KR100483624B1 - 환경 쇼크를 이용한 미생물 연료전지의 전류량 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 환경 쇼크를 이용한 미생물 연료전지의 전류량을 제어하는 방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 미생물 연료전지를 구성하는 미생물에 온도 쇼크(shock) 또는 세포막 유동성 약물 쇼크를 가하여 미생물 세포막의 유동성을 변화시킴으로써 전자매개체의 세포막 투과율에 따라 연료전지의 전극에 전달되는 전자의 양을 변화시키는 미생물 연료전지의 전류량을 제어하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라 지금까지 미생물 연료전지 분야의 연구에서는 간과되어 왔던 세포막에 대한 전자매개체의 투과성 정도가 미생물 연료전지의 효율을 결정하는 중요한 요소라는 사실을 확인할 수 있었고, 이를 역으로 응용한다면 미생물 연료전지를 이용한 바이오센서를 제작할 때에 원천기술을 제공할 수 있다.

Description

환경 쇼크를 이용한 미생물 연료전지의 전류량 제어 방법 {Method for controlling electric current of microbial fuel cell by environmental shocks}

본 발명은 미생물 연료전지의 전류량을 제어하는 방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 미생물 연료전지를 구성하는 미생물에 온도 쇼크(shock) 또는 유동성 약물 쇼크를 가하여 미생물 세포막의 유동성을 변화시킴으로써 전자매개체의 세포막 투과율에 따라 연료전지의 전극에 전달되는 전자의 양을 변화시키는 미생물 연료전지의 전류량을 제어하는 방법에 관한 것이다.

연료전지는 기본적으로 화학반응에 의해 발생하는 전자를 전극에 전달하여 전력을 발생시키는 장치로, 연료전지의 장점은 고출력, 고효율 뿐만 아니라 환경 오염 정도가 적어 환경친화적이다. 현재 환경오염 문제는 전세계적인 핫이슈로서 특히환경오염의 주범인 자동차 배기가스의 문제를 해결하기 위해 연료전지로 작동하는 자동차에 관한 연구가 폭넓게 진행되고 있으며 가까운 장래에 상용화될 전망이다. 이에 전세계 연료전지 관련 시장은 2005년까지 25억 달러, 2010년까지는 그 세배인 85억 달러에 이를 것으로 예상되고 있다. 현재 미국, 일본, 유럽 등에서 활용 연구가 활발한 가운데, 가정용 전력생산에 사용되는 연료전지 개발에 이어 자동차나 우주 비행선, 잠수함 등의 전력 공급원으로 사용하기 위한 실용적인 연료전지 개발에 대한 연구가 이루어지고 있다. 그러나, 국내의 경우, 그 연구 시작 시점이 늦었을 뿐만 아니라, 현재까지는 기초적인 전극개발이나 시스템 구축 차원에 머물러 경쟁력 있는 제품 개발까지는 아직 거리가 있는 상태이다.

한편, 미생물 연료전지는 순수 화학반응에 의한 것이 아니라 미생물의 생체 대사 과정 중에 일어나는 생화학 반응을 이용하므로 고온, 고압과 같은 특수 작동환경을 요구하지 않고, 전극의 부식문제도 상대적으로 적다고 할 수 있다. 그러나 살아있는 생명체를 이용하므로 그 작동이나 제어가 쉽지 않아 연구 그룹도 전세계적으로 극히 희박하며, 국내의 경우는 거의 전무한 실정이다. 미생물 연료전지의 효율을 증가시키기 위해 국내외적으로 진행된 연구내용은 연료전지 구동용으로 적당한 미생물의 스크리닝, 미생물 세포막에서 전자를 획득하여 전극에 전달하는 전자매개체의 선택에 대한 것이 대부분이고, 연속적인 사용을 위한 미생물의 연속배양 방법을 접목하는 시도라든지, 미생물 연료전지를 바이오센서에 응용한 사례가 전부라고 할 수 있다. 연료전지에 대한 연구나 시장성은 해가 지나면서 크게 증가하고 있으나, 미생물 연료전지에 관한 연구나 발명은 아직 큰 성과가 없는 것이 현실이다. 따라서 미생물 연료전지의 개발과 그 작동의 제어에 대한 연구가 시급한 실정이다.

이에 본 발명에서는 전술한 문제점을 해결하기 위하여 광범위한 연구를 수행한 결과, 미생물 연료전지에 사용할 균주를 시험하고, 전자매개체를 선택하여 미생물 연료전지를 구축한 후, 미생물의 배양 중 급격한 환경 쇼크를 가하는 것을 통하여 연료전지의 전류량을 제어할 수 있음을 확인할 수 있었고, 이를 기초로 하여 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 환경 쇼크를 이용한 미생물 연료전지의 전류량 제어 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 방법은 미생물 연료전지를 구성하는 미생물에 온도 쇼크 또는 세포막 유동성 약물 쇼크를 가하여 미생물 세포막의 유동성을 변화시킴으로써 전자매개체의 세포막 투과율에 따라 연료전지에 제공되는 전자의 양을 변화시키는 것으로 이루어진다.

이하, 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 미생물 연료전지를 구성하는 미생물에 환경 쇼크를 가하여 미생물 세포막의 유동성을 변화시킴으로써 전자매개체의 세포막 투과율에 따라 연료전지에 제공되는 전자의 양을 변화시키는 미생물 연료전지의 전류량을 제어하는 방법에 관한 것이다.

미생물은 항온동물과 같은 체온 유지 시스템이 없으므로, 대사과정의 항상성을 유지하기 위해 온도 변화에 반응하여 세포막의 유동성을 변화시키는 전략을 사용하여 살아가게 된다. 따라서 외부 환경이 유동성을 증가시키는 방향으로 변화하면 자신의 세포막 유동성을 감소시키는 방향으로 적응을 하고, 외부 환경이 유동성을 감소시키는 방향으로 변화하면, 자신의 세포막 유동성을 증가시키는 방법을 통해 환경 변화에 적응한다.

온도 변화는 환경 변화의 대표적인 유형으로서 온도가 증가하면 유동성이 증가하므로 미생물은 세포막의 유동성을 감소시키고, 온도가 낮아지면 유동성이 감소하므로 미생물은 세포막의 유동성을 증가시킨다. 또한, 에탄올과 같은 세포막 유동성을 증가시키는 화학약품에도 반응하여 미생물의 세포막 유동성은 감소하게 된다. 이러한 외부 환경에 맞추어 항상성을 유지하려는 미생물의 특성을 호메오비스코스 어댑테이션(homeoviscous adaptation)이라고 한다.

한편, 미생물 연료전지에서 미생물의 세포막은 미생물의 대사과정 중에 발생하는 전자의 누출을 방지하는 역할을 한다. 따라서 연료전지의 전극에 전자가 전달되기 위해서는 세포막을 투과해 들어가서 미생물로부터 전자를 받아올 수 있는 전자매개체의 역할이 필수적이다. 본 발명에서 초점을 맞춘 부분이 바로 이 과정인데, 세포막의 유동성이 증가되어 있는 상태가 되면 세포막 성분의 정렬 상태가 느슨해 지고 그 틈을 이용하여 전자매개체가 세포막을 투과하여 출입하기가 용이해지므로, 세포막 유동성 변화에 의거하여 미생물 연료전지의 효율을 변화시킬 수 있게 된다.

본 발명에서는 상기한 바와 같은 미생물의 특성을 이용하여 미생물 연료전지의 전류량을 제어할 수 있었다.

본 발명에 따른 미생물 연료전지에 있어서, 양극 및 음극은 통상적인 미생물 연료전지에서 사용하는 전극이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있는데, 그 예로는 흑연 막대, 흑연판, 또는 표면적을 넓게 할 수 있는 흑연 화이버(fiber) 등의 흑연전극, 백금 플레이트 등을 들 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 미생물 연료전지는 양극에서 발생하는 수소이온을 통과시키기 위하여 양극 반응조와 음극 반응조 사이에 이온 교환막을 구비할 수 있는데, 본 발명에서 사용가능한 이온 교환막의 예로는 미세 유리입자를 소결한 이온 교환막이나 세라믹, 합성수지 등으로 만든 이온 교환막을 들 수 있다.

본 발명에 따른 양극과 음극 전해질은 통상적인 미생물 연료전지에서 사용되는 전해질이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 양극 전해질의 예로는 0.1몰 NaCl을 함유하는 0.05몰 인산염 완충용액(pH 7.0)을 들 수 있으며, 바람직하게는 0.05몰의 인산염 완충용액(pH 7.0)이다. 음극 전해질로는 급격한 수소이온 농도의 변화를 막을 수 있는 완충용액을 사용할 수 있다.

본 발명의 미생물 연료전지에 사용된 미생물은 미생물 연료전지에 통상적으로 사용되는 것으로, 프로테우스 불가리스(Proteus vulgaris), 대장균(E. coli), 알칼리젠시스 유트로퍼스(Alcaligenses eutrophus), 아조토박터 크로오코쿰(Azotobacter chroococum), 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis), 슈도모나스 에어루지노사(Pseudomonas aeruginosa), 또는 슈도모나스 푸티다(Pseudomonas putida) 등을 들 수 있다.

본 발명의 미생물 연료전지에 사용된 전자매개체는 티오닌(thionine), 메틸렌 블루, 아주르 에이(azur A), 및 벤질 비올로겐(benzyl viologen)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나이다.

본 발명에서 사용된 환경 쇼크는 온도와 세포막 유동성 증가 약물로, 상기 온도 쇼크의 범위는 0 내지 50℃이고, 0℃ 미만이면 완충용액이 냉동되어 고체상태로 변하게 될 뿐만 아니라 미생물이 대사활성을 중지하게 되고, 50℃를 초과하면 대부분의 미생물이 사멸하거나 대사활성이 극도로 저하되는 문제가 발생하게 된다.

상기 세포막 유동성 증가 약물은 에탄올, 메탄올, 프로판올, 및 아세톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나이고, 더욱 바람직하게는 에탄올이다.

본 발명에 따라 미생물 연료전지의 효율에 세포막의 유동성이 중요한 인자임을 확인할 수 있었고, 이를 통하여 미생물 연료전지의 전류량을 쉽게 제어할 수 있었으며, 이는 또한 미생물의 열안정성을 측정하거나, 유해물질인 각종 유기용매류에 대한 센서 제작 등의 다양한 미생물 연료전지 타입의 바이오센서로 응용될 수 있다.

예를 들어, 발생전류량 대비 미생물의 개체수를 측정하여 표준 측정곡선을 만들어 놓고, 미생물 연료전지에 과도한 열을 가해서 일부의 미생물을 사멸시킨다면 연료전지에서 발생하는 전류의 양이 감소할 것이므로, 이를 역으로 환산하면 미생물 고유의 열안정성을 측정할 수 있다. 또한, 미생물마다 특이하게 분해하는 기질이 존재하므로 이를 이용하여 미생물 연료전지를 구동하여 발생하는 전류량을 측정한다면 이를 통해 기질의 양을 측정할 수 있다.

이하, 하기 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하지만, 이에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

미생물 연료전지용 미생물의 배양 및 환경 쇼크

프로테우스 불가리스(Proteus vulgaris)와 대장균(E. coli)을 영양 배지인 소고기 추출물(beef extract) 3g/L, 펩톤 5g/L 배지에서 37℃로 배양하였다. 이들이 활발한 증식을 마치기 시작하는 대수증식기의 중후반에 환경 쇼크를 가하여 세포막 유동성의 변화를 유도하였다. 환경 쇼크로는 온도 쇼크로 각각 10℃, 25℃, 37℃(일반조건) 및 46℃에서 3시간 동안 처리를 하였고, 에탄올 쇼크로 각각 0.5(w/v)%, 1.0(w/v)%, 및 3.0(w/v)%를 가하여 3시간 동안 수행하였다. 그 다음 상기 배양물을 8,000rpm으로 10분간 4℃에서 원심분리하여 침전된 미생물을 수득하고, 다시 50mM 인산염 완충용액(pH 7.0)으로 세척하여 잔여 배양액을 제거하였다. 이를 다시 8,000rpm으로 10분간 4℃에서 원심분리하여 다시 미생물을 수득하고, 완충용액 현탁 과정을 한번 더 반복하여 배양액 성분이 제거된 미생물 균체를 얻을 수 있었다. 얻어진 균체는 20mg(건조 중량)/mL 농도로 스톡을 만들어 사용하였다.

실시예 2

미생물 연료전지의 작동

실시예 1에서 온도 쇼크 처리를 실시한 프로테우스 불가리스(Proteus vulgaris)와 대장균(E. coli) 미생물 균체를 이용하여 미생물 연료전지를 구축하고 실제로 작동시켜 전류발생을 확인하였다.

연료전지의 내부 사이즈는 음극, 양극 모두 45×45×15mm 규격으로 제작하였고, 음극과 양극의 중간막은 알드리치사의 Nafion 117을 사용하여 음극과 양극을 분리함과 동시에 수소이온이 통과할 수 있도록 하였다. 전자가 발생되는 양극에는 인산염 완충용액 17mL에 균주 현탁액 1mL를 첨가하고, 전자매개체로 티오닌 1mmol을 사용하였다. 음극 용액은 전자 전달이 빠르고 가역적인 페리시아나이드(ferricyanide) 용액을 사용하여 양극에서 발생한 전자를 소화할 수 있도록 하였다. 한편, 양극에 사용된 전극재질은 망상 유리질 카본(reticulated vitreous carbon, RVC, 30×30×12mm), 음극에 사용된 전극재질은 백금 플레이트(30×30×0.5mm)였으며, 작동 용액의 부피는 음극과 양극 모두 20mL이 되도록 조절하였다.

각각의 온도 쇼크를 처리한 미생물을 양극에 첨가하여 미생물 연료전지의 전류량이 변화하는 것을 확인하였으며, 이는 퍼스널 컴퓨터에 연결된 아날로그-디지털 보드를 사용하여 각 미생물 연료전지의 시간에 따른 전압 변화를 측정하고, 이를 전류의 변화로 환산한 후, 프로테우스 불가리스와 대장균 미생물 균체에 대해 각각 도 1a 및 도 1b의 그래프로 나타내었다.

상기 도 1a-b에 나타낸 그래프의 면적값을 적분하여 발생한 총 전하량을 계산한 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

온도(℃)	전하량(C)
	프로테우스 불가리스	대장균
10	0.73	0.77
25	0.76	0.74
37(일반조건)	0.69	0.68
46	0.25	0.42

상기 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 프로테우스 불가리스와 대장균 모두 10℃, 25℃의 저온처리를 한 경우에는 전하량이 다소 증가하였고, 이와는 반대로 46℃의 고온 쇼크를 처리한 경우는 전하량 발생정도가 급격히 감소함을 확인할 수 있었다.

실시예 3

미생물 연료전지의 작동

실시예 1에서 에탄올 쇼크 처리를 실시한 프로테우스 불가리스와 대장균 미생물 균체를 사용한 것 외에는 실시예 2와 동일하게 하여 미생물 연료전지를 구축하고 실제로 작동시켜, 전류발생을 확인하였으며, 그 결과를 각각 도 2a 및 2b에 나타내었다.

상기 도 2a-b에 나타낸 그래프의 면적값을 적분하여 발생한 총 전하량을 계산한 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

에탄올(%)	전하량(C)
	프로테우스 불가리스	대장균
0	0.73	0.69
0.5	0.64	0.62
1.0	0.48	0.40
3.0	0.40	0.34

상기 표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 프로테우스 불가리스와 대장균 모두 세포막 유동성 약물인 에탄올 처리량에 따라 전하량 발생정도가 감소함을 확인할 수 있었다.

실시예 4

전기화학적 방법을 이용한 세포막 투과성 검토

프로테우스 불가리스(Proteus vulgaris)의 세포막 유동성이 환경 쇼크에 따라 변화하고, 이에 따라 전자매개체의 투과도가 변화하는 것을 전기화학적 방법으로 확인하였다.

각각 온도 쇼크와 에탄올 쇼크를 가한 프로테우스 불가리스 균주의 세포막 지질 성분을 클로로포름과 메탄올을 사용하여 추출 및 정제하였고, 정제된 지질 성분을 10mg/mL 농도가 되도록 클로로포름에 녹여 스톡으로 사용하였다.

50mM 인산완충액 중에 전자매개체인 티오닌 0.5mM를 녹여 전자매개체 용액을 제조하고, 이를 탄소전극에 추출한 각각의 지질을 입혀서 필름을 만들고 사이클로볼타메트리(cyclovoltametry) 측정을 실시하였다. 카운터(counter) 전극으로는 백금을 사용하였고 기준(reference) 전극으로는 Ag|AgCl|KCl_sat을 사용하였다.

사이클로볼타메트리에서 Y축 값은 발생하는 전류로서, 이는 측정 대상물의 농도에 비례하게 된다. 지질막은 전기적으로 부도체 역할을 하므로 전자매개체에 의해 발생하는 전류를 차단하게 되는데, 전자매개체가 지질막을 잘 투과할수록 전극에 전달되는 정도가 증가하므로 전류값이 높아지게 된다.

도 3a-c는 프로테우스 불가리스에 온도 쇼크를 가한 후, 세포막 지질 성분을 추출하여 전자매개체의 투과도를 측정한 사이클로볼타모그램으로, 도 3a는 37℃의 대조군, 도 3b는 25℃, 도 3c는 46℃의 온도 쇼크를 가한 것을 나타낸다.

도 4a-c는 프로테우스 불가리스에 에탄올 쇼크를 가한 후, 세포막 지질 성분을 추출하여 전자매개체의 투과도를 측정한 사이클로볼타모그램으로, 도 4a는 대조군(처리하지 않음), 도 4b는 0.5% 및 도 4c는 3.0%의 에탄올 쇼크를 처리한 것을 나타낸다.

상기 도 3a-c, 및 도 4a-c로부터 알 수 있는 바와 같이, 저온 쇼크를 처리한 경우의 지질막은 전자매개체의 전류값이 소량 증가하였고, 고온 쇼크나 에탄올 쇼크를 처리한 경우는 지질막을 잘 투과하지 못하여 전자매개체의 전류값이 낮아짐을 확인할 수 있었다. 즉, 세포막 유동성에 따라 전자매개체의 투과도가 변화하였다.

이는 세포막의 지질 성분이 일종의 부도체 역할을 하여 전자 전달이 가능한 물질이 전극 표면에 도달하지 못하도록 차단하는 역할을 하나, 세포막의 유동성이 커지면 그들 사이의 빈 공간이 증가하게 되어 티오닌 같은 전자매개체가 그 사이를 통과하여 세포막 안으로 들어가는 양이 증가하게 되는 것이다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 지금까지 미생물 연료전지 분야의 연구에서는 간과되어 왔던 세포막에 대한 전자매개체의 투과성 정도가 미생물 연료전지의 효율을 결정하는 중요한 요소라는 사실을 확인하였고, 이를 통하여 미생물 연료전지의 전류량을 쉽게 제어할 수 있었으며, 이는 또한 미생물의 열안정성을 측정하거나, 유해물질인 각종 유기용매류에 대한 센서 제작 등의 다양한 미생물 연료전지 타입의 바이오센서로 응용될 수 있다.

도 1a는 본 발명에 따라 프로테우스 불가리스(Proteus vulgaris)에 온도 쇼크(shock)를 가한 후, 미생물 연료전지에서 발생하는 전류 발생 패턴을 나타낸 그래프이다.

도 1b는 본 발명에 따라 대장균(E. coli)에 온도 쇼크를 가한 후 미생물 연료전지에서 발생하는 전류 발생 패턴을 나타낸 그래프이다.

도 2a는 본 발명에 따라 프로테우스 불가리스에 약물(에탄올) 쇼크를 가한 후 미생물 연료전지에서 발생하는 전류 발생 패턴을 나타낸 그래프이다.

도 2b는 본 발명에 따라 대장균에 약물(에탄올) 쇼크를 가한 후 미생물 연료전지에서 발생하는 전류 발생 패턴을 나타낸 그래프이다.

도 3a-c는 본 발명의 실시예에 따라 프로테우스 불가리스에 각각 37℃(a), 25℃(b), 및 46℃(c)의 온도 쇼크를 가한 후, 세포막 지질 성분을 추출하여 전기화학적으로 전자매개체의 투과도를 측정한 사이클로볼타모그램(cyclovoltammogram)이다.

도 4a-c는 본 발명의 실시예에 따라 프로테우스 불가리스에 각각 0%(a), 0.5%(b), 및 3.0%(c)의 에탄올 쇼크를 가한 후, 세포막 지질 성분을 추출하여 전기화학적으로 전자매개체의 투과도를 측정한 사이클로볼타모그램(cyclovoltammogram)이다.

Claims (5)

1. 미생물 연료전지를 구성하는 미생물에 온도 쇼크(shock) 또는 세포막 유동성 증가 약물 쇼크를 가하여 미생물 세포막의 유동성을 변화시킴으로써 전자매개체의 세포막 투과율에 따라 연료전지에 제공되는 전자의 양을 변화시키는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지의 전류량을 제어하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 미생물은 프로테우스 불가리스(Proteus vulgaris), 대장균(E. coli), 알칼리젠시스 유트로퍼스(Alcaligenses eutrophus), 아조토박터 크로오코쿰(Azotobacter chroococum), 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis), 슈도모나스 에어루지노사(Pseudomonas aeruginosa), 또는 슈도모나스 푸티다(Pseudomonas putida)인 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 전자매개체는 티오닌(thionine), 메틸렌 블루, 아주르 에이(azur A), 및 벤질 비올로겐(benzyl viologen)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 온도 쇼크의 범위는 0 내지 50℃인 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 세포막 유동성 증가 약물은 에탄올, 메탄올, 프로판올, 및 아세톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 방법.