고부가 원료 HMF 제조 쉽게...생기원, 친환경·고효율 전환기술 개발

한국생산기술연구원(원장 이상목)이 고부가 화학 원료인 '5-하이드록시메틸푸르푸랄(이하 HMF)'을 더 쉽고 안정적으로 생산할 수 있는 촉매기술을 개발했다.

생기원은 백자연 저탄소전환연구부문 수석연구원과 한정우 서울대 재료공학부 교수, 김태용 한기대 에너지신소재화학공학과 교수 공동 연구팀이 HMF 전환 효율과 안정성을 높일 새로운 촉매를 개발했다고 10일 밝혔다.

HMF는 바이오매스에서 얻은 과당·포도당 등 단당류 물질에 촉매를 이용해 제조한다. 과당은 고온에서 산성 촉매를 쓰면 쉽게 HMF로 바뀌지만, 반응 중 국소적으로 온도가 급격하게 오르거나, 생성 부산물이 촉매 표면을 막아 성능을 떨어뜨리는 문제가 있다.

기술개발 연구진. 1열 왼쪽부터 시계방향으로 김건우 자체인턴, 김용진 수석연구원(교신저자), 백자연 수석연구원(교신저자), 금예섭 박사 후 연구원(1저자).

공동 연구팀은 고온·장시간 반응에서도 과당을 안정적으로 HMF로 전환할 수 있는 새로운 고체산 촉매를 개발했다.

개발 촉매는 '수계 자기 회복 메커니즘'을 갖춰 반응 중 생성된 물이 자발적으로 손상 구조를 복원해 고온에서도 장시간 활성화 가능하다. 72시간 연속 반응 시 촉매 HMF 전환 수율(83%, 기존 57%)를 유지했다.

포도당은 반응성이 낮아 강산성 촉매를 쓰는데 반응 중 강산이 장비를 부식시키고, 촉매 회수도 어려워 폐촉매·폐수 처리 부담이 있다. 연구팀은 친환경 촉매로 장비 부식과 폐촉매 문제를 동시 해결했다.

개발 촉매는 반응 중 액상 상태로 포도당과 잘 섞여, 기존보다 20% 높은 83.8% 수율로 HMF 전환이 가능하다. 또 반응 후 고체로 변해 99% 이상 회수 가능하고, 정제 과정 없이 5회 재사용 실험에서 수율 95% 유지했다.

연구팀은 특히 새로운 촉매를 활용한 실험 과정에서 포도당이 '2,5-안하이드로만노스(AHM)'라는 물질을 거쳐 HMF 전환 반응 경로를 최초 규명했다.

기존에는 포도당을 과당으로 바꾼 뒤 다시 HMF로 전환하는 두 단계 공정을 거쳤는데, 연구팀은 과당 전환 없는 HMF 생산 경로를 밝혀냈다.

백자연 수석연구원은 “친환경 바이오 플라스틱, 윤활유 등 부가가치 높은 응용 제품 실증과 기술이전을 추진할 계획”이라고 밝혔다.

연구는 '캐미컬 엔지니어링 저널' '어플라이드 카탈리시스 B 인바이론멘탈 앤 에너지'에 각각 게재됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com