에너지/환경

차세대 생물광발전 시스템 개발

발행일 : 2019 / 09 / 27

최근 중국과학원 미생물연구소 리인(李寅) 연구팀은 생물광발전(biophotovoltaics, BPV)광전 전환 효율을 향상시키기 위해 정향성 전자류를 보유한 합성 미생물군을 개발하여 남조류의 직접 전기 생산 활성이 미약한 문제점을 해결했다. 해당 성과는 “Nature communications”에 게재됐다.

신재생에너지의 개발과 활용은 인류 사회의 지속 가능한 발전에 있어서 반드시 거쳐야 할 길이다. 태양에너지 이용의 주요 방식인 태양광발전의 기술 핵심은 반도체 재료를 이용하여 태양에너지를 전기에너지로 전환하는 것이다. 에너지 전환 효율의 지속적인 향상과 제조비용의 절감으로 전세계 태양에너지 발전 장치의 누적 용량은 500GW를 초과한다. 그러나 부분적 태양광발전 재료에 함유된 독성 원소 및 폐기 태양전지 패널의 회수 어려움 등은 태양광발전의 보급과 함께 환경에 가져다주는 잠재적 위험을 무시할 수 없다.

BPV는 태양에너지 이용에 생물학적 경로를 제공한다. BPV는 광합성 미생물(예를 들면 남조류)을 광전 전환 재료로 하며 탄소중립(Carbon neutral), 양호한 환경 적합성 및 잠재적 저원가 등 장점을 보유하여 친환경 차세대 태양광발전 기술로 거듭날 전망이다.

남조류 등 광합성 미생물은 아주 높은 광합성 효율을 가지지만 전기 생산 활성이 아주 약하기 때문에 기존의 BPV 시스템의 출력 전력은 태양광발전보다 3개 자릿수 이상 낮다. 남조류를 직접 개조하여 전기 생산 활성 강화를 달성한 성공적 사례는 없다.

해당 합성 미생물군은 광에너지를 d-젖산에 저장하는 공정 남조류와 d-젖산을 효율적으로 이용하여 전기를 생산하는 슈와넬라균(Shewanella)으로 구성되었다. 해당 합성 미생물군에서 d-젖산은 두 가지 미생물 사이의 에너지 운반체이다. 남조류는 광에너지를 흡수하고 CO2를 고정시켜 에너지 운반체 d-젖산을 합성하며 슈와넬라균은 d-젖산을 산화하여 전기를 생산한다. 이렇게 광자에서 d-젖산으로, d-젖산에서 전기에너지로의 정향성 전기류를 형성함으로써 광에너지에서 화학에너지로, 화학에너지에서 전기에너지로의 에너지 전환 과정을 완성한다.

연구팀은 유전, 환경 및 장치 분야의 설계, 개선 및 최적화를 통하여 두 가지 미생물 사이의 생리학적 비호환성 문제를 효과적으로 극복하였다. 이렇게 구축된 이중균 생물광발전 시스템은 효율적이고 안정적인 전력 출력을 구현했으며 최대 전력 밀도는 150 mW/m2에 달해 기존의 단일균 생물광발전 시스템보다 10배 이상 향상되었다. 연속 유가배양 방식을 이용하면 해당 이중균 생물광발전 시스템은 40일 이상의 안정적인 전력 출력을 달성할 수 있다. 또한 평균 전력 밀도는 135 mW/m2으로 비교적 높은 수준에 도달하며 전기 생산 시간과 단일 장치 출력 전력에서 모두 현재 BPV 시스템의 최고 수준에 도달했다.

해당 성과는 국제적으로 정향성 전자류를 가진 합성 미생물군을 이용하여 생물광발전을 구현한 최초 보고이다. 또한 중국의 최초 생물광발전 원형 장치이다. 해당 연구는 정향성 전자류를 갖는 합성 미생물군은 BPT 광전 전환 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있다는 것을 입증하였고 생물광발전의 효율과 수명은 개선하기 어렵다는 고유의 인식을 깼으며 BPV 광전 전환 효율을 향상시키기 위한 중요한 기반을 마련했다.