미생물 발전이 끊어지는 에너지의 미래

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— 삼자 공동 프로젝트가 시작된 경위를 알려주세요.

DNP 이시카와(이하, 이시카와): 2021년, 국립 연구 개발 법인 신에너지·산업 기술 종합 개발 기구(NEDO)의 젊은 연구자 지원 프로그램 「젊은 사포」에서, 마나미 교수의 연구 발표를 들은 것이 계기입니다. 미생물을 모으기 위해 필요한 기판이 되는 허니컴 구조의 사진이 비추어져, 그것을 보는 순간에 「DNP의 기술이 반드시 도움이 된다」라고 직감했습니다.

저는 리소그래피, 즉 재료의 표면에 의도한 미세한 형상(패턴)을 고정밀도로 형성하는 패터닝 기술의 개발에 종사해 왔습니다. 인쇄의 기본이 되는 미세 가공 기술은, 디스플레이나 반도체라고 하는 분야에서 사용되는 것이 많습니다만, 그것이 환경이나 에너지라고 하는 테마에도 전용할 수 있을지도 모른다. 그렇게 느끼고, 공동 연구의 가능성에 대해 바닥파 교수에게 곧 연락했습니다.

- 사진을 본 순간에 "도움을 준다"고 느꼈다는 것입니다만, DNP의 인쇄 기술과 어떻게 연결되어 있습니까?

이시카와: 구체적으로는 미생물을 모으기 위한 허니컴 구조의 기판을 정밀하게 만드는 기술입니다. DNP는 미세가공 기술을 사용하여 1마이크로미터(μm:100만분의 1미터)에서 나노사이즈(10억분의 1미터)까지의 구조를 안정적으로 제조·양산할 수 있는 기술을 가지고 있습니다.

마루나미 교수로부터 「기판의 양산을 담당하는 곳을 찾고 있다」라고 묻고, 「아니, 이제 그것은 밖에 없을 것입니다」라고.

오사카 공립 대학 바닥 파 (이하, 바닥 파) : 당시 우리 실험실에서는 2cm 사방의 셀 (전지를 구성하는 단위)로 실험하고 있었지만, 셀의 면적을 더 넓히는 방법이 없고, 스케일 업에 고전하고있었습니다. 연구를 가속화하고 실용화로 연결하는 데 매우 중요한 파트너십이라고 느꼈습니다.

— 미생물 발전이란 어떤 구조입니까?

바닥파：미생물이 유기물을 분해할 때에 전자를 방출합니다만, 그 전자를 전극으로 받아, 전기로서 꺼낸다고 하는 것입니다. 사용하는 미생물은 2~3μm라는 극소 사이즈로, 머리카락의 두께의 약 100분의 1에 상당합니다. 예를 들어 LED 전구를 켜는 정도의 전력을 발전시키기 위해서는 한 셀에 약 3,000만 개의 미생물을 집적시켜 그 셀을 3개 직렬로 연결해야 합니다.

우리의 연구에서는 공장이나 점포, 일반 가정 등에서 나오는 미생물을 포함한 배수를 사용하여 발전을 실시합니다. 동시에 미생물이 유기물을 분해하여 배수를 청소하는 것을 목표로 하고 있습니다.

— 특별한 미생물이 필요합니까?

바닥 파: 아니. 몸 주위에 있는 미생물입니다. 물론 전기의 출력이 높아지는 특정 미생물도 있습니다만, 우리가 실용화를 목표로 하고 있는 발전의 대상은, 특정한 장소나 상황에 지나지 않는 것 같은 것은 아닙니다.

오사카 공립 대학 이이다 (이하, 이이다) : 미생물 발전은 예로부터 알려진 기술이지만, 오랫동안 실용화에 이르지 못했습니다. 이것은 미생물 발전으로 꺼낼 수 있는 전력이 너무 약하다는 과제가 있었기 때문입니다. 거기에 바닥파 교수가 「발전에 기여하는 미생물을 고밀도로 집적할 수 있으면 재미있는 것은 아니다」라고 착상된 곳에서, 나와 바닥파 교수의 공동 연구가 시작되었습니다.

그 공동 연구 속에서 제가 임하고 있는 것이, 「광 농축」이라고 하는, 빛을 사용해 미생물을 모으는 기술입니다. 이 기술에서는 먼저 셀의 전극이 되는 허니컴 구조의 기판 상에 금의 얇은 막을 형성하고 거기에 레이저광을 조사한다. 레이저광을 받은 금막에서는 전자가 진동하여 국소적으로 열이 발생한다. 이 열은 주변 물을 따뜻하게 하고, 수직 방향으로 대류를 발생시키고, 희박해진 영역을 보충하도록 기판 상의 액체 중의 광범위하게 흐름(수평 방향의 대류)을 발생시킨다. 그 대류를 타고 주위에 분산되어 있던 미생물이 허니컴 구조 내에 모여 오는 구조입니다.

게다가, 레이저광의 조사에 의해 미소한 기포가 발생합니다만, 그 기포의 표면의 조밀에 관계되는 흐름도, 미생물의 집적을 돕고 있습니다.

반면에 셀 내부가 너무 뜨거워지면 미생물이 사멸합니다. 거기서 셀의 벽재에는 열을 전하기 어려운 폴리머를 사용하고 있습니다. 폴리머를 사용함으로써 가열되는 것은 레이저를 조사한 격벽 부근에 한정되어 셀 내부 전체의 온도 상승은 억제됩니다. 그 결과 미생물에 적합한 내부 환경을 유지하면서 집적과 발전을 안정적으로 계속할 수 있는 상태를 실현할 수 있습니다.

— TMEIC는 어떤 경위로 참여했습니까?

TMEIC 호쿠가키(이하, 키타가키): TMEIC는 전지 자체의 메이커는 아니지만, 발전·축전 시스템의 제어나 전력 변환이라고 하는 영역에서 풍부한 실적과 높은 기술력을 가지고 있습니다. 미생물 발전의 특징으로서 유기물이 포함되는 산업 배수나 가정 배수 등의 미이용 바이오매스(재생 가능한 생물 유래 자원)를 원료로서 발전할 수 있다는 점, 연소를 수반하지 않고, 화학 반응에 의해 전기를 만들어내는 깨끗한 발전 방식이 연료 전지에 가깝다는 점에 주목했습니다.

미생물 발전의 유사한 기술로 바이오 가스 발전이 있습니다. 균의 작용으로 바이오 매스를 메탄 가스로 전환하여 가스 터빈 등으로 발전하는 것이지만, 연소를 수반하기 때문에 배기가스가 발생합니다. 이에 대해 본 프로젝트의 미생물 발전은 연소 프로세스가 없기 때문에 배기가스가 발생하지 않습니다. 이 우위성에 주목하여 참가를 결정했습니다.

— 삼자의 지식과 기술은 어떤 역할 분담으로 통합되어 있습니까?

마루나미：오사카 공립대학은 기초연구로서 미생물의 전자를 얼마나 효율적으로 꺼내는가 하는 점과 빛으로 미생물을 모으는 「광농축」의 기술을 담당하고 있습니다.

이시카와: DNP는 미생물을 모으기 위한 벌집 구조의 기판을 정밀하게 제조하는 역할입니다. 강도와 효율성을 양립한 설계로 1μm에서 나노 사이즈까지의 미세 구조를 실현하고 있습니다.

호쿠가키: 그리고 TMEIC는 전극의 박막 성막 기술, 그 전지에서 나오는 전력을 변환하는 기술, 축전하는 기술, 그리고 그것들을 통합하는 시스템 통합자의 역할을 담당하고 있습니다.

오사카 공립 대학의 기초 연구, DNP의 양산 가능한 기반 기술, 그리고 전력으로서 사회에 접속하는 TMEIC의 구조. 이 세 가지 요소가 모여 처음으로 미생물 발전은 연구 단계를 넘어 실용화에 대한 경로가 보입니다.

— 실용화를 위해 삼자에서 어떻게 개발을 진행했습니까?

이시카와: 곧바로 러브 콜을 보냈다고는 해도, 처음으로 이야기를 들었을 때는, 솔직히 실용화의 이미지가 완전히 그려져 있었던 것은 아니었습니다. 당시는 셀 중 하나가 매우 작았기 때문에 과연 이것으로 실용화에 충분한 발전량을 얻을 수 있을까? 거기서, 마루나미 교수에게 그대로 솔직하게 질문했습니다. 그러자 미생물을 모으는 광농축에 대해 자세하게 가르쳐 주셔서, 이론뿐만 아니라, 구현 가능성까지 포함해 매우 독창적인 접근이라고 느꼈습니다. 초기 단계에서 깊이 납득한 것으로, 열의를 가지고 회사에도 상담할 수 있었습니다.

미세 가공 기술을 이용한 기판의 최초의 샘플을 바닥파 교수에게 건네줄 때는, 매우 긴장했습니다. 정말 도움이 될까라고 생각하면서 건네주었습니다만, 곧바로 「지금까지보다 훨씬 더 좋은 숫자가 나왔습니다」라고의 연락이! 기술적인 대응을 처음으로 실감할 수 있었던 순간이었지요.

바닥파 : 그때까지는 유리로 기판을 만들었기 때문에 측정을 위해 갈라져 버리는 경우가 있어 실험의 연속성이라는 점에서 큰 제약이 있었습니다. DNP로부터 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 소재의 기판을 수백장이나 받을 수 있게 되어, 실험 조건을 폭넓게 검증할 수 있게 되어, 연구는 대폭 가속. 그 결과, 연간 약 2배의 출력 향상을 실현할 수 있었습니다.

이이다: 저에게 인상적이었던 것은 기업 여러분이 정리한 과제 추출 과정입니다. 예를 들어 전지를 만들 때의 부품이나 조성 등의 실험 조건을 데이터베이스화하고 싶다고 말했을 때, 마루나미연구 연구원에게는 큰 부담이 된다고 생각 처음에는 저항이 있었습니다만, 모든 과제를 DNP와 TMEIC가 망라적으로 데이타베이스화해 갔습니다. 이것은 대학의 한정된 인원에서의 연구 환경에서는 별로 볼 수 없는 접근으로, 큰 차이라고 느꼈습니다.

호쿠가키 : 사회 실장을 진행하기 위해서는 연구의 핵심 이외의 주변부분을 포함하여 과제를 “보이게” 하고 그것을 공유하면서 해결해 나갈 필요가 있다고 생각합니다. 그리고 본 프로젝트에서는 「여기는 대학과 공동으로 해결해야 할 과제」, 「여기는 기존 기술을 적용해야 하는 영역」이라고 하는 정리를 했습니다.

마루나미: 그래도 스케일업 때마다 새로운 과제가 나왔네요. 셀을 2cm 사방에서 4cm, 그리고 10cm 사방으로 크게 해 갈 때마다, 예상도 하지 않았던 문제가 일어납니다. 그 때마다 DNP나 TMEIC에 "이것, 해결할 수 있습니까?"라고 상담하면서 개선을 거듭해 왔습니다. 과제를 극복하면 다음 과제가 반드시 나온다. 그 반복입니다.

호쿠가키: 일반적으로 대학에서의 연구는 실험실 스케일(초기 단계의 작은 규모)에서의 깊은 탐구를 중시하는 경향이 있으며, 우리 기업은 실용화를 위해 스케일업을 목표로 하는 경향이 있습니다. 이른바 연구개발과 기술개발의 차이입니까? 이러한 시점의 차이는 있습니다만, 이 프로젝트에서는, 「실용화」라고 하는 공통의 목표를 향해 3자가 매우 플랫한 관계로, 입장에 얽매이지 않고 솔직하게 의견을 나누면서, 과제 해결에 임하고 있습니다. 이것은 산학 연계의 프로젝트로서 꽤 드물고, 귀중한 관계성이라고 느끼고 있습니다.

미생물 발전은 아직 확립된 기술이 아니기 때문에, 시행착오를 거듭하면서 실용화에 대한 경로를 구축하고 있는 도상이다는 것도, 플랫한 관계성의 이유의 하나일지도 모릅니다.

— 마루나미 교수, 이이다 교수에 의한 미생물 발전은, 지금까지 없었던 레벨의 출력을 실현했다고 합니다만, 구체적으로는 어떤 점이 뛰어난 것입니까?

이이다: 미생물 발전의 연구는 그 밖에도 있습니다만, 마루나미 선생님과 진행해 온 우리의 연구의 어프로치의 독자성과 특징은, 빛을 사용해 미생물을 즉시 종래법보다도 자릿수의 고밀도에 모아지는 것입니다.

바닥 파 : 다른 미생물 발전 연구에서는 미생물을 늘리는, 즉 배양을 해야 하기 때문에, 전기를 사용하고 싶을 때 바로 기동할 수 없다는 과제가 있습니다. 안정적으로 발전할 수 있는데 일정한 시간이 걸린다는 것입니다. 한편, 우리의 연구에서는 "광 농축"에 의해 수만개의 세포를 수십초에서 수분으로 모아지기 때문에 매우 단시간에 발전이 가능합니다. 이 즉각성이 큰 강점이라고 생각합니다.

— 실제로 어느 정도의 발전을 할 수 있습니까?

바닥 파: 현재는 3개의 셀을 직렬로 접속하는 것으로 LED의 점등에 성공하고 있습니다. 이것을 대규모화해 나가는 것으로, 실용 레벨의 발전량을 확보해 나갈 계획입니다.

호쿠가키: 실험실 레벨에서는, 10 cm사방의 셀에 사이즈 업 할 수 있는 상황입니다. 또한 하나의 셀에서 운전하고 있던 것을 적층화하는 것으로 더욱 큰 전력을 낳는데도 성공하고 있습니다.

다만 한편으로 안정성의 과제도 보였습니다. 다음의 스텝으로서, 최적화함으로써 전력으로서도 배수 처리로서도 안정시켜 간다. 동시에 동시에 사이즈 업을 목표로 하는 단계에 있습니다.

— 박람회에서 등단되었을 때도 '하수처리장이 발전소가 된다'고 말했지만, 삼자가 그린 미래를 알려주세요.

바닥파: 2025년 여름에는 기록적인 고온이 계속되어 기후변화를 보다 가까이 느꼈습니다. 미래를 생각할 때, “다음 세대, 그리고 그 앞 세대에 있어서 지구가 지속 가능한 환경인 것을 계속할 것인가”라고 생각하면 강한 위기감을 안고 있습니다. 이러한 과제 의식 하에서 미생물 발전은 지속 가능한 에너지 기술의 하나로서 중요한 역할을 담당할 수 있다고 생각합니다.

지금 하수처리장에서는 막대한 에너지를 사용하면서 물을 처리하고 있습니다만, 미생물 발전이 실용화되면 처리과정 그 자체로부터 에너지를 회수할 수 있게 됩니다. 하수 처리장을 「전력의 소비 시설」에서 「발전 시설」로, 그 전환이 가능하게 된다고 하는 것입니다. 우리는 이 구조를 「환경 정화형 미생물 발전」이라고 자리매김하고 있습니다.

호쿠가키: 미생물 발전이 실용화되면 하수처리장과 발전소를 같은 장소에 집약할 수 있습니다. 또한 시스템 규모를 용도와 특성에 따라 유연하게 설계할 수 있다는 점도 큰 이점입니다. 대규모의 집중형 시설 뿐만이 아니라, 중소규모의 자립 분산형 시스템으로서도 구축할 수 있기 때문에, 대도시에의 일극 집중이나 지방의 과소화 등, 일본이 안고 있는 사회적 과제의 해결에 공헌할 수 있는 기술이라고 생각하고 있습니다.

이시카와：열이나 CO ₂를 밖으로 방출하는 일 없이, 배수로부터 「정화된 “물”이나 “산소”” “전력”이라는 3개의 가치를 동시에 얻을 수 있습니다. 물도 깨끗하게 하고 공기도 깨끗하게 한다. 그런, 지금까지 없었던 특성을 가진 발전 시스템이라고 생각하고 있습니다.

DNP 거내：지금, DNP로서도, 에너지라고 하는 새로운 영역에서의 가치 창조에 도전하고 있습니다만, 「친밀한 생활 씬 속에서 에너지를 낳는다」라고 하는 구상 속에서, 미생물 발전은 가장 선행하고 있는 프로젝트입니다. 2025년의 오사카・간사이 만박에서도, 공창 존 「퓨처 라이프 빌리지」내의 퓨처 라이프 익스피리언스(FLE)로 본 프로젝트를 소개해, 많은 방문객에게 흥미를 가져 주셨습니다.

이이다：이 기사를 읽고, 「재미있는 것 같다」 「참가하고 싶다」라고 하는 새로운 기업이나 파트너도 나오는 것이 아닐까 기대하고 있습니다. 이 환경 정화형 미생물 발전이 일본 전국, 그리고 세계에 보급되어, 지역 전체의 환경을 개선하면서 지속 가능한 에너지에 의해 사회 전체의 기반이 뒷받침된다――. 그런 미래가 열리면 좋다고 생각합니다.

— 향후 목표에 대해 알려주세요.

바닥파: SDGs의 목표 달성년인 2030년을 우선은 하나의 이정표로 자리매김하고 있습니다. 미생물 발전의 실용화에 대한 구체적인 길을 보여 탄소 뉴트럴에 공헌하는 기술로서 확립시키고 싶습니다.

호쿠가키：현시점에서는, 친밀한 곳에서 환경 정화와 같은 공헌을 하면서 전력을 충당하는 것이, 2030년 시점에서의 하나의 도달점이 된다고 생각하고 있습니다. 예를 들면 가정용의 정화조와 같은 정도의 사이즈의 배수 처리 장치를 실용화해, 욕실이나 화장실 등의 생활 배수를 활용해 정화와 발전을 실시한다고 하는 이미지입니다. 전기의 출력으로서는, 장치의 동력을 스스로의 발전으로 봉사하면서, 휴대 전화등에 충전할 수 있는 정도를 상정하고 있습니다.

바닥 파: 그 앞에는 보다 대규모의 배수 처리 장치도 시야에 넣고 있습니다. 오사카 만을 비롯하여 전국의 걸프 지역에 미생물 발전 시스템을 개발할 수 있다면 이론적으로 수백만 가구에서 수천만 가구 규모의 전력 공급으로 확장될 수 있다.

이시카와 : 기술로서의 매력에 매료되어 이 프로젝트에 참가했지만, 그것을 실제로 사회에서 도움이 되는 형태로 하지 않으면 기업으로서의 가치는 태어나지 않습니다. 사회실장이라는 최종적인 골을 내다보고 꾸준히 노력해 갑니다.

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