수상자 상세정보
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동식물에서 유래한 유기성 폐자원을 수소와 메탄 같은 유용한 자원으로 전환하는 연구에 매진해 수소경제 실현 및 2050 탄소중립 성공을 뒷받침할 기반 기술을 개발함
ㅇ 김상현 교수는 친환경 생명과학 수소(그린 바이오수소)의 고효율 연속 생산 기술을 개발하였다. 해당 기술은 수소경제 실현 및 2050 탄소중립 성공을 뒷받침할 기반 기술로 높이 평가되었다.
ㅇ 기존의 생명과학(바이오) 수소 생산은 음식물쓰레기, 농업부산물 같은 유기성 폐기물을 처리하면서 생산되는 생명과학 가스(바이오가스)를 화학적으로 개질하는 방식이 사용되는데, 친환경적이지만 생산공정이 복잡하고 생산 성능이 낮은 문제가 있었다.
김상현 교수는 이러한 문제를 해결하고자 미생물의 입상화*를 촉진하는 기술을 이용해 기존의 값비싼 멸균 과정 없이 활성이 높은 수소 생산 미생물을 고농도로 보유하는 연속 수소 생산 기술을 개발하였다.
ㅇ 김상현 교수는 수소 생성균을 포함한 미생물들이 수 밀리미터(㎜) 크기로 서로 뭉쳐서 입상화된 그래뉼*이 형성되면 유기물에서 직접 수소를 생산하는 생물학적 생명과학 수소(바이오 수소) 생산의 효율과 안정성이 높아짐을 밝혔다.
ㅇ 또한, 연속 수소 생산 기술을 적용하여 세계 최고 수준의 연속 생명과학(바이오) 수소 생산 성능(94 m3/m3·d*)을 구현하였으며, 2022년부터 산·학·연 공동연구를 통해 시험생산 규모(파일럿 스케일, pilot-scale)**의 수소 생산 연구를 진행 중이다.
오늘날 지구는 기후 온난화와 환경오염이라는 전례 없는 위기에 직면하였습니다. 이에 전 세계적으로 탄소배출 규제가 강화되고 있으며, 지속가능한 경제 성장을 위한 친환경 에너지 및 자원순환 기술 개발 노력도 한창입니다. 7월 수상자인 김상현 교수는 유기성 폐자원을 원료로 활용해, 차세대 청정에너지로 주목받는 '그린수소'의 생산성을 획기적으로 높이며 친환경 에너지 전환과 자원순환의 새로운 해법을 제시하였습니다. 7월 10일, 대체에너지의 중요성과 에너지 자립의 필요성에 대한 인식을 높이기 위해 제정된 ‘세계 에너지 독립의 날(Global Energy Independence Day)’을 앞두고 만난 김상현 교수는 자신의 연구가 “기존 공정을 대체할 수 있는 새로운 기술로 자리 잡고, 더 많은 연구자들에게 영감을 줄 수 있기”를 희망하였는데요. 여름방학과 함께 무더위가 찾아왔지만, ‘이열치열(以熱治熱)’의 자세로 열정적으로 연구에 매진하며 실험실을 지키는 그의 도전을 소개합니다.
큰 영광이고, 무엇보다 열심히 연구해서 좋은 성과를 함께 이룬 제자들에게 고맙다는 말을 전하고 싶습니다.
방학은 수업이 없어 대학원생들과 자주 만나 깊이 있게 소통하고, 논문을 읽고 쓰는데 집중할 수 있어 더 없이 좋은 시기입니다. 우리 연구실은 현재 세계 최고 수준의 바이오수소 생산 기술을 연구하고 있습니다. 특히 현장 중심의 대규모 연구(pilot-scale)와 병행하여 여러 원천 연구를 활발히 추진하고 있습니다. 최근에는 전도성 물질을 이용한 수소 그래뉼* 생성 촉진, 바이오플라스틱 분해, 자력을 이용한 폐수 내 인 회수와 같은 새로운 원천 연구들을 시작하여, 이번 여름은 어느 때보다 바쁘게 지낼 것 같습니다. 하지만, 바쁜 연구 일정 중에도 구성원들이 단합하고 팀워크를 다지는 활동도 중요합니다. 이를 위해 연구실 구성원들과 함께 하는 여행도 계획하고 있어 기대가 큽니다.
유기성 폐자원입니다. 즉, 동식물에서 유래한 음식물쓰레기, 하수슬러지, 가축분뇨 등 자원으로 활용되지 못하고 버려지는 폐기물을 생물학적 기반의 혐기성* 발효 및 혐기성 소화를 통해 수소, 메탄 같은 유용한 자원으로 전환하는 연구입니다.
제가 어렸을 때 우리나라는 개발도상국이었습니다. ‘환경’ 보다 ‘개발’과 ‘성장’에 방점을 두던 시기였지요. 많은 강과 호수가 지금보다 더러웠고 악취가 났습니다. 환경오염 관련 사고도 자주 있었고요. 자연스럽게 환경 문제에 관심을 가지게 되었습니다. 과학기술을 통해 환경문제 해결에 기여할 수 있는 환경공학자를 직업으로 삼고 싶다는 생각을 하며 대학원 진학을 결정한 것이 벌써 27년 전입니다. 지도교수님을 처음 뵈었을 때 연구실 연구주제 중에서 가장 오염 정도가 심한 대상을 다뤄보고 싶다고 말씀드려 ‘혐기성’그룹에 속하게 되었습니다. 그 이후 운 좋게도 계속 관련 연구를 하고 있습니다.
먼저 바이오수소란 생물 유래 유기물, 즉 바이오매스를 원료로 생산되는 수소를 의미합니다. 수소가 친환경 연료로 주목받는 이유 중 하나는 연소 시 이산화탄소를 배출하지 않기 때문입니다. 하지만 수소를 생산하는 과정에서 많은 이산화탄소가 발생하면 기존 화석연료를 사용하는 것보다도 기후변화에 악영향을 줄 수 있습니다. 그래서 생산 과정에서 이산화탄소를 발생시키지 않는 수소, 소위 ‘그린수소’가 주목받습니다. 환경에 무해한 재료로 만드는 바이오수소는 그린수소가 될 잠재력이 있습니다.
하지만, 기존의 바이오수소 생산 방식은 유기성 폐기물을 처리하면서 동시에 수소를 생산한다는 친환경적 측면에서의 의의는 있지만, 생산을 위해 여러 단계의 과정이 필요했습니다. 그 과정에서 탄소 발생량이 증가하고, 경제성이 저하되는 한계가 있습니다. 그래서 바이오가스 등 다른 자원화 산물에 비해 환경적, 경제적 장점이 크지 않았습니다. 저희가 연구, 개발 중인 혐기성 수소 발효는 비교적 간단한 배양 환경에서, 다양한 유기성 폐기물을 활용하여, 매우 높은 생산성으로 수소를 추출할 수 있다는 장점이 있습니다.
먼저 수소 생산 그래뉼의 특성 분석을 통해 그래뉼의 형성 기작을 제안했습니다. 그래뉼은 미생물이 수 mm 크기로 서로 뭉쳐서 형성되는 것을 의미하며, 이러한 현상을 자가 입상화라고 합니다. 미생물을 이용하는 공정에서 그래뉼이 형성되면 미생물을 고농도로 보유하게 되어 공정의 효율이 높아집니다. 특히 높은 바이오수소 생산 효율을 가지기 위해서는 수소 생산 그래뉼의 형성과 유지가 필수입니다.
그리고 이를 활용하여, 나일론, 폴리에스터, 스테인레스와 같은 저가의 지지물질 표면에 미생물을 부착해서 자라게 하고, 부착된 미생물층(바이오필름)과 수직으로 유출수를 뽑아내는 원리로 운전되는 동적막 공정에서, 세계 최고 성능의 연속 바이오수소 생산을 구현했습니다.
현재 연세대학교, 한국생산기술연구원, SK에코플랜트가 함께 수행하는 연구과제에서 앞서 말씀드린 동적막을 이용하여 600 L 규모에서 60 m3/m3·d(세제곱미터/세제곱미터·일) 이상의 수소 생산 성능을 장기간 연속 유지하는 것을 목표로 pilot-scale 규모 생산 연구를 진행 중입니다. 기존에 더 큰 규모에서 바이오수소 생산을 연구한 사례들은 있지만, 단위 용적당 일일 수소 생산 성능이 10 m3/m3·d이하였습니다.
환경에 무해한 원료를 생물학적 방법으로 전환하는 바이오수소는 그린수소의 일종으로, 우리나라와 같이 수소 경제로의 전환을 계획하고 있는 많은 국가에서 필요로 하는 기술입니다. 또한 우리나라는 올해부터 지자체 별 유기성폐자원(음식물쓰레기, 하수찌꺼기, 가축분뇨) 발생량에 비례해서 메탄 또는 수소를 생산해야 하기 때문에, 이번 연구개발에 대한 동력이 충분합니다.
가까운 미래에 우리 사회가 필요로 하는 연료의 상당량을 분산 설치된 그린 수소생산 시설에서 직접 수소를 생산·저장하여 충전하는 형태로 공급할 것으로 전망됩니다. 우리 연구실에서 개발된 공정, 운전기법, 해석방법은 분산형 그린수소 생산을 환경기초시설에서 구현하는 원천 기술로 활용될 것으로 기대됩니다.
저희 연구실은 동적막 공정을 이용한 수소 생산 연구를 2016년부터 시작했습니다. 그런데 2020년에 6개월 정도 연구실의 모든 실험장치에서 갑자기 수소가 생성되지 않는 일이 있었습니다. 폐기물을 다루는 우리 연구실은, 공정의 현장 적용성을 중요시하기 때문에 수소 생산을 비멸균 조건에서 혼합 미생물을 이용해서 수행하고, 혼합 미생물의 원료로 하수찌꺼기(슬러지)를 사용해 왔습니다. 그런데, 어느 순간부터 기존에 수소가 잘 발생하던 슬러지에서 수소가 나오지 않았습니다. 열 곳이 넘는 전국 하수 및 폐수처리장에서 나오는 각기 다른 슬러지를 다양한 방법으로 테스트해 봤지만 모든 곳에서 수소가 나오지 않았습니다. 아직 명확한 증거는 없지만 코로나로 인해 하수 내 소독제 또는 감기약 성분의 농도가 증가한 것이 영향을 주었을 수 있다고 생각합니다. 아무튼, 두 건의 연구과제 수행과 대학원생 네 명의 졸업이 위태로워지는 매우 암담한 상황이었습니다. 많은 시도 끝에 수소 생산 순수 균주와 혼합 미생물을 함께 배양하는 기술과 혼합 미생물 내 미생물 조성 변화를 빠르게 모니터링하는 기술을 개발해서 이를 돌파했습니다. 그 당시 절실하게 개발한 기술들은 이후 식종 슬러지의 상태에 거의 영향을 받지 않으면서 바이오수소 생산 성능을 높이고 유지하는데 큰 도움이 되고 있습니다.
몇 년 전 대학원에 갓 입학한 신입생이 저에게 “교수님은 연구자로서의 꿈이 무엇입니까?”라고 물어보기에, “나는 그동안 석사과정 학생들은 졸업하면서 좋은 논문 하나씩, 박사과정 학생들은 재학 중 매년 좋은 논문 하나씩 쓰도록 지도하려고 노력해 왔는데 앞으로도 퇴임 때까지 그걸 유지하는 게 꿈이다.”라고 대답했습니다. 아마도 큰 비전을 제시해 줄 거라고 기대했을 학생을 실망시킨 것 같지만, 정말로 그것이 연구자로서 저의 가장 큰 소원이고, 정신력, 열정, 체력을 필요로하는 버거운 목표입니다. 좋은 논문을 쓰기 위해서는 완전히 새롭거나, 성능이 최고인 연구 결과를 얻어야 하고, 또 이를 논리적으로 설명해야 합니다. 그러려면 연구 대상에 대해 읽고, 실험하고, 쓰는데 헌신해야 합니다. 저도 그렇고 학생들도 그렇습니다.
업한 제자들이 교수가 되거나 원하는 곳에 취직했을 때, 그래서 그 제자들과 동료가 되어 같이 연구할 때가 제일 좋습니다. 그리고 재학생들이 제가 생각하지 못했던 새로운 결과와 해석을 보여줄 때가 가장 좋습니다. “어떻게 저렇게 잘하지?”,“와, 어떻게 저런 생각을 했지?”라는 생각을 하게 하는 대상이 제가 가르친 제자일 때 정말 행복합니다.
제가 다루는 유기성 폐자원과 하폐수 처리에서 가장 광범위하게 상용화된 기본적인 두 기술이 활성슬러지와 혐기성 소화(바이오가스화)입니다. 둘 다 백년이 넘는 역사를 가지고 있습니다. 혐기성 수소 발효도 아직은 혐기성 소화의 응용 기술에 가깝다고 봐야 합니다. 제 연구 결과를 바탕으로 개발된 기술들이 기존 기술과의 차별성이 보다 뚜렷해지고, 환경적, 경제적 장점이 뛰어나 많은 연구자들이 연구하게 되어, 궁극적으로 기존 기술을 대체하는 새로운 기술로 정의되고 환경 산업에 많이 적용되어, 미래 세대의 삶이 향상되는데 기여하는 것이 제 연구의 궁극적인 목표입니다.
여러 직업 중 과학기술자를 꿈꾼다면, 아마도 과학에 흥미가 있고, 학업 능력 또는 과학 탐구에 필요한 능력이 높은 학생일 가능성이 높다고 생각합니다. 이러한 기본 소양이 있는 학생이라는 전제하에, 첫째로 논리적 글쓰기, 말하기, 읽기, 듣기 능력을 키우기를 권장합니다. 과학기술자는 수많은 전문 정보를 빠르게 습득하고, 자신의 연구결과를 글과 발표로 논리적으로 설명할 수 있어야 합니다. 그리고 동료와 함께 원만하게 일하고, 연구비 확보를 위해 상대를 설득하는데도 소통 능력은 필수적이지요. 둘째로 내가 정말로 좋아하는 것과 잘하는 것이 무엇인지 알아가는 기회를 적극적으로 찾아보기 바랍니다. 과학기술자가 되기 위해서는 다른 직업보다 긴 준비 시간이 필요합니다. 그걸 이겨 내기 위해서는 내가 하는 연구에 대한 애착과 미래를 낙관할 수 있는 자기 확신이 필요합니다. 그리고, 이 같은 자질들은 다양한 경험에 기반하지 않고는 단단하게 가지기 어렵습니다.
