고부가가치 화학원료 ‘5-HMF’ 더 쉽게 더 많이 생산

관련 시장 25억달러 성장 전망
생기원팀, 효율 높인 촉매 개발

생기원 연구팀 사진. 1열 왼쪽부터 시계 방향으로 논문 제1저자,김건우 자체인턴, 논문 교신저자 김용진 수석연구원, 논문 교신저자 백자연 수석연구원, 논문 제 1저자 금예섭 박사 후 연구원. [사진=생기원]

국내 연구팀이 고부가가치 화학원료인 ‘5-하이드록시메틸푸르푸랄(5-HMF)’을 더 쉽고 안정적으로 생산하는 촉매를 개발했다. 5-HMF는 2033년 전 세계시장 규모가 25억달러(약3조4332억원)에 달할 것으로 전된다.

한국생산기술연구원은 10일 백자연 수석연구원과 한정우 서울대 재료공학부 교수와 김태용 한국기술교육대 에너지신소재화학공학과 교수 연구팀이 5-HMF의 전환 효율과 안정성을 높일 수 있는 새로운 촉매를 개발했다고 밝혔다.

5-HMF는 바이오매스를 고부가가치 화학소재로 전환하기 위해 사용하는 중간물질이다. 바이오매스에서 얻은 과당, 포도당 등의 단당류 물질이 촉매를 거치면 5-HMF로 탄생한다.

문제는 과당은 고온에서 산성 촉매를 쓰면 쉽게 5-HMF로 바뀌지만, 반응 과정에서 국소적으로 급격하게 온도가 오르거나, 생성된 부산물이 촉매 표면을 막아 성능을 떨어뜨리는 문제가 있다는 것이다.

연구팀은 고온·장시간 반응에서도 과당을 안정적으로 5-HMF로 전환할 수 있는 새로운 고체산 촉매를 개발했다. 연구팀은 “반응 중 생성된 물이 자발적으로 손상된 구조를 복원하기 때문에 고온에서도 장시간 활성화 가능하다”고 설명했다.

실제 72시간 연속 반응 시 기존 촉매의 5-HMF 전환 수율인 57%보다 16% 높은 83% 수율을 기록했다.

포도당을 5-HMF로 변환할 때는 반응성이 낮아 강한 산성 촉매를 써야 하는데, 반응 중 강산이 생성돼 장비를 부식시키고, 촉매 회수도 어려워 폐촉매 및 폐수 처리의 부담이 있다.

연구팀은 이 역시 해결했다. 반응 중 액상 상태로 균일하게 퍼져 포도당과 잘 섞이기 때문에, 기존 촉매보다 20%가량 높은 83.8% 수율로 5-HMF 전환이 가능하다는 게 연구팀 설명이다. 반응 후에는 고체로 변해 99% 이상 회수할 수 있고, 정제 과정 없이도 5회 재사용한 실험에서 5-HMF 수율 95% 수준을 유지했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널’에 지난 3월, ‘어플라이드 캐털리시스 B: 인바이론먼탈 앤 에너지’에 6월 온라인으로 공개됐다. 백자연 수석연구원은 “후속 연구를 통해 친환경 바이오 플라스틱, 윤활유 등 부가가치 높은 응용 제품의 실증과 기술이전을 추진하겠다”고 밝혔다.

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