Bio Industry_2016. 1 특집 (p3~47)

바이오매스·바이오 프로세스를 이용한 수소제조

[특집]

● 해외의 바이오 수소 생산기술의 연구개발동향
(Trend of Bio Hydrogen Activities in Major Countries)
Tatsumi Wakayama / 国際石油開発帝石（株）技術本部　技術研究所

바이오수소 (Bio Hydrogen)는, 생물학적으로 CO2 Free의 수소를 생산하는 기술이다. 광합성미생물 (조류, 광합성세균)이나 혐기성세균은, 태양광이나 바이오매스 등의 재생에너지로부터, 수소를 생산하는 것이 가능하다. 최근 기초연구에 머물지 않고 응용연구도 활발해져, 실제의 바이오매스를 이용한 파일롯드 플랜트에서의 실증도 행하여지고 있다. 본고에서는, 해외에 있어서의 바이오 수소 생산기술에 대하여 개략적으로 기술한다.

1. 서론
2015년 10월 28일에 개막된「제 44회 동경모터쇼 2015」에서 혼다는, 신형의 연료 전지차(Fuel Cell Vehicle: FCV)「CLARITY FUEL CELL」을 2016년 3월부터 국내리스판매를 발표하고, 도요타는 렉서스의 콘셉카「LF-FC」를 공개하고, 히노자동차는「FUEL CELL BUS」를 참고 출품했다. (도요타의 FCV「MITAI」의 FC을 2기 탑재한 신형 FC 버스는, 2015년에 도요타시와 동경도에서 실증완료)

FCV/FC 버스에 수소를 공급하는 상용 수소스테이션은 (재)차세대자동차 진흥센터 (Next Generation Vehicle promotion Center : NeV)의 정액 등 보조사업을 통하여, 4개 도시권(수도권, 中京, 関西, 福岡)을 중심으로 81개소 (2015. 6. 9 현재)의 설치가 결정되어 있다. 또한 수소공급·이용기술연구조합 (The Research Association of Hydrogen Supply/Utilization Technology : HySUT)은, 2015년도 연료전지자동차 신규수요 창출활동 조성사업을 통하여, 수소스테이션의 운영 등의 조성을 행하고 있다. (자동차메이커가 거출한 자금을 베이스로) 

그러나, 현상의 수소스테이션은, 도시가스(메탄이 주성분) 등의 화석연료를 온사이트나 서브사이트에 있어서 수증기 개질 (Steam Methane Reforming : SMR)하여 얻어진 수소를 공급하고 있다. 메탄은 화석연료 중에서는 환경성이 뛰어나므로, CO2 Free한 수소사회까지의 과도기에는 사용이 필수이지만, CO2 Free한 수소사회 구축 시에는, CO2를 분리회수하여 지중이나 해저에 저류하는 CCS (Carbon dioxide Capture and Storage) 기술이나, CO2를 유효이용을 기하는 CCU (Carbon dioxide Capture and Utilization) 기술과 조합할 필요가 있다. (CCS/CCU를 실시하지 않는 화석연료유래의 수소는 Dark 수소라 칭한다)

이들 수소생산의 현상은, 중장기적으로 CO2 Free의 수소생산방법을 필요로 하고 있기 때문에, 미생물 (조류, 광합성세균, 혐기성세균) 기능을 활용한 바이오 수소 생산기술에 다시 주목되고 있고, 계속적인 기초연구와 대규모 실증연구, 사업성평가의 필요성이 높아지고 있다. 최근 미세조류(藻類) 등에 의한 제트연료 등의 생산기술의 대규모 실증이 국내 각지에서 행해지고 있다. 광합성미생물을 바이오 수소생산에 사용한 경우, 적용기술은 같은 뿌리이므로 조류연료로 키워온 대규모실증의 노하우를 적용 가능하게 되었다. (혐기성 수소발효는 메탄발효와 유사한 기술)

2. 바이오 수소에 대하여

바이오 수소(Bio Hydrogen)는, RITE 환경조화 형 수소제조 기술연구개발(1992~1999)을 통하여 국내외에 유포된 조어로서, (미)생물학적인 수소생산기술을 의미하며, 국제에너지기관(IEA)의 수소실시협정(HIA) Task 34의 전신인 Task 21설립 시에 정의되어 있다. 현시점에서는, 바이오매스의 가스화에 의한 수소생산기술이나 메탄발효의 바이오 가스의 SMR에 의한 수소생산기술은 CO2 Free의 수소생산기술로서는 유효하지만 바이오 수소로는 정의하지 않는다.

바이오 수소는 CO2 Free의 수소생산방식으로, 적용하는 미생물 종에 따라서, 태양광의 이용기술로서 CO2의 고정에 의한 CCU 기술로서, Carbon neutral한 바이오매스 활용기술로, 그리고 유기성폐수의 처리기술로서, Bio Refinery기술로서 위치설정이 가능하다.

바이오 수소 기술은, 100년 이상의 연구역사가 있지만, 아직 사회에 본격적인 실장으로는 미치지 못하고 있다. 바이오 기술이나 각종 Omics로 대표되는 바이오 관련 분석기술의 급격한 진척에 비해서, 바이오 수소에 관련한 대형프로젝트는 2000년 이후 아주 한정적이기 때문에, 현재의 기술을 활용한 다양한 바이오매스 종에 대응한 실증데이터가 얻어지지 않았다. 또 사업성을 평가할 때도 연구자 자신이 행하는 경우가 많고, 플랜트 엔지니어링 사업자 등에 의해 적산된 데이터도 한정적이다.

2040년에는 CO2 Free의 수소공급이 요구되어지고 있기 때문에, 대학이나 연구기관에 있어서 바이오 수소의 기술개발에 의존하기 보다는, 저가로 대량의 수소를 공급할 가능성이 있는 에너지공급 사업자나 바이오 수소 생산플랜트를 건설하는 엔지니어링 사업자 등도, CO2 삭감기술 등으로 하여 주체적으로 실증실험 등에 참가하여, 바이오 수소기술의 사회실장의 일익을 담당할 필요가 있다고 생각된다.

                 
● 하수 바이오 가스 원료에 의한 수소에너지 기술실증사업
(Demonstration of Hydrogen Production from Sewage Sludge Digestion Gas)
Kazumasa Kitada / 三菱化工機（株）環境技術部　

본고에서 소개하는 사업은 국토교통성 국토기술정책종합연구소의 위탁연구로, 하수처리장의 소화공정에서 발생하는 소화가스(하수 바이오가스)를 원료로서, 고순도 수소를 제조하는 일련의 설비를 건설, 연료전지자동차 (FCV)에 충전하기까지의 기술실증을 하는 것을 목적으로, 설비의 개요와 실증결과를 보고한다.


● 栃木県 바이오 가스 (하수 오니의 소화가스) 발전
(Tochigi Profecture’s Approach on Sewage Gas Power Generation)
栃木県県土整備部都市整備課下水道室

본 현의 하수 오니의 소화가스발전은 현의 4 처리장, 시의 공공 3처리장에서, 고정가격매수제도를 적용한 신규설비로 실시하여, 2015년 2월부터 순차로 매전을 개시하고 있다. 이것에 의해 하수도사업의 유지관리비 삭감과, 환경부하저감으로 지구온난화 방지에도 공헌하고 있다.  


● 수소-메탄 2단 발효에 의한 식품폐기물의 바이오 가스화와 에너지 이용 실증
(Demonstrative Experiment for Gasfication and Energy Utilization From Food Residue by Hydrogen-Methane Two-Stage Fermentation System)
Yukio Okada 외 3명 / 사포로맥주（株）価値創造環境技術部 주임연구원　

식품폐기물의 에너지이용을 목적으로, 수소·메탄 2단계 발효의 개발에 대응하여 왔다. 이번에 실용화 시의 조건을 상정한 빵 공장에 설치한 파일롯드 설비에 의한 잉여 빵을 원료로 한 바이오 수소가스, 바이오 메탄가스의 안정생산에 성공. 에너지 수지 면에서도 긍정적인 데이터를 얻은 것을 소개한다. 


● 광 에너지를 이용하는 미생물 수소생산
(BioHydrogen for solar Energy Utilization)
Jun miyake / 大阪大学大学院　基礎工学研究所　機能創成専攻　教授　

재생가능에너지의 이용에 관한 바이오기술의 가능성을 기술. 풍력·태양광은 집하와 평준화가 결점이다. 바이오는 엔트로피를 저하시키는 방법을 갖고 있기 때문에, 태양광발전 등과 상호 보완적으로 조합화는 것이 가능하다고 생각된다. 본고에서는 태양광의 이용을 고려하여, 광합성세균에 의한 광 수소생산을 예로서 해설한 것이다.


● 헤테로시스트 형성형 시아노박테리아의 니트로게나제를 이용한 광생물학적 수소생산
(Photobiological Hydrogen production using the Nitrogenase of Heterocyst-Forming Cyanobacteria)
Hajime Masukawa 외 3인 / 大阪市立大学 複合先端研究機構　特任准教授

일부의 시아노박테리아는, 질소영양결핍조건하에서, 질소고정에 특화한 헤테로시스트로 불리는 이형세포를 분화시킨다. 질소고정효소인 니트로게나제의 반응에서는 필연적으로 부산물로서 수소가 생성된다. 필자들은 헤테로시스트 형성형 시아노박테리아를 유전자공학적으로 개량하여 수소생산을 높이는 것에 성공했다. 


● 히드로게나제에 의한 수소분해·합성가구 및 효소연료전지에의 응용
(Mechanism of Hydrogen Decomposition and Synthesis by Hydrogenase and Its Application to Enzymatic Biofuel Cells)
Shun Hirota 외 2인 / 奈良先端科学技術大学院大学　物質創成研究科　教授

히드로게나제는, Ni 나 Fe 등으로 구성된 금속착체(錯體)를 활성부위에 가진 것만으로, 높은 수소분해·합성의 촉매능력을 보이는 담백질로서, 수소에너지 이용용 재료와 기술개발을 위해 주목을 받고 있다. 본고에서는,「NiFe」-히드로게나제의 구조, 촉매반응기구 및 바이오 전지에의 응용의 최신 연구동향을 소개한다. 

 

[BIO R&D]

● 미세조류(藻類)의 수집·관리에서 실용화를 목표로 한 스크리닝 까지
[Toward Commercial Utilization of Microalgal EPS (Extracellular Polysaccharides) : Isolation, Maintenance and Screening of Microalgal Strains]
Gouki Sato 외 2인 / Panac Advance (주) 제2영업본부 주임연구원

제품평가기술기반기구 (NITE) 바이오테크놀로지센터 (NBRC)와 Panac Advance(주)는 미세조류가 생산하는 세포외다당류 (EPS)에 대해서 공동사업을 하고 있다. 본고에서는 본 사업에서 얻어지고 있는 성과의 소개와  그것을 어떻게 실용화로 연결시킬까에 대해서 논해본다.


● 무세포기술을 기반으로 한 항 GPCR 모노크로날 항체작제기술의 개발
(Anti-GPCR Monoclonal Antibody Development based on Cell-free Technology)
 Hiroyuku Takeda 외 1인 / 愛媛大学 Proteo Science Center 조교수

중요한 창약타겟인 GPCR은 대량조제가 어렵고 특이항체의 개발이 곤란하였다. 필자들은 소맥 무세포 단백질합성계를 바탕으로 GPRC에 대한 항체작제에 성공하였다. 본고에서는 이러한 신규 항 GPCR 항체작제기술의 상세와 향후의 과제에 대해서 소개한다.


[TOPICS]

● 혹카이도 식품기능성 표시제도(애칭 : Healthy-Do)
(Hokkaido Food Functionality Labeling System “Healthy-Do” : A Challenge by Hokkaido Government)
Koji Tamura / 北海道　経済部　食関連業室　研究集積그룹 주사

北海道식품기능성표시제도는, 전국 처음으로 지자 체에 의한 식품기능성에 관한 인증제도로서, 2013년 4월에 운용을 개시하였다. 그 후, 국가의 기능성표시식품제도도 새로이 도입되어, 기능성 식품시장이 크게 주목을 받게 되는 가운데, Healthy-Do를 활용한 식품의 고부가가치를 목표로 하는 대응을 소개한다.


   -- 끝 --