톱밥을 바이오플라스틱 원료로…화학硏, 친환경 생산기술 개발

포스텍과 공동연구, 고압 설비 없이 대기압서 FDCA 생산

기존 공정보다 탄소배출 60% 줄여…국제학술지 게재

[대전=뉴시스] 목재 바이오매스를 활용해 플라스틱 원료 FDCA 생산하는 연구 요약도.(사진=화학연구원 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 버려지는 목재 톱밥을 활용해 페트병 등 바이오플라스틱의 원료를 고효율·친환경적으로 생산하는 기술이 국내연구진에 의해 개발됐다.

한국화학연구원 황동원 박팀이 포스텍 한지훈 교수팀과 함께 목재의 셀룰로오스를 바이오플라스틱 원료인 퓨란디카르복실산(FDCA)으로 전환하는 3단계 연계공정을 개발했다고 1일 밝혔다.

FDCA는 석유에서 얻는 테레프탈산을 대체할 수 있는 물질로 페트병 등에 활용할 수 있는 바이오 폴리에스터(PEF)를 만들 수 있다. 기존에는 주로 식용 옥수수에서 추출한 당을 원료로 사용했지만 연구진은 식량자원과 경쟁하지 않는 목재 톱밥을 활용했다.

목재는 분해가 어렵고 과정에서 생성되는 중간물질도 쉽게 다른 물질로 변해 원료 생산에 제약이 있었다. 기존 공정은 고농도 염산이나 염소계 용매를 사용하고 고압설비가 필요한 경우도 있어 생산과정이 복잡했다.

이번에 연구진은 셀룰로오스를 BMF와 AMF라는 중간물질로 차례로 전환한 뒤 FDCA를 얻는 공정을 설계했다. 첫 단계에서는 황산과 브로마이드염을 이용하고 물과 유기용매가 분리된 반응 환경을 적용해 BMF가 빠르게 유기용매층으로 이동하도록 했다. 이를 통해 중간물질의 분해와 불필요한 부산물 생성을 억제시켰다.

그 결과 셀룰로오스에서 BMF를 얻는 수율은 최대 82%를 기록했고 기존 공정보다 생산성은 3배 이상 높아졌다. 10ℓ 규모 반응기에서도 73~79%의 수율을 확인했으며 염소계 물질 사용량은 염산 기반 공정 대비 30분의 1 이하로 줄였다.

특히 BMF를 25도에서 AMF로 전환하는 공정은 1ℓ 반응기에서 한 번의 반응만으로 95% 이상의 수율을 보였다. 이온교환수지를 재생해 15회 반복 사용했을 때도 AMF 수율은 97%를 유지했다. 마지막 산화 단계에서는 별도 정제 없이 순도 99% 이상의 FDCA를 생산해 냈다.

최종 생산 수율은 셀룰로오스 기준 최대 59%, 목재 톱밥 기준 47.2%로 나타났다. 환경 영향분석에서는 FDCA 1㎏ 생산에 따른 온실가스 배출량이 2.77㎏의 이산화탄소환산량(CO₂e)으로, 기존 식용 당 기반 공정의 6.91㎏보다 약 60% 적었다. 화석자원 사용량도 47.9% 감소하는 것으로 분석됐다.

폐목재 등 목질계 바이오매스를 플라스틱 원료로 활용할 수 있는 기반을 마련한 이번 연구 결과는 화학공학 분야 국제학술지 'Chemical Engineering Journal' 11월호에 게재됐다.

황동원 책임연구원은 "식용자원 대신 목재 톱밥을 활용해 바이오플라스틱 원료를 생산하고 대기압에서도 고순도 FDCA를 얻을 수 있도록 공정효율을 높였다는 데 의미가 있다"며 "온실가스 배출과 화석자원 사용량을 줄일 수 있는 친환경 생산기술로 발전시키기 위해 연속 생산과 경제성 검증을 이어가겠다"고 말했다.


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