쓸모없던 옥수수속대, 항공유·대형차 연료로 변신

한국에너지연구원

한국에너지기술연구원 연구진이 옥수수속대를 바이오연료로 전환하기 위한 공정 중 하나인 레불린산 생산 공정과 관련한 실험을 실시하는 모습. 한국에너지연구원 제공

국내 연구진이 옥수수속대와 같은 폐기물을 고부가 산물인 항공유나 대형차 연료로 전환하는 기술을 개발했다. 에너지 밀도가 높은 연료가 필요한 장거리 운송 수단에 바이오 연료로 활용될 것으로 기대된다.

한국에너지연구원은 민경선 광주친환경에너지연구센터 책임연구원이 쓸모없이 버려지는 옥수수속대와 같은 폐기물을 고부가 산물인 바이오 항공유의 중간물질인 레불린산으로 전환하는 기술을 개발했다고 18일 밝혔다.

기존 레불린산 생산 연구는 주로 꼬시래기, 모자반 등 식용 해조류를 원료로 사용했다. 이번 연구에서는 목질계 바이오매스의 일종인 옥수수속대로 레불린산 생산 수율 20%를 달성해 레불린산 생산 원료를 다변화할 수 있다는 가능성을 제시했다는 평가다.

연구팀은 옥수수속대와 같은 비식용성 농업폐기물을 활용해 바이오항공유, 바이오플라스틱의 중간 원료인 레불린산을 생산할 수 있는 산화공정을 개발했다. 연구진은 산촉매 농도, 반응 온도, 시간 등을 통계학적 방법으로 최적화해 옥수수속대 유래 레불린산 생산 수율 최적화에 성공했다.

4-하이드록시 발레르산은 중요도가 매우 높은 물질이지만 바이오매스에서 직접 얻을 수는 없다. 이 때문에 바이오매스를 산화시켜 레불린산을 얻은 뒤, 레불린산을 수소화해 4-하이드록시 발레르산을 얻는다.

이때 레불린산을 4-하이드록시 발레르산으로 수소화하는 과정에서 문제가 발생한다. 실제로 자연계에는 레불린산을 수소화시키는 효소가 없기 때문이다. 관련해 앞서 연구팀은 구조 기반 계산과학을 통해 자연계에 존재하지 않는 레불린산 수소화 효소 개발에 성공한 바 있다.

이 효소를 활용해 이어진 후속 연구에서는 농업폐기물을 포함한 다양한 목질계 바이오매스로부터 레불린산을 거쳐 4-하이드록시 발레르산으로 이어지는 고부가 가치 프로세스가 완성됐다. 전체 공정의 경제성 향상과 바이오매스로부터 생산된 모든 성분을 사용하는 전수 활용에 가까운 공정을 개발했다는 것이 연구팀의 설명이다.

이번 연구는 또 기존 당 기반 바이오리파이너리에서 부산물로 취급됐던 레불린산을 바이오연료와 바이오 플라스틱의 직접 원료로 활용하는 ‘논 슈거(non-sugar)’ 기반 바이오리파이너리라는 새로운 패러다임을 제시했다. 연구팀은 “논 슈거 원료인 레불린산은 수소, 전기가 대체하기 어려운 항공유, 대형차용 바이오 연료로의 중간 원료라는 점에서 의미가 크다”고 설명했다.

연구를 이끈 민경선 책임연구원은 “성장 과정에서 광합성을 통해 이산화탄소를 흡수하기 때문에 탄소 중립형 원료로 각광받고 있는 바이오매스 중 농업폐기물을 바이오리파이너리의 원료로 활용했다”며 “레불린산과 같이 다양한 최종 산물로 확장 적용이 가능한 중간 원료로 전환하는 산화 공정 개발 연구는 탄소중립 실현에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘바이오리소스 테크놀로지’에 지난 3월 게재됐다.

[박정연 기자 hesse@donga.com]