고부가가치 화학원료, 친환경·고효율 제조 촉매 개발

작성일 07-10

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> 한국생산기술연구원 
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 <img alt="앞줄 왼쪽부터 시계 방향으로 김건우 한국생산기술연구원 인턴, 김용진 수석연구원, 백자연 수석연구원, 금예섭 박사후연구원. 금예섭 박사후연구원이 바이오매스 유래 단당류인 포도당(왼쪽, 흰색)과 5-HMF(오른쪽, 주황색) 파우더를 들고 있다. 생기원 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202507/10/dongascience/20250710115738187mlzv.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="qPA7SriBTy" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202507/10/dongascience/20250710115738187mlzv.jpg" width="658">
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 앞줄 왼쪽부터 시계 방향으로 김건우 한국생산기술연구원 인턴, 김용진 수석연구원, 백자연 수석연구원, 금예섭 박사후연구원. 금예섭 박사후연구원이 바이오매스 유래 단당류인 포도당(왼쪽, 흰색)과 5-HMF(오른쪽, 주황색) 파우더를 들고 있다. 생기원 제공
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 국내 연구팀이 식품, 제약, 화학 산업 등에서 널리 쓰이는 고부가가치 중간물질인 '5-하이드록시메틸푸르푸랄(5-HMF)'을 더 쉽고 안정적으로 생산할 수 있는 촉매 기술을 개발했다. 
 한국생산기술연구원(생기원)은 백자연 저탄소전환연구부문 수석연구원팀이 한정우 서울대 재료공학부 교수, 김태용 한국기술대 에너지신소재화학공학과 교수 등과 공동연구를 통해 5-HMF 전환 공정의 효율과 안정성을 높일 수 있는 새로운 촉매와 반응 경로를 개발했다고 10일 밝혔다. 연구결과는 2월 10일(현지시간) 국제학술지 '케미컬 엔지니어링 저널'과 6월 1일(현지시간) 국제학술지 '응용 촉매 B: 환경과 에너지'에 공개됐다.  
 5-HMF는 식품, 제약, 화학 산업 등에서 널리 쓰이는 중간물질이다. 2025년 2월 발표된 시장조사보고서에 따르면 5-HMF 시장 규모는 연평균 9.5% 성장세를 보이며 2033년 25억달러(약 3조4000억원)를 넘을 것으로 전망된다.
 5-HMF는 목재 폐기물에 있는 셀룰로오스 등 바이오매스에서 얻은 포도당과 과당을 촉매로 전환해 제조한다. 연구팀은 과당과 포도당을 5-HMF로 전환하는 공정에 쓰이는 촉매를 각각 개선했다.
 먼저 고온 환경에서 장시간 반응할 때도 과당을 안정적으로 5-HMF로 전환할 수 있는 새로운 고체 산성 촉매를 개발했다. 개발된 촉매는 반응 중에 생성된 물을 통해 자발적으로 손상된 구조를 복원하는 '수계 자기 회복 메커니즘'이 작용해 장시간 안정적으로 활성화될 수 있다.
 실험 결과 새로운 촉매는 72시간 연속 반응 기준으로 기존 촉매의 5-HMF 전환 수율인 57%보다 16% 높은 83% 수율을 달성했다.
 포도당은 과당보다 반응성이 낮아 더 강한 산성 촉매를 써야 한다. 반응 중 생성되는 강산 물질이 장비를 부식시키고 촉매 회수가 어려워 폐촉매와 폐수 처리 문제가 발생한다.
 연구팀은 강산 물질을 쓰지 않고도 포도당을 5-HMF로 전환할 수 있는 친환경 촉매를 개발했다. 촉매 반응 중에는 액상 상태로 균일하게 퍼지며 포도당과 잘 섞인다. 기존 촉매보다 20% 높은 83.8% 수율로 5-HMF를 생산할 수 있다. 반응 후에는 고체로 변해 99% 이상 회수할 수 있다. 
 기존 공정에서는 포도당을 먼저 과당으로 바꾸고 다시 HMF로 전환해야 했다. 연구팀은 친환경 촉매를 활용한 실험 과정에서 포도당이 '2,5-안하이드로만노스(AHM)'라는 중간물질을 거쳐 5-HMF로 전환되는 반응 경로를 처음으로 규명했다. 과당 전환 없이 포도당에서 AHM을 거쳐 바로 5-HMF를 생산할 수 있어 공정 시간과 비용을 줄이는 새로운 경로를 밝혀낸 것이다.
 백 수석연구원은 "개발된 촉매는 친환경적이면서도 높은 수율로 5-HMF를 얻을 수 있고 5회 이상 재사용도 가능하다"며 "후속 연구를 통해 친환경 바이오플라스틱, 윤활유 등 부가가치가 높은 응용 제품을 실증하고 기술이전을 추진할 계획"이라고 밝혔다.
 &lt;참고 자료&gt; - doi.org/10.1016/j.cej.2025.160472 - doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125561
 [이병구 기자 2bottle9@donga.com]
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