i-BEL
융합생명공학과 백가현
i-BEL(융합바이오에너지공학 연구실)은 성균관대학교 융합생명공학과에 신설된 연구실로, 바이오에너지와 환경공학, 전기화학 등 다양한 학문을 융합하여 지속가능한 에너지 및 자원순환 기술을 개발하는 데 주력하고 있습니다. 본 연구실은 폐기물로부터 바이오에너지 및 바이오연료를 생산하는 혁신적인 생물전기화학 시스템의 설계와 운전 최적화, 그리고 미생물 기반의 환경정화 및 에너지 회수 기술 개발에 집중하고 있습니다.
특히, 미생물 전기합성 기반의 생물학적 탄소 포집 및 활용(CCU) 기술을 통해 이산화탄소를 고부가가치 자원으로 전환하는 연구를 선도하고 있습니다. 이를 위해 미생물 군집의 전자전달 메커니즘, 전극 소재의 개발, 반응기 구조의 개선 등 다양한 요소를 통합적으로 연구하며, 데이터 기반의 성능 예측 및 최적화 기법도 적극적으로 도입하고 있습니다.
또한, 미생물 군집 내 전기적 공생(Electric Syntrophy) 메커니즘을 규명하고, 이를 촉진할 수 있는 전도성 물질 및 운전 조건을 탐색함으로써, 메탄 생성 및 에너지 회수 효율을 극대화하는 새로운 공정 설계 전략을 제시하고 있습니다. 이러한 연구는 폐기물 처리와 에너지 생산을 동시에 달성할 수 있는 친환경적이고 경제적인 솔루션을 제공하는 데 큰 의의를 갖고 있습니다.
i-BEL 연구실은 실험실 규모의 연구를 넘어 파일럿 및 실규모 현장 적용까지 연구 범위를 확장하고 있으며, 다양한 국내외 산학연 협력 및 정부 지원 프로젝트를 통해 기술의 실용화와 산업적 확산을 적극적으로 추진하고 있습니다. 미래에는 탄소중립 사회 실현과 지속가능한 발전에 기여하는 핵심 연구기관으로 성장하는 것을 목표로 하고 있습니다.
이처럼 i-BEL은 환경생물학, 미생물학, 전기화학, 데이터사이언스 등 다양한 분야의 융합을 바탕으로, 차세대 바이오에너지 및 환경기술 개발을 선도하며, 친환경적이고 지속가능한 미래사회를 위한 혁신적인 연구를 지속적으로 수행하고 있습니다.
Bioelectrochemical Systems
Microbial Methanogenesis
Microbial Electrolysis Cells
생물전기화학 시스템의 설계 및 운전 최적화
생물전기화학 시스템(Bioelectrochemical Systems, BES)은 미생물의 전기화학적 특성을 활용하여 폐기물로부터 에너지를 생산하거나 오염물질을 처리하는 혁신적인 기술입니다. 본 연구실에서는 BES의 효율적인 설계와 운전 조건 최적화를 통해 에너지 회수율을 극대화하고, 다양한 유기성 폐기물의 처리 효율을 높이는 연구를 수행하고 있습니다. 이를 위해 전극 재료의 선택, 반응기 구조의 개선, 전기화학적 조건의 조절 등 다양한 요소를 체계적으로 분석하고 있습니다.
특히, BES 내에서 미생물 군집의 구조와 상호작용을 심층적으로 분석하여, 전자전달 효율을 높이는 미생물 조합 및 운전 전략을 개발하고 있습니다. 데이터 기반의 성능 평가와 머신러닝 기법을 접목하여, 다양한 규모와 조건에서의 BES 성능 예측 및 최적화 방안을 제시하고 있습니다. 이러한 접근은 실험실 규모를 넘어 파일럿 및 실규모 적용까지 확장될 수 있는 기반을 마련합니다.
이 연구는 에너지 생산과 환경 보호를 동시에 달성할 수 있는 지속가능한 기술 개발에 기여하며, 미래의 친환경 에너지 시스템 구축에 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다. 또한, BES의 상용화와 실용화를 위한 기술적 장애요소를 극복하고, 다양한 산업 현장에 적용 가능한 맞춤형 솔루션을 제공하는 데 중점을 두고 있습니다.
미생물 전기합성 기반 생물학적 탄소 포집 및 활용(CCU) 기술
생물학적 탄소 포집 및 활용(Carbon Capture and Utilization, CCU) 기술은 대기 중의 이산화탄소를 효과적으로 포집하여 유용한 자원으로 전환하는 친환경 기술입니다. 본 연구실은 미생물 전기합성(Microbial Electrosynthesis)을 활용한 CCU 기술 개발에 집중하고 있습니다. 미생물 전기합성은 전극을 통해 미생물에게 전자를 공급함으로써, 이산화탄소를 메탄, 아세트산 등 고부가가치 화합물로 전환하는 혁신적인 방법입니다.
이 과정에서 미생물 군집의 전자전달 메커니즘, 전극 재료의 특성, 반응 조건 등이 전환 효율에 큰 영향을 미치므로, 본 연구실에서는 미생물 군집의 구조와 기능을 정밀하게 제어하고, 최적의 전기화학적 환경을 조성하는 연구를 진행하고 있습니다. 또한, 다양한 폐기물 및 바이오매스를 활용하여 이산화탄소의 생물학적 전환 효율을 높이고, 에너지 및 자원 순환의 새로운 패러다임을 제시하고 있습니다.
이러한 연구는 탄소중립 사회 실현을 위한 핵심 기술로 주목받고 있으며, 산업적 적용 가능성을 높이기 위한 파일럿 스케일 실증 연구도 병행하고 있습니다. 궁극적으로는 대규모 이산화탄소 저감과 동시에 경제적 가치 창출이 가능한 지속가능한 CCU 시스템 구축을 목표로 하고 있습니다.
미생물 군집 내 전기적 공생(Electric Syntrophy) 메커니즘 규명
미생물 군집 내 전기적 공생(Electric Syntrophy)은 서로 다른 미생물 종이 직접적인 전자 교환을 통해 에너지 대사를 효율적으로 수행하는 현상입니다. 본 연구실은 다양한 환경에서 미생물 간 직접 전자전달(Direct Interspecies Electron Transfer, DIET) 메커니즘을 규명하고, 이를 촉진할 수 있는 조건과 소재를 탐구하고 있습니다. 특히, 전도성 물질(예: 마그네타이트, 탄소섬유 등)의 첨가가 미생물 군집 구조와 메탄 생성 효율에 미치는 영향을 심도 있게 분석하고 있습니다.
이 연구는 미생물 군집 내에서의 전자 흐름을 정량적으로 측정하고, 주요 미생물 종의 역할과 상호작용을 분자생물학적, 전기화학적 방법으로 규명하는 데 중점을 두고 있습니다. 이를 통해, 기존의 간접적 전자전달 방식보다 더 빠르고 안정적인 메탄 생성 및 에너지 회수가 가능함을 실험적으로 입증하고 있습니다. 또한, 다양한 폐기물 처리 및 바이오에너지 생산 공정에 적용 가능한 전기적 공생 기반의 공정 설계 및 운전 전략을 개발하고 있습니다.
이러한 연구는 미생물 생태계의 근본적인 이해를 바탕으로, 고효율 바이오에너지 생산 및 환경오염 저감에 기여할 수 있는 새로운 기술적 접근을 제시합니다. 미래에는 전기적 공생 메커니즘을 활용한 맞춤형 미생물 군집 설계 및 산업적 응용이 더욱 확대될 것으로 기대됩니다.
1
A data-driven approach to evaluate performance trends across different scales of bioelectrochemical systems
Chaeyeon Park, Geon-Soo Ha, Myeonggyun Kim, Suye Bae, Yeonju Jeong, Min-Gu Sim, Bruce E. Logan, Gahyun Baek
Chemical Engineering Journal, 2025
2
Influence of ion exchange membrane types on microbial electrosynthesis performance and biomethane production
Myeonggyun Kim, Geon-Soo Ha, Gahyun Baek
Bioresource Technology, accepted, 2025
3
Pre-fermentation and filtration pretreatments enhance hydrogen production from food waste through microbial electrolysis
Danbee Kim, Yunjeong Choi, Junho Cha, Huiju Park, Gahyun Baek, Changsoo Lee
Bioresource Technology, 2025
3
전발효 연계 생물전기화학 시스템 기반 고효율 수소 생산기술 개발 및 통합 공정 실증(2단계 1차년도)
