자일로스서 ‘자일론산·자일리톨’ 동시 생산…친환경 촉매 공정 개발

화학연, 백금 촉매 기반 전이 수소화 반응 활용
기존 촉매 대비 46% 에너지 절감..수소 모두 재사용

국내 연구진이 자작나무 껍질 등에서 설탕 대체용 감미료뿐 아니라 바이오플라스틱, 의약품 등에 널리 쓸 수 있는 원료를 실온에서 동시 생산할 수 있는 촉매와 공정 기술을 개발했다.

한국화학연구원은 황영규·김지훈·오경렬 박사 연구팀이 백금 촉매 기반 전이 수소화 반응을 활용해 자일로스에서 자일론산·자일리톨을 동시에 생산하는 친환경 촉매 기반 공정기술을 개발했다고 29일 밝혔다.

옥수수 심지나 자작나무 껍질 등에서 얻는 자일로스는 여러 화학제품의 중간 원료로 쓰인다. 이 자일로스에서 자일리톨과 자일론산을 만들면 각각 설탕 대체용 감미료, 바이오플라스틱, 의약품 등 광범위하게 활용할 수 있다.

하지만 기존 자일로스 기반 공정은 고온·고압에서 외부 수소나 산소를 투입해 생산하기 때문에 많은 에너지가 소요되는 단점이 있다. 연구팀은 자일로스를 동시에 산화·환원시키는 '전이 수소화 일괄반응' 기술과 지르코니아 지지체에 백금 나노입자를 고르게 분산시킨 촉매를 활용해 상온·상압에서 각각 자일론산, 자일리톨을 얻는데 성공했다.

특히 이 과정에서 수소 전이 효율 100%를 기록했다. 이는 자일로스 분리 과정에서 나온 수소를 자일리톨 생산에 모두 재활용토록 한 것으로, 이론적으로 가장 완벽한 효율을 달성했음을 의미한다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 이를 기반으로 자일론산과 자일리톨을 기존 열촉매, 광촉매 대비 1.5∼6배 빠르게 생산했고, 에너지 소비를 최대 46.4%까지 절감했다.

연구팀은 이어 양극성 분리막 전기투석 공정을 이용해 반응 후 자일론산과 자일리톨, 염기 등이 뒤섞인 혼합물을 한 번에 분리하고, 90% 이상 회수된 염기를 반응에 재사용하는 데 성공했다.

황영규 화학연 화학공정연구센터장은 "상온 바이오매스 전환 촉매 기술 및 친환경 분리공정을 바탕으로 국매 바이오매스 및 폐플라스틱 활용 연구가 활발해질 것"이라며 "후속연구를 통해 연속식 시스템으로 확장해 탄소중립형 바이오화학공정 실증에 나설 계획"이라고 말했다.

이 연구결과는 국제 학술지 'ChemSus(3월)'과 'ACS 서스테이너블 케미스트리(4월)' 표지논문으로 각각 실렸다.

이준기 기자 bongchu@dt.co.kr

기존 촉매 대비 개발된 촉매의 자일론산 및 자일리톨 생산성 비교 및 논문 표지 이미지 화학연 제공

자일론산과 자일리톨 분리용 양극성 분리막 전기투석 모식도 및 논문 표지 이미지 화학연 제공

화학연 연구진 화학연 연구진. 화학연 제공

이준기기자 bongchu@dt.co.kr