우리 연구진이 버려지는 목재 톱밥을 플라스틱 원료화하는 생산공정 개선에 성공했다. 과정은 슬림화하면서 원료 생산 효율은 99%를 넘겼다.
한국화학연구원(원장 신석민)은 황동원 박사팀이 한지훈 포스텍 교수팀과 함께 비식용 바이오매스를 '2,5-푸란디카복실산(FDCA)'으로 전환하는 'BMF-AMF-FDCA 연계 공정'을 개발했다고 1일 밝혔다.
FDCA는 석유계 원료를 대체해 페트병을 만들 수 있는 소재로, 폐목재를 활용한 연구가 활발하다. 실제 산업 현장에서 활용하려면 효율적인 제조단계 연결 기술이 중요하다.
연구팀은 셀룰로오스를 BMF, AMF, FDCA로 전환하는 3단계 공정을 개발했다. 핵심은 첫 단계 고압 반응을 줄이고, 이후 중간물질을 별도로 분리·정제하거나 용매를 교체하는 과정을 최소화한 것이다.
먼저 황산과 브로마이드염을 사용해 고압 공정 없이 대기압에서도 셀룰로오스를 BMF로 전환했다. 물·기름처럼 섞이지 않는 두 액체를 활용하는 방식으로, 불안정한 중간물질이 만들어지면 기름층으로 빠르게 이동시켜 불필요한 부산물 생성을 줄인다.
그 결과 셀룰로오스에서 BMF 수율은 최대 82%에 달했고, 생산성은 기존 CMF·BMF 공정보다 3배 이상 높았다. 10ℓ 반응기에서도 수율 73~79%를 확인했으며, 할로겐계 물질 사용량은 기존 염산 기반 CMF 공정보다 30배 이상 줄였다.
이후 BMF를 상온에서 AMF로 연속 전환했다. 1ℓ 규모 반응기에서 한 번 통과하는 것만으로 95% 이상의 수율을 얻었다. 불순물을 제거한 뒤에는 반응에 사용된 이온교환수지를 재생하면서 15회 운전 반복에도 AMF 수율 97%를 보여줬다.
최종 단계에서는 AMF를 추가 정제하지 않고 바로 산화해 순도 99% 이상의 FDCA를 생산했다. 전체 과정을 고려한 FDCA 총 질량 수율은 셀룰로오스 기준 최대 56.8%(몰 수율 59%), 목재 톱밥 기준 45.5%(몰 수율 47.2%)였다. 2022년 네덜란드 흐로닝언대 등의 셀룰로오스 기준 총 질량 수율 32.7% 보다 높은 결과다.
공정 시뮬레이션 전과정평가 결과, FDCA 1㎏ 생산 시 온실가스 배출은 이산화탄소 환산량 기준 2.77㎏으로, 기존 식용 당 공정의 6.91㎏보다 약 60% 낮았다. 화석자원 사용량도 47.9% 감소했다.
황동원 박사는 “식용자원 대신 목질계 바이오매스를 활용한 플라스틱 원료 제조 단계별 공정 효율화를 달성한 성과”라고 밝혔고, 신석민 화학연 원장은 “바이오매스를 고부가가치 화학소재로 전환하는 탄소중립의 주요 기술로 활용되길 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 국제학술지 캐미컬 엔지니어링 저널에 이달 게재됐다. 엄인용·김지훈 화학연 박사, 유지윤·권기현 포스텍 박사과정생이 공동 1저자로 참여했다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
