Flow Physics & Computational Engineering Innovation Lab

Methanotrophs: Nature’s Methane Converters

Methanotrophs are bacteria that utilize methane as an energy source by breaking it down into methanol (an alcohol), potentially playing a crucial role in reducing methane levels in the environment. These bacteria can convert methane into useful fuels such as methanol under room temperature and atmospheric pressure conditions, contributing not only to the mitigation of global warming but also to addressing energy challenges. In fact, these microorganisms are known as the only biological methane absorbers, absorbing an estimated 30 trillion grams of methane annually.
Recent studies have actively explored the development of genetically modified methanotrophs that can convert methane into methanol and other valuable chemicals. Research on designing and developing bioreactors that economically convert methane using these engineered bacteria is also progressing.
From a hydrodynamic perspective, recent research has focused on the fluid dynamics phenomena associated with bacteria using model organisms such as E. coli and Bacillus subtilis. Many bacteria are not passive but actively swim, and numerous swimming methanotrophs have also been identified. Various interesting fluid dynamics phenomena have been observed in bacterial colonies. Typically, bacterial swimming is classified into two types: "pushers," which swim by pushing, and "pullers," which swim by pulling. In the case of pusher-type bacteria, collective behaviors known as "bacterial turbulence" can occur when the population reaches a certain density.
This study aims to conduct fundamental research on how the flow characteristics of microbial fluid mechanics and multiphase flow, at micro, millimeter, and centimeter scales, affect the methane conversion performance of methanotrophs. The research will explore ways to improve methane-to-methanol conversion performance through hydrodynamic studies. Our lab, along with the labs of Professors Choongyeop Lee and Beom-Jun Park at Kyung Hee University, and Professor Hyungmin Park at Seoul National University, is conducting research to understand and control microbial flow phenomena at the microscale and to improve methane conversion performance, from microscale fluid dynamics to the macro-scale bioreactor design. (Supported by the National Research Foundation of Korea Basic Research Laboratory).

온실가스 메탄으로 친환경 에너지 수확 나선다

기계공학과 이충엽 교수 연구팀, 2024년 글로벌 기초연구실 지원사업 선정
메탄자화균 메탄-메탄올 변환 성능 향상 연구 진행

기계공학과 이충엽 교수 연구팀이 과학기술정보통신부가 지원하는 2024년 글로벌 기초연구실 지원사업에 선정됐다. 이충엽 교수 연구팀은 메탄자화균 메탄-메탄올 변환 성능 향상을 위한 연구에 나설 계획이다.

기계공학과 이충엽 교수 연구팀이 과학기술정보통신부가 지원하는 2024년 글로벌 기초연구실 지원사업에 선정됐다. 사진 왼쪽부터 기계공학과 서종민 교수, 이충엽 교수.

연구는 3차년도에 걸쳐 진행된다. 연구팀은 메탄-메탄올 변환 성능을 세계 최고 수준으로 끌어올려 세계 선도 그룹으로 도약을 목표로 삼았다.

메탄자화균 유동 현상 기초 연구 진행
메탄은 지구온난화의 주범 중 하나로, 이산화탄소보다 약 20배 강력한 온난화 효과를 보인다. 대기 중에서는 수증기와 이산화탄소 다음으로 많은 온실가스로 현재의 수치는 산업혁명 전 대비 2.5배 증가했고, 이는 화석연료 사용, 축산 등 인간 활동의 산물이다. 메탄 농도의 급증은 기후변화 문제를 심각하게 만들고 있다. 메탄을 보다 효과적으로 처리하고, 유용한 자원으로 변환하는 기술 개발이 시급하다.

이충엽 교수팀은 화학공학과 이은열 교수 연구팀이 연구를 선도하는 메탄자화균(Methanotroph)에 주목했다. 메탄자화균은 실온과 대기압 조건에서 메탄으로부터 유용한 연료인 메탄올로 변환할 수 있어 지구온난화 완화 및 새로운 에너지원 생산에 기여할 수 있다. 기후변화와 에너지 고갈이라는 두 가지 문제를 해결할 수 있는 것이다.

연구의 핵심 목표는 메탄자화균의 메탄-메탄올 변환 성능 개선이다. 연구팀은 멀티스케일 유체역학(Multiscale Fluid Dynamics)을 활용해 메탄자화균의 효율을 극대화하는 방안을 모색한다. 박테리아 군집에서 유동 현상이 발생하는데, 이 현상이 메탄자화균에도 발생한다. 이충엽 교수는 “메탄자화균에서 발생하는 유동 현상이 메탄-메탄올 변환 성능에 어떤 영향을 미치는지에 대한 기초 연구가 전무한 상황”이라며 연구의 중요성을 강조했다.

기초 연구로 세계 선도 그룹 도약할 발판
연구팀은 메탄자화균을 마이크로, 밀리미터, 센티미터에 이르는 멀티스케일에서 유체역학적 특성 연구를 수행하고, 향후 메탄-메탄올 성능 개선에 이르는 방법을 유체역학적 관점에서 제시할 계획이다. 이충엽 교수는 “최종적으로 세계 최고 수준의 메탄올 생산량에 도달하도록 도전할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 메탄자화균 배양과 멀티스케일 접근 방법, 기포 및 다상유동 실험, 이론 모델 및 시뮬레이션 전문가가 필요하다. 이를 위해 이충엽 교수를 비롯해 기계공학과 서종민 교수, 화학공학과 박범준 교수, 서울대학교 박형민 교수가 참여해 유기적인 집단 연구를 진행할 예정이다. 이충엽 교수는 “각 분야의 융합연구를 통해 새로운 혁신 기술 개발에 나설 협업 관계를 구축했다”고 설명했다. 이 주제로 국제공동연구도 진행된다. 프랑스 연구그룹과 박테리아 군집과 관련된 공동 연구를 진행하고, 더 나아가 ‘ERC horizon’에 지원해 국제연구 네트워크를 강화한다.

3차년도에 걸쳐 진행되는 연구를 통해 연구팀은 시간당 0.332 g/L 수준의 메탄-메탄올 변환 성능을 0.5 g/L 수준으로 끌어올릴 계획이다. 이충엽 교수는 “메탄자화균을 통한 바이오연료 생산 기술의 경제성이 높아지면 화석연료의 대체 에너지원으로 주목받을 수 있어 산업적인 응용 가능성이 크다”고 말했다. 멀티스케일 유체역학 상호작용을 고려한 연구 결과도 전무한 상황이기 때문에 기초 연구를 통해 세계 선도 그룹으로 도약할 것으로 기대된다.