처리장플랜트상용화 에한걸음더나아가는대한민국의모습을그려본다! 43

43 제안하다 4 정부에게제안하다 Baikun Li Bruce Rittmann 캘리포니아의법은우리가미생물연료전지를 하수처리장에직접설치하고 Test-Bed 를시행하는데제약을준다. 정책적으로완화되거나법의개정이있어야연구를 적용하고시행하는데훨씬수월해질것이다. 정부는미생물연료전지에대한많은관심을 가지고투자를하고있지만아직이분야에대한정책은집행되지 않은실정이다. 그런점에서보면한국은그린에너지에대한정부의 대내외적인관심도가높을뿐더러연구의진행도빠르고좋은 연구들이많이진행되고있는걸로안다. 미국은오히려정부주도하에미생물연료전지가 연구되기어려운환경이라할수있다. 미국은연구분야에서도 개인적인성향이강하기때문에한국처럼연구가중앙으로집중되는 대신각연구실마다개성있는아이디어를살리는데 효율적이다. Shunichi Ishii 미국인들도인정하는그린에너지강국, 대한민국 미생물연료전지에대해국립과학재단 (NSF, National Science Foundation), 미국방부 (DOD, Department of Defense), 미환경보호국 (EPA, Environmental Protection Agency), 미에너지국 (DOE, Department of Energy) 등의다양한기관에서공격적인투자를하고있는미국이지만, 사실상미생물연료전지를지원해주는정책은찾기힘들었다. 그에반해우리나라는환경부에서 2010 하수처리시설에너지자립화기본계획 을통해미생물연료전지연구계획을지원하고있다. 아쉬운점이있다면지원금액은우리나라에서중점적으로밀고있는신재생에너지중태양광, 태양열, 풍력등의보급지원금보다훨씬적고, 연구개발계획년도도 5차년의중단기적인시범적계획이라는것이다. 아직기술적실용화가입증되지않은미생물연료전지기술에대해대학생의시각으로정부에제안할수있는것은하나의기술에대한단기적인경제성판단보다 장기적인사회환경적가치판단 이라고생각한다. 국립과학재단 (NSF, National Science Foundation) NSF 는미국기초과학연구전략을설계하고연구자금을관리, 계획, 집행하는중추기관이다. 지난 1950 년설립이후 60 년동안미국과학기술계를이끈이곳은전세계기초연구지원기관의벤치마킹대상 1 순위다. 특히기초과학교육분야에높은비중을싣고있다. 44

44 사회적편익측면에서해법을갈구할필요 미생물연료전지에너지화는국제적인환경규제강화를대비하는기존의유기성폐기물의처리방법과비교해근원적인처리방법이라는강점을갖는기술이다. 또한폐기물의자원화, 에너지화가전세계적인추세임을감안한다면유기성폐자원의에너지원으로의활용은시급하다. 다만아직까지낮은전력과대형화에대한연구의부재는미생물연료전지에대한정부의지원을망설이게하는요인이다. 따라서미생물연료전지는현재이기술이갖는경제성보다사회적편익을고려해야하는데, 에너지공급이외의폐기물처리비절감, 전력소비감소, 폐자원에너지화, 온실가스배출억제등의사회적, 환경적외부효과를가치로환산하여정책지원의사회적공감대를도출해야하는기술이다. 정책적지원의지강화가활성화의관건 정부의신재생에너지지원정책은바이오, 폐기물분야가 4% 의비중을갖는반면, 태양광, 태양열, 풍력을중심이되어전체연구의 60% 이상을차지하고있다. 국내의유기성폐자원은지역적으로그발생량과분포가다양하며처리, 처분및재활용방법이여러가지시도되어왔으나부적절한처리법으로인해유용자원의투기와소각및심각한환경오염이초래되어왔다. 어느한부분에집중되는에너지정책지원보다고른분야의포괄적이고견실한투자가필요하다. 미생물연료전지기술은우리나라가그핵심원천기술을보유하고있는국가임에도불구하고기술의발달이외국보다더딘점은정부의과감한지원과관심이부족했기때문이다. 외국하수처리환경에적합하고오랜역사를갖는외국기술보다우리나라의실정에맞는국산기술, 미생물연료전지에대한정부의과감하고결단력있는지원이필요한시점이다. 제안하다 4 에너지자립화의경제적, 환경적가치 '30년까지에너지자립율 50% 달성으로 907GWh/ 년의전력대체 558,000CO2톤 / 년의온실가스감축효과를갖는다. 정부가환경에대한가치평가를어떻게하느냐에따라서환경기술및의식은달라집니다. 염익태교수님 제한된투자금액우리에게적합한투자항목은? 무엇보다미생물연료전지에대한미국의공격적이고확실한투자규모는우리나라의실정상불가능하다. 그렇기에우리는우리나라에적합한투자방법을고안하여선택하고, 효율적으로집중투자해야한다. 미생물연료전지는다양한분야의유기적인연구가진행되어야하지만, 과도한분산투자는오히려연구의기반을잡지못하게할수있다. 우리나라의경우처럼제한된투자금액으로시장에도입해야하는국가의경우, 미생물연료전지의투자항목중우리나라에게적합하거나유리한부분에대한집중투자할수있도록국가적인차원에서연구, 조사하여효율적인투자가될수있도록해야한다. 1. 미생물연료전지기술에대한지원정책은사회적인편익측면에서고려되어야한다. 2. 과감한정부의정책적지원의지가필요하다. 3. 우리나라에적합한투자항목의선택과집중의투자를해야한다. 개인적으로는우리나라미생물연료전지기술의 Originality 를되찾고싶습니다. 안대희교수님 45

45 연구진에게제안하다 제안하다 4 미생물연료전지는간단하계는바이오센서부터폐수처리, 둥다양한분야에서활용될수있는기술이다. 따라서중요한핵심기술을가지고있으면엄청난응용력이있는기술임을알고미생물연료전지의기초초석부터다져야한다. 미생물연료전지기술은해외특허장벽및국내기술경쟁력이비교적약해추격이용이한기술이다. 따라서계속적인 R&D 지원을통하여기술선점을통해시장지배력을확보가가능할것으로판단된다. CATHOD 를공략하자! 미생물연료전지의상용화의걸림돌은크게효율과가격경쟁력에있다. 효율을높이기위해서 electrochemical 반응은반응속도측면에서 bioelectrochemical 반응보다우선시되어야하는요소, 즉미생물외적환경이미생물연료전지의효율을좌우하게된다. 다양한경로를거쳐전자가이동을하지만최종적으로전자를받아전기또는다른에너지원으로바꿔주는곳은바로 cathode( 양극 ) 이다. 양극에서의빠른환원반응을통해전자전달속도를높여전력효율을증가시키는연구와더불어추가적인부가물질을얻는것에관한연구가최근다양하게진행되고있다. 또한현재 MFC설치비중가장높은비율을차지하고있는만큼경제성을가지기위해서도고효율저비용양극소재의개발이필요하다. 생각의전환, 창의적인발상을통하여다양한소재및환경조건을구성하여연구를진행하여야한다. 시스템을주목하자! 미생물연료전지기반하폐수처리의상용화가전세계적으로대두되면서시스템에관한특허가과거에비해월등하게증가하였다. 2010년특허청자료에의하면해외특허중전기활성미생물개발, 무동력공기호흡형분리막기술, 이오산 / 바이오가스연계미생물연료전지기술의경우해외특허장벽이거의없는것으로나타났지만 MFC 발전시스템의경우, 미국과일본출원이대다수를이루고있고국내의경우, 연구기관중심으로연구도입기에있는것으로보인다고밝혔다. 미래의플랜트설비비용절감을위해서추격기술의개발이필요하다. 미생물연료전지관련특허비율실험실크기의 MFC연구에서는양극과음극의비용이가가높은것을확인할수있다. 부수사업병행형사업모델이현실적이다! 폐수의종류에따른성분및특징을이해하고그에따른전 후처리기술및 MFC와타기술과의융합연구가필요하다. 적합한기술의구성을통해 MFC의성능향상과함께다양한수익원을발굴하여수익창출역량을강화할필요가있다. MFC 연계가능기술생각해보기! - 가공할수있는형태의유기물제조 - 바이오산, 바이오가스연계기술 - 슬러지처리기술 - 유용화학물질회수기술 - 에너지저장시스템 - 추가오염물질제거기술 - 막여과기술 46

46 시대적흐름에맞춰점진적으로개발하자 물정화가이슈인현재는정수를중점으로상용화를진행한후장기적으로에너지관점에서단계적으로접근한다면보다효율적으로미생물연료전지를개발할수있을것이다. 혐기성소화는미생물연료전지와함께바이오에너지생산플랜트로분류된다. 상대적으로미생물연료전지에비해많은기술의발전을이룬혐기성소화를바탕으로미생물연료전지의기술개발기본계획을세워본다. 미생물연금술사가제안하는 MFC 기술개발기본계획! 1 단계 2 단계 3 단계 제안하다 4 물을정화하면서생기는작은전력만이라도많은장점이있기에현재의기술도상용화가치가있다 Shunichi Ishii 하폐수처리용 MFC기술개발 - MFC기술이용타당성검토 - 저비용고효율소재개발 - 음극주변의환경개선 - 고농도유기폐기물위주의폐수처리연구 - 하폐수처리에적합한시스템개발 하폐수처리용 MFC기술 - 파일럿규모실용및검증 - 다양한종류의폐수처리도입 - MFC 기반하폐수처리실용화및실증규모연구진행 - 전력효율향상연구진행 하폐수처리용 MFC기술 - 생산단가절감 - MFC 기반하폐수처리상용화 - 폐수종류에따른공정분류 - 추가적에너지생산에관한연구 - 바이오에너지생산플랜트로서의입지확립 연구시스템의문제점! 하나! 연구비가많은연구분야에연구인력이분산될경우심도있는연구결과를기대하기어렵다. 둘! 기존 MFC 연구의대부분은실험실연구수준에서끝나거나최종연구기간에만현장에서운전하는수준이기때문에, 실용화로발전도모가어렵고우수한기술을개발하더라도연구비부족으로인한실증플랜트규모의적용이어려웠다. 셋! 단기간의연구계획으로장기간의연구를통한기술축적이이루어지기힘들다. 뿐만아니라정기적으로 MFC관련기술및시장동향에대한상세조사및분석이이루어지지않아개발기술의미래성공가능성을점치기가어렵다. 넷! MFC와같은기술은미생물학, 전기화학, 이동현상, 반응공학등다양한학문분야전문가들이함께참여해공감대를형성하고, 각분야전문가들이상호간에학문적이해를도모할수있는융합연구가필요하다. 하지만이러한참여를일으킬수있는어떠한장치도이루어지고있지않다. 47

47 제안하다 4 서로다른목적아래여러기관의산발적인투자가이루어지는미국과는달리한국은정부의주도하에그린에너지에대한집약적인투자와연구를진행하여통합적인연구를할수있는바탕을가지고있다. 그래서우리는정부중심의미생물연료전지종합연구소설치를제안한다! 실증화를위해필요한핵심요소기술을선택, 이에대한집중적인연구개발을유도함으로서연구비의효율적인배분및관리가가능하다. 공동으로운영및이용할수있는연구장비를통해보다효과적인연구진행을가능하게한다. 독립적인운영을통해장기적인계획을설립하여일관성있게관리하고지원할수있다. 다양한전공기반을통해 MFC연구를각분야별로체계적으로분산하여진행할수있고또한다른분야의전공자들과의공동프로젝트및정기적인세미나를개최하여상호작용을통해다양한신기술을창출하는등융합기술의전문성을키울수있다. 연구소내에는연구리서치의오픈소스를통하여기존전공지식이아니더라도복합적인이해를통해다양한활용을가능하게한다. 분석 - 정기적인학회개최및통합된연구데이터베이스를기반으로체계화된조사및분석기법을사용하여 MFC의기술및시장동향을파악하여미생물연료전지의사업성과실용가능성에대해서제시할수있다. - 단계별로기술의구체화및개발기술의성공가능성을평가하고이에따라서단계적실용화및기술의국산화전략을수립한다. 교육 - 연구인력확보를위한교수진초빙및 MFC관련커리큘럼형성을통하여전문인력을원활히공급할뿐만아니라동시에기존기술인력들을재교육시킬수있는교육및훈련시스템의장을구축할수있다. 홍보 - MFC기술개발기업의지원을위한사업화및상용화를위한통합형과제를설정하여기술개발이후의해외진출방향을조기에검토한후목표점을설정하여방향및방법을제시한다. - 기관내 MFC 홍보관을마련하여미생물연료전지의중요성을지속적으로부각시켜미래기술로서인식한다. 48

48 제안하다 4 기업에게제안하다 세계적인대기업들이주목하는미생물연료전지 2011년 GE, NRG Energy, ConocoPhillips는 Energy Technology Ventures으로합작하여벤처기업에재정적인협력을통해차세대에너지기술의발전을목표로한다. 이들은세계적으로미생물연료전지의상용화가가장앞서있다는평가를받는이스라엘의벤처기업 Emefcy에상당금액의투자와연구협정을맺은것으로알려졌다. 특히, GE에서는 이스라엘을하수처리의실리콘밸리 라고칭하며 11년 6월이스라엘의 Haifa에연구개발센터를개관하여 Emefcy와연구협정을맺어연구를진행하고있다. Emefcy 폴루션엔지니어링매거진 (Pollution Engineering Magazine) 에서 10대기술 로지목, 그기술력을입증했다. 한국수자원공사와함께하는국내기업들 2011년 9월, 한화건설과태영건설은한국수자원공사 MFC 연구사업단에참여하여기존호기산화중심의에너지다소비형하수처리공법을혐기기반의미생물연료전지를도입하고, 전식탈염기술 (Capacitive Deionization,CDI) 을연계하여공업용수수준의재이용이가능한처리수질확보를목표로연구를진행하고있다. 한화건설의경우, 이온교환막을사용하지않는저가형 CDI 전극및모듈을개발하여상업화중인 ( 주 ) 시온텍과공동연구를통해 MFC기반하수처리과정에서의질소및인이온의효과적인제거와 TDS 제거율 85% 이상을제거할수있는에너지회수형 CDI 기술을개발하고있다. 최종적으로는 MFC, 저포기형 MBR 공정, 질소, 인제거에적합한에너지회수형 CDI 탈염공정개발등의핵심요소기술의시스템의개발할계획이다. 전식탈염기술 (Capacitive Deionization,CDI) 전기화학적흡착을통해용존이온을제거하는기술 TDS Total dissolved Solid( 총용존성고형물질 ) 물속에녹아있는고형물질의총량. ex) 칼슐, 마그네슘, 염소및황산이온등 미생물연료전지를거절한 LG, 그래도 LG 가가능하다! 한국수자원공사박사님들과의인터뷰에서 MFC연구사업단의협력제의를 LG가거절했다는안타까운소식을들을수있었다. 이에우리미생물연금술사는대학생의시각으로 LG가지닌미생물연료전지사업에대한 SWOT분석과기업의과학문화활동을위한철학원칙을바탕으로다시한번제안해본다. 49

49 제안하다 4 LG 가지닌미생물연료전지사업에대한 SWOT 분석 Strength - 그린경영 에적극적인 LG 경영진의확고한철학및추진력 - 국내외수처리분야점유에대한확고한목표의식 - 하수재이용시설민간투자사업추진 - 토탈솔루션 3대능력보유대기업 - 개발도상국으로부터의좋은기업이미지 - G-MBR 하수처리공법환경신기술인증기업 Opportunity - 신재생에너지수용및미래환경기술시장확대 - 정부의 2010 하수처리시설에너지자립화 시행중 - 개발도상국과의협력을통한레퍼런스 (Reference) 축적및개도국중심의시장대폭확대 - 친환경, 저에너지공법으로그린경영의기업이미지향상 Weakness - MFC 핵심기술부재 - MFC 기술에대한 R&D 선행투자필요 Threat - 선진국기술선점가능성 - 실용화성공사례없음 " 새로운분야에서다양한기회를검토해과감히투자하라 " 개발도상국연계미생물연료전지플랜트모델 미생물연료전지기술은물부족이심각하고저렴한비용의수처리공정이필요하기때문에개발도상국에서이용가치가높다. 단순히폐수처리뿐만아니라미생물연료전지에의한전력생산이시설을계속하여가동시키는근거가되기때문이다. 특히유기성폐기물처리가시급한사하라이남의아프리카등의경우에는처리없이해양투기하기때문에이에따른각종수인성전염병이심각한수준에달한다고한다. 따라서현재미생물연료전지에대해부족한대규모플랜트에대한기술확보를위한연구를수자원을필요로하는개발도상국과의연계사업모델을통해진행할수있다. LG 구본무회장아프리카에서는선진국에서의시스템을적용하기어렵고, 현재의시스템을뒤엎는것이불가능하다면이시스템을유지하면서도문제를해결하겠다. - Waste Enterprisers Ltd. LG, 우리나라미생물연료전지과학문화를선두하는기업으로 과학문화라는말은과학기술을일반국민의생활속에뿌리내리자는의미에서시작되었는데, 과학기술분야에서는이러한과학문화를형성하는일을중요한과제로여기고있다. 과학문화라는인프라없이는지속적인과학기술의발전을기대할수없기때문이다. 과학문화에대한전통이짧고민간단체의활동이활발하지않은후발국에서는과학문화활동에정부가중요한역할을담당하고있다. 50

50 제안하다 4 우리나라도 30여년의짧은기간에정부의지원을바탕으로과학문화활동이이루어져왔지만과학기술이국민의생활속에뿌리내리는과학문화로서정착되기에는아직역부족이다. 우리의과학문화활동에도이제민간, 그중에도기업의활발한과학문화활동이필요한시점이다. 현대사회에서는그사회의과학기술에대한이해가기업경쟁력의중요요소로여겨지면서과학문화활동은기업의사회공헌활동에서주요한영역으로자리매김하고있다. 현재미생물연료전지의기술개발단계는특히이러한기업의사회공헌활동으로서의과학기술에대한연구가진행되어야할것이다. 오랫동안지적되어온미생물연료전지의낮은전력과가격경쟁력에대한부정적인판단을극복하기위해국내외수많은연구진들이연구해온결과이제는상용화가 10년이내로예측되고있다. 이러한시점에서지원에한계가있는정부는제도개정을중심으로, 기술개발에대한과감한투자및지속적인연구그리고국민들의삶속에자연스럽게스며들과학문화를선도할수있는대기업의역할에 LG가앞장선다면든든한인프라를바탕으로도전정신으로무장한과학기술을꽃피우는대한민국을기대해본다. 기업의과학문화활동을위한철학원칙 기업이가진자원을활용 & 남들이할수없는일선택 토탈솔루션핵심 3대능력사회공헌활동으로보유기업은글로벌물산업시장에서도얻을수있는가치찾기힘들다. LG에서미생물연료전지에정부정책과의미생물연료전지기술연계성 & 지원대한핵심기술및소재보유연구가개발을통해전력생산및다양한진행된다면세계미생물연료전지정부에서는 2010 하수처리시설에너지원에대한경제적가치뿐만시장을선점하는것은먼에너지자립화기본계획을추진하고아니라아직국내외적으로선점한기업이미래의일이아니다. 있으며, 한국수자원공사에서는이를위한없기때문에산업적인가치또한얻을수있 MFC연구사업단에대한지원을다. 또한미생물연료전지의가장큰받고있는상태다. 장점인친환경적인영향은사회공헌활동으로얻을수있는가장큰가치이다. 업종과관련이있는분야선택 LG에서는그린경영의장기성을요하는과제선택일환으로수처리부분에전문적으로미생물연료전지는현재육성하고있으며토탈솔루션 3대능력을보극복해야할핵심기술들이필요하며, 유했다. 미생물연료전지역시상용화를이루고나서도장기적인수처리부분의공정으로개발이사회적, 환경적인영향을기대할된다면긍정적인효과를수있는과제이다. 얻을수있다. 51

51 제안하다 4 사회에게제안하다 재이용에관한인식전환필요 물의재이용에관한인식은높아졌으나심미적거부감과수질에대한불신으로인해실제물의재이용에는소극적이다. MFC의실용화가성공해도이러한상태에서는 MFC 의보급효과를얻을수없을것이다. 따라서이를재고할수있는노력이필요하다. 물부족의심각성및물재이용에대한국민들의인식재고를위한미화적설명과필요성에대한교육이필요하다. 더불어재이용수이용에따라적절한인센티브지급을통해시민들이관심을갖고재이용수를적극적으로사용할수있게해야한다 환경부 물재이용에대한홍보전략부재 V 대다수국민이실제피부로느낄수있는물재이용의필요성전달미흡 V 공공기관위주의물재이용확대및정책에따른부분적정보전달로인한민간기업및시민등의정보접근제한으로자발적인참여저조 정보화시대에발맞춰웹과스마트기기기반에서이용할수있는환경관련콘텐츠를통해재이용수의사용을촉진시키는것도하나의방법이다. 창의적융합교육의활성화를통한인재발굴 아직우리나라의과학창의 인성교육콘텐츠는기존기초과학의틀에서거의벗어나지못하고있다. 따라서 STEAM 교육을기반으로기본소양및창의성을갖춘인재를양성할수있도록기초교육을강화하고다양한융합커리큘럼을제작하여우리나라실정에맞는새로운콘텐츠를개발해야한다. STEAM S( 과학 ), T( 기술 ), E( 공학 ), A( 예술 ), M( 수학 ) 의다섯분야의학문을융합하여통합적이고, 전체적으로보는능력을배양하는교육이다. 문제점 - 초, 중학교대상으로만국한된창의교육 - 이론중심의주입식교육 - 관련교육기관및통합된교육시스템의부재 해결책 - 넓은연령층을위한창의성융합교육의확대 - 다양한응용이가능한기초원리를단계적제시 - 전담기관및전문적인개발자에의한통합된교육시스템구축 52

52 제안하다 4 기술의가치에대한시민들의의식함양 ; 올바른과학문화의형성 독일의경우신재생에너지를이용하여생산된전기는일반전기보다고액에매수하여국민들에게판매한다. 이는재활용에너지라면고가에라도구입하여사용하겠다는국민들의의지가반영된결과이다. 에너지자원의중요성에대한국민들의자체적인인식을통하여재생에너지이용이촉진되는것이다. 이처럼미생물연료전지뿐만아니라대부분의과학기술은미래사회대중의지지와후원이보장되지않으면발전하기힘들다. 국민들에게기본적인과학기술에대한관심을촉진할수있는것이과학문화이다. 기존의과학문화는정부위주의계몽, 홍보에만한정되어문화로서의가치를상실했었다. 과학문화의생성주체, 콘텐츠, 네트워크의변화가필요한시점이다. 과학문화를통해미생물연료전지에대한국민들의전반적인이해를이끌고기술에대한공감과함께소비자관점에서미생물연료전지의사용에대한문제점을파악한다면상용화시기를앞당길수있을것이다. 넓은의미의과학문화기술적의미의과학문화문화로서의과학. 과학은생활양식가운데하나. 좁은의미의과학문화평가적의미의과학문화과학적문화. 과학에서배울만한가치, 교양. 활동주체의다원화정부각종규제강화조세금융지원등인센티브강화 적절한아웃소싱제공을통해정부활용유도 정책적배려통해민간영역참여확대 기업사회기술에대한이해가기업경쟁력의중요요소임을자각과학기술계과학기술을탐구할수있는것은국민의관심과지원때문임을자각 과학관보급확대및다양한콘텐츠, 담당전문인력확보기관및단체별네트워크구축 국민균형잡힌관련지식습득쟁점이되는과학기술문제에대해국민스스로판단, 행동가능 53

53 편집후기 1차합격, 면접, 최종합격후미국탐방, 마지막으로최종보고서까지. 나혼자였다면할수없었을금쪽같은시간들을함께지내온우리팀원들에게고맙고사랑한다는말을전하고싶습니다. 짧으면짧을수도있는기간동안울고웃으며함께꿈꿔온꿈을잊지않고세상에내꿈을심을수있는사람이되겠습니다! 사랑해요 LG 사랑해요글챌 많은것을보고느끼고배우게된글챌! 4학년때뭐했어? 라는질문에당당히 난글로벌챌린저였어 라고말할수있게된것이올해내자신에게가장큰선물이되었습니다. 방황하고있던저희를잡아주신장암교수님!, 국내전문가분들, 그리고타지에서따뜻하게저희를맞아주셨던외국전문가분들에게도진심으로감사를표합니다. 4학년때처음해본공모전에서많은것을얻었다. 2주간의미국탐방을비롯한모든일들이굉장히소중한기억이될것같다. 또힘들어도나를북돋아주며같이고생한친구들에게도고마움을전하고싶다. 이번기회를통해미생물연료전지라는기술이더알려졌으면좋겠다. 처음에 50장의보고서를다만들수있을까걱정했고, 걱정대로보고서를만드는일은쉽지가않았다. 그래도다같이만들면서교수님들과만난추억과미국에가서즐거운, 이제는추억이된여행을다시떠올리며작성하였다. 언제다시이런일을해볼까생각을하면서지금이마무리글을쓰는순간을항상즐겁고소중하게보내야겠다는생각을한다. 참고문헌 미래지향형하수처리기술의동향과향후전망 (2011/KEITI) 미생물연료전지의연구동향 (2010/ 장인섭 ) 세계에너지수급및전력산업동향 (2010/KEPCO) 미생물연료전지, 녹색성장을위한하폐수처리기술 (2008/ 김병홍, 장인섭 ) 미생물연료전지를이용한실제폐수처리및전기생산 (2010/ 노성희, 김선일 ) 폐수처리를위한미생물연료전지의전기생산특성 (2009/ 노성희, 김선일 ) 미생물연료전지연구동향및 K-water 연구사업화전략 ( 수자원공사 ) 미생물연료전지기반에너지자립형물재생기술 ( 수자원공사 ) 특허로살펴본국내융합기술의과학기반특성 (2007) 국내물산업의해외진출동향및확대방안 (2011/ 한국무역협회 ) 미생물연료전지 (MFC) 분야세계특허출원동향 (2007/ 특허청 ) 하수처리전력생산 (2005/ 특허청 ) 하폐수처리기술 (2009/ 연세대학교 ) 미생물연료전지의가능성 (2012/KISTI) 물부족해결을위한해수담수화와물재이용기술 (2008/ 김인수 ) 미생물연료전지 (Ⅱ) 미생물연료전지개발동향 (2012/ 최정일 ) 미생물연료전지개발및운영과제 (2007/ 김병홍 ) 생물전기화학적방법을이용한퇴적물및슬러지의자원화기술개발에관한연구 (2008/ 김형주 ) 전기에너지생성이가능한하수처리장치및이하수처리장치의전기에너지생성방법 (2011/ 코오롱 ) 물재이용활동방아 (2010/ 환경부 ) Opportunities for Renewable Bioenergy Using Microorganisms(2008/bruce rittmann) Biofilm-community selection during autohydrogenotrophic brine(2009/bruce rittmann) Bacterial community structures are unique and resilient in full-scale bioenergy systems(2011/lars Angenent) Chain elongation with reactor microbiomes: upgrading dilute ethanol to medium-chain carboxylates(2012/lars Angenent) Electric power generation from municipal, food, and animal wastewaters using microbial fuel cells(2010/lars Angenent) Quantification of electron transfer rates to a solid phase electron acceptor through the stages of biofilm formation from single cells to multicellular communities(2010/orianna Bretschger) Microbial Fuel Cells and Microbial Ecology: Applications in Ruminant Health and Production Research(2010/ Shun ichi Ishii) Compact device produces electricity while cleaning sewage(2012/ Orianna Bretschger) Granular activated carbon single-chamber microbial fuel cells (GAC-SCMFCs): a design suitable for large-scale wastewater treatment processes(2009/baikun Li) Effects of Anode and Cathode Areas on Organic Compounds Removal and Power Generation in Membraneless Microbial Fuel Cell (MFC)(2012/ Baikun Li) Electricity generation in single-chamber granular activated carbon microbial fuel cells treating wastewater(2009/ Baikun Li) Microbial fuel cells: methodology and technology(2006/ bruce logan) 과하문화와기업의만남 ( 박금식 / 삼성경제연구소 )