미생물연료전지의 연구동향 (한국미생물 생명공학회 e미생물산업 2006-03-07)

바이오연료전지 (biofuel cell) 음극부와 양극부의 구성과 수소이온교환막으로 구분되어 있다는 것이 화학연료전지와 동일하다. 화학연료전지에서 연료인 수소나 메탄올의 산화를 쉽게 하기 위하여 촉매 (백금, 루테늄)를 사용하는데 바이오연료전지에서는 효소나 미생물 균체와 같은 biomaterial을 사용한다. 그러므로 일반적으로 바이오연료전지에 사용되는 연료는 대부분 유기물을 사용한다.

한편 bioreactor를 운전하면서 미생물의 대사과정에서 발생하는 수소나 메탄올을 화학연료전지에 주입하여 전기로 전환하는 장치도 바이오연료전지의 일부라고 주장하기도 한다. 하지만 이 경우는 전극반응에 필요한 전자 공여체 (연료)의 생산과 전극반응 (전자전달반응)이 다른 계에서 일어난다. 그러므로 생촉매에 의해 연료가 산화되는 부분과 전극으로 전자를 전달하는 부분이 같은 환경에서 일어나는 시스템을 바이오 연료전지로 정의하는 것이 적절하다. 한편 바이오연료전지에 사용하는 생촉매에 따라서 효소를 사용하는 enzyme based biofuel cell과 미생물 균체를 직접 사용하는 microbial fuel cell (MFC)로 구분하기도 한다.

즉 미생물 연료전지는 바이오연료전지의 한 형태로 미생물이 전자공여체인 기질이 가지고 있는 화학에너지를 전기에너지로 전환하는 장치이다. 바이오연료전지의 구분과 정의는 Scholz와 Schroder에 의해서 2003년 Nature Biotechnology (21: 11511)에 소개된 바 있다.

혐기성 미생물들은 산소가 없는 조건에서 유기물을 소비하고 이 과정에서 발생하는 전자를 소비하기 위하여 산소이외의 최종전자수용체를 사용하게 되는데 1990년대부터 금속염을 전자수용체로 사용하는 혐기성 미생물인 “금속염 환원세균 (metal reducing bacteria)"이 알려지게 되었는데 KIST 김병홍 박사팀은 이 미생물을 주목하였다.

금속염 환원세균인 hewanella putrefaciens는 중성의 수용액에서는 거의 불용성인 Fe(III), Mn(IV) 등을 전자수용체로 하여 생장하는 미생물인데 전자수용체의 용해도가 극히 낮기 때문에 세포 내부에서 전자수용체를 환원할 수 없고 세포 안에서 유기물을 산화하고 발생하는 전자를 세포 밖으로 전달하여 전자수용체를 환원한다고 밝혀졌다. 그동안 미국 NASA에서 우주선의 폐수를 처리하기 위한 방안으로 또한 영국, 독일, 일본 등에서 미생물연료전지를 개발한 바 있는데, 지금까지 연구된 미생물연료전지는 미생물 세포 안에서 환원되고 전극표면에서 산화될 수 있으며, 세포막을 쉽게 통과할 수 있는 물질 (mediator)을 통해서만 미생물과 전극간의 전자전달이 가능하다고 알려져 있었다.

매개체형 생물연료전지에는 thionine, methyl viologen, 2-hydroxyl 1,4-naphtoquinone등이 mediator로 사용되었는데 mediator가 세포안에서 100% 회수가 안 되기 때문에 효율을 높이기 위하여 지속적으로 mediator를 보충하여야 운전할 수 있었다. 하지만 세포내에서 계속 축적되는 mediator는 일정농도 이상에서 대부분이 미생물에 독성을 발휘하고 결국 미생물의 대사가 중지되는 현상을 야기하였다. 이런 치명적인 약점으로 매개체형 생물연료전지는 결국 laboratory-scale에서만 가능하였고 산업화된 예는 전혀 찾아 볼 수가 없었다.

하지만 KIST 연구팀에서는 Shewanella putrefaciens가 세포 외부에 존재하는 전자수용체에 직접 전자를 전달 할 수 있는 기작을 이용하면 균주가 전자를 mediator가 없이 직접전자를 전달 할 수 있고 이를 무매개체형 미생물연료전지 (mediator-less microbial fuel cell)로 개발할 수 있음을 착안하였다. 이 연구를 위해서는 먼저 Shewanella putrefaciens가 전극에 전자를 전달할 수 있는지를 확인하는 것이 필요하였는데 KIST 연구팀은 전기화학적 기법인 cyclic voltametry (CV)를 시도하였고 CV를 통해서 whole cell이 직접 전극과 전자전달 반응을 할 있다는 사실을 발견하였다