| 초록 |
□ 연구개요 ■ 최종목표 나노물질의 촉매 반응 및 효소 안정화 효과를 적용한 목질계 폐바이오매스의 바이오 수소 생산 효율 향상 ■ 세부 연구목표 ① 나노물질 촉매반응 기반의 목질계 폐바이오매스 전처리 기술 최적화 - 기존 목질계 바이오매스 전처리 기술 대비 나노물질 촉매 반응의 전처리 효율 비교 - 바이오수소 생산에 최적화 된 나노물질 촉매반응 전처리 기술 확보 ② 효소 고정을 통한 나노자임 합성 및 수소발효 적용 - 상용화된 셀룰라아제 효소와 나노물질 혼합을 통한 나노자임 합성 - 회분식 수소발효 실험을 통한 합성된 나노자임의 최적 적용조건 도출 ③ 연속식 반응조 운전을 통한 바이오수소 생산 효율 향상 및 최적화 - 실험실 규모의 연속식 혐기성 수소발효 반응조 장기 운전 - 나노자임 투입에 따른 수소발효 관련 미생물 군집 변화 분석 - 바이오수소 생산 공정 설계 인자 도출 □ 연구 목표대비 연구결과 - 금속산화물과 실리카코팅금속산화물이 표면에 셀룰라아제 효소를 고정하는 각각의 메커니즘 차이로 인해 나노물질 농도 당 단백질 농도와 총 단백질 농도를 기반으로 산정된 효소 고정 효율에 차이를 보였으며, 실리카코팅금속산화물의 복합적인 효소 고정 메커니즘 (공유결합+물리적결합)이 나노자임을 합성하는데 보다 유리한 것으로 확인됨. - 나노자임이 적용된 회분식 수소발효 반응조에서 나노자임을 적용하지 않은 대조군에 비해 반응조 운전 조건에 따라 최소 21.2% (by vol.)에서 최대 69.6% (by vol.)까지 수소 생산 수율이 증가하는 결과를 확인함. - 나노자임이 적용된 회분식 중온 수소발효 조건에서는 나노입자의 분산력을 이용하여 전처리된 바이오매스의 수소발효에 비해 약간 높은 수소 생산 효율을 보였지만(6.2-13.7% by vol.), 고온 수소발효 조건에서는 반대의 경향을 나타냄. 이는 나노자임의 안정적인 셀룰라아제 효소 활성 유지와 고온에서 야기될 수 있는 단백질 변성으로 인한 효소 활성 저하에 대한 취약함을 동시에 보여주는 결과로 판단됨. - 회분식 수소발효 반응조 운전 결과와 마찬가지로 나노자임을 적용한 반응조의 경우 대조군에 비해 평균 18.6% (by vol.) 수준의 수소 생산 수율 증가가 관찰됨. - 나노물질의 분산력을 이용한 기질 전처리 시 반응조 내 당 (sugar) 분해와 관련된 미생물이 우점하는 결과로부터 리그노셀룰로오스계 바이오매스가 효과적으로 파괴되어 전처리 효과를 얻은 것을 짐작할 수 있음. - 나노자임 투입 시 나노자임 지지체로 활용된 중금속에 저항성을 갖는 미생물이 반응조 운전기간 지속에 따라 꾸준히 증가한 결과로부터, 나노자임의 투입이 미생물의 활성에 스트레스 물질로 작용할 수 있는 우려가 존재함. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) ■ 최근 관심이 높은 CO<sub>2</sub>-free ‘그린수소’ 공급 확대와 관련하여 국내에서 공급이 용이한 목질계 바이오매스를 이용하는 청정 바이오수소 생산과 해당 포트폴리오 수립에 활용될 수 있는 가치를 가질 수 있을 것으로 판단됨. ■ 장기적으로는 완전한 CO<sub>2</sub>-free 수소 생산체계를 지향하는 현 시류에 적극 부합함으로써 수소경제 이행 추진의 실현 가능성을 고양하는 방향점을 제시할 수 있음. ■ 수소발효를 비롯해 미생물의 대사활동을 기반으로 하는 바이오에너지 생산 공정에 다양하게 적용이 가능할 것으로 예상되며, 향후 해당 연구분야의 집중이 필요한 연구 방향을 제시하는 유용한 지표로 활용될 수 있을 것으로 사료됨. (출처 : 연구결과 요약문 2p) |
