Continuous Hydrogen Production from Syngas via the Biological Water-Gas Shift Reaction in a Trickle Bed Reactor: Effect of Nutrient Management, Inhibitors, and Hydraulic Retention Time

수소는 공장에서 자동차에 이르기까지 모든 것에 동력을 공급할 수 있는 깨끗한 연료이지만, 오늘날 이를 만드는 과정은 대개 화석 연료를 태우는 방식을 필요로 하며, 이는 기후 변화와 싸우기 위해 수소를 사용하려는 목적 자체를 무색하게 만듭니다. 과학자들은 이 재생 가능한 자원과 폐기물로부터 이 에너지 운반체를 생산할 방법을 찾고 있습니다. 한 가지 유망한 방법은 일산화탄소가 풍부한 합성가스(syngas)라고 불리는 가스 혼합물을 가져와 미세한 살아있는 유기체들을 이용해 변환하는 것입니다. 이 미생물들은 마치 생물학적 공장처럼 작동하여, 일산화탄소를 먹고 부산물로 수소 가스를 배출합니다. 생물학적 수성가스 전이 반응(biological water-gas shift reaction)으로 알려진 이 공정은 극심한 열이나 값비싼 화학 물질 없이도 산업 폐기 가스를 깨끗한 에너지로 바꿀 수 있는 방법을 제시합니다. 하지만, 이 미생물 공장들이 원활하게 계속 돌아가도록 유지하는 것은 어려운데, 왜냐하면 이들이 만들어내는 부산물이 결국 작업을 수행하는 유기체 자체를 중독시킬 수 있기 때문입니다.

보로스 대학교(University of Borås)와 스웨덴 RISE 연구소의 연구진은 미생물들이 오랫동안 행복하고 생산적으로 유지될 수 있도록 설계된 특수 반응기를 구축함으로써 이 문제를 해결하고자 했습니다. 그들은 정교하게 배양된 단일 종 대신, 음식물 쓰레기에서 채취한 자연적인 미생물 군집을 사용했는데, 이는 다양한 집단이 더 강하고 적응력이 높을 것이라는 기대 때문이었습니다. 연구팀은 폴리에틸렌 스펀지 조각들로 수직 기둥을 채워 미생물이 달라붙을 수 있는 표면을 만들었고, 그 위로 영양분이 풍가 풍부한 액체를 흘려보내는 동시에 바닥에서부터 합성가스를 밀어 올렸습니다. 이 설정을 통해 가스와 액체가 밀접하게 만나게 함으로써, 미생물이 일산화탄소를 먹고 수소를 내뱉을 수 있는 최적의 기회를 제공했습니다. 목표는 부산물의 축적으로 인해 시스템이 멈추는 일 없이 이 과정을 수개월 동안 지속적으로 운영할 수 있는지 확인하는 것이었습니다.

실험은 연구진이 미생물의 활동을 촉발하기 위해 매주 농축된 영양분을 시스템에 추가하는 스타트업 단계로 시작되었습니다. 초기에는 미생물들이 거의 모든 일산화탄소를 수소로 성공적으로 전환하며 잘 작동했습니다. 그러나 몇 주가 지나면서 시스템은 어려움을 겪기 시작했습니다. 연구진은 농축된 영양분을 반복적으로 투입하는 과정에서 구리와 같은 특정 미량 금속이 의도한 것보다 수천 배 높은 수준으로 축적된다는 사실을 발견했습니다. 동시에, 미생물들은 휘발성 지방산(유기산의 일종)을 다량으로 생성하기 시작했습니다. 이러한 산이 축적됨에 따라 일산화탄소 전환율은 급격히 떨어졌고, 수소 생산은 불안정해졌습니다. 연구진은 미생물에게 먹이가 필요하긴 하지만, 너무 과한 것이 환경의 화학적 균형을 깨뜨리고 있다는 것을 깨달았습니다.

연구진은 정확히 무엇이 공정을 망치고 있는지 이해하기 위해, 특정 저해제의 효과를 테스트하는 두 번째 단계로 넘어갔습니다. 그들은 반응기에 합성 버전의 지방산과 에탄올(알코올의 일종)을 도입하여 어떤 것이 진짜 범인인지 확인했습니다. 결과는 명확했습니다. 지방산이 에탄올보다 훨씬 더 해로웠습니다. 연구진이 고농도의 지방산을 투입했을 때 일산화탄소 전환율은 폭락했으며, 산을 제거한 후에도 미생물은 빠르게 회복되지 못했습니다. 에탄올은 훨씬 약한 영향을 미쳤으며, 성능의 일시적인 하락만을 유발했습니다. 이는 지방산의 축적이 시스템 실패의 주요 원인임을 확인해주었으며, 단순히 액체를 가끔 교체하는 것만으로는 반응기를 건강하게 유지할 수 없음을 보여주었습니다.

마지막 단계에서 연구팀은 액체가 반응기에 머무는 시간, 즉 수리학적 체류 시간(hydraulic retention time)을 제어하는 데 집중하여 전략을 변경했습니다. 단순히 주기적으로 영양분을 추가하는 대신, 유해한 부산물이 독성 수준에 도달하기 전에 제거될 수 있도록 액체를 지속적으로 씻어내는 방식을 설정했습니다. 또한, 깨끗한 상태에서 다시 시작하기 위해 기존의 미생물과 스펀지 충전재를 새것으로 교체했습니다. 이 접근 방식은 매우 효과적이었습니다. 액체의 흐름을 제어함으로써 연구팀은 지방산이 위험한 수준으로 쌓이지 않는 안정적인 환경을 유지했습니다. 반응기는 12일 연속으로 들어오는 일산화탄ob의 100%를 수소로 전환하며 완벽한 전환율을 달립했습니다. 분당 12밀리리터의 유량에서 시스템은 반응기 부피 리터당 매일 3.2리터의 수소를 생산했으며, 소비된 일산화탄소 1몰당 0.66몰의 수소 수율을 기록했습니다.

연구진은 또한 시스템이 얼마나 많은 가스를 처리할 수 있는지 알아내기 위해 한계까지 몰아붙였습니다. 그들은 합성가스의 흐름을 점진적으로 늘리며 미생물이 따라오지 못하는 시점을 면밀히 관찰했습니다. 반응기는 분당 26밀리리터의 유량까지 안정적으로 유지하며 완전한 전환을 유지했습니다. 그러나 유량을 분당 28밀리리터로 높이자, 시스템은 더 이상 모든 일산화탄을 전환하지 못했고, 남은 가스가 처리되지 않은 채 외부로 배출되기 시작했습니다. 이는 이 특정 설정에 대한 명확한 운영 경계를 식별해 주었습니다. 실험 전 과정에서 메탄은 검출되지 않았으며, 이는 이 공정이 다른 종류의 가스 생산으로 흐르지 않고 엄격하게 수소만을 생산하고 있음을 확인시켜 주었습니다.

반응기 내부의 미세한 세계를 살펴보면, 연구진은 반응기가 어떻게 운영되느냐에 따라 미생물 군집이 극적으로 변한다는 것을 발견했습니다. 초기 단계에서는 한 그룹의 박테리아가 지배적이었으나, 마지막 단계의 안정적인 흐로 제어 환경으로 전환되면서 다른 그룹이 주도권을 잡았습니다. 새로운 지배적 박테리아는 원래의 혼합물에서는 드물었던 Stenotrophomonas와 Pseudomonas 종이었습니다. 연구팀이 가스를 전환하는 데 있어 정확히 어떤 특정 미생물이 핵심적인 역할을 하는지 짚어낼 수는 없었지만, 군집의 변화는 반응기 조건 자체가 가장 효율적인 작업자들을 선택하고 있음을 시사했습니다. 이 연구는 유해한 부산물의 축적을 막기 위해 액체의 흐름을 관리하는 것이 이 기술을 지속적으로 작동시키는 핵심이라고 결론짓습니다. 비록 이 시스템이 아직 상업적 현실이 되지는 못했지만, 이번 개념 증명은 폐기물 유래 미생물을 사용하여 산업 폐기 가스로부터 깨끗한 수소를 생산하는 것이 실현 가능한 경로임을 보여줍니다.