한기대, 고부가 화학 원료 생산성 제고 기술 개발

김태용 교수팀, 서울대·생산기술연구원과 공동 연구
포도당, HMF로 전환할 때 사용되는 촉매기술 개발

[이데일리 신하영 기자] 김태용 한국기술교육대 교수팀이 5-하이드록시메틸푸르푸랄(5-HMF, 이하 HMF)을 더 쉽고 안정적으로 생산할 수 있는 촉매 기술을 개발했다.

김태용 한국기술교육대 교수(사진 제공=한국기술교육대)

한국기술교육대는 김 교수팀이 서울대·한국생산기술연구원과의 공동 연구에서 이런 성과를 거뒀다고 11일 밝혔다.

HMF는 연평균 9.5% 성장해 2033년에는 25억 달러를 넘어설 것으로 전망되는 바이오 기반 화합물이다. 공동 연구팀은 바이오매스에서 얻은 과당(프룩토오스)과 포도당(글루코오스)을 HMF로 전환할 때 사용되는 새로운 촉매를 개발, 전환 효율과 공정 안정성을 높였다.

HMF는 과당이나 포도당과 같은 6탄당 물질에 촉매를 사용해 제조하지만, 촉매의 공정 안정성 문제와 강산 사용에 따른 환경적 부담이 크다. 과당은 산성 촉매를 사용하면 쉽게 HMF로 바뀌지만 반응 중 국소적으로 온도가 급격히 오르고, 생성된 부산물이 촉매 표면을 막아 성능이 떨어진다. 포도당은 반응성이 낮아 강한 산성 촉매를 써야 하는데 반응 중 강산이 생성돼 장비를 부식시키고 촉매 회수도 어려워 폐촉매 및 폐수를 처리해야 하는 문제가 있다.

연구팀은 강한 산성 물질을 사용하지 않고도 포도당을 HMF로 전환시킬 수 있는 친환경 촉매를 개발했다. 장비 부식과 촉매 재사용 문제를 동시에 해결한 것이다.

개발된 촉매는 반응 중 액상 상태로 균일하게 퍼져 포도당과 잘 섞이며, 기존 촉매보다 약 20% 높은 83.8% 수율로 HMF 전환이 가능하다. 반응 후에는 고체로 변해 99% 이상 회수할 수 있다. 아울러 별도의 정제 과정 없이 5회 재사용한 실험에서도 HMF 수율이 약 95% 수준으로 유지됐다.

특히 기존에는 포도당을 먼저 과당으로 바꾼 뒤 다시 HMF로 전환하는 두 단계 공정을 거쳐야 했다. 그러나 연구팀은 포도당에서 AHM이 형성되는 현상을 포착해 과당 전환 없이도 단일 반응으로 HMF를 생산할 수 있는 새로운 경로를 밝혀냈다.

이번 연구 결과는 환경공약 분야 저명 국제 학술지(Applied Catalysis B: Environmental and Energy)에 게재됐다. 김태용 교수는 “장시간 연속 공정에서도 환경친화적으로 높은 HMF 수율과 촉매 재사용이 가능하다는 점에서 실용적으로 큰 의미가 있으며, 새로운 반응 메커니즘을 실험과 계산과학을 활용하여 입증하였다는 측면에서 학문적으로도 중요한 성과”라고 설명했다.

신하영 (shy1101@edaily.co.kr)