톱밥 기반 플라스틱 원료 생산 기술 효율화 성공

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 버려지는 목재 톱밥을 플라스틱 원료로 바꾸는 생산공정을 개선했다. 기존 목재 기반 제조기술의 고압 반응·정제 과정을 줄이면서도 순도 99% 이상의 바이오플라스틱 원료를 생산하는 데 성공했다.

한국화학연구원 황동원 박사팀은 포항공과대학교 한지훈 교수팀과 비식용 바이오매스를 2,5-푸란디카복실산 (FDCA)으로 전환하는 'BMF-AMF-FDCA 연계 공정'을 개발했다고 1일 밝혔다. FDCA는 석유계 원료 테레프탈산 대신 페트병을 만들 수 있는 소재다.

현재 FDCA는 주로 옥수수에서 얻은 과당·설탕 등을 원료로 제조한다. 네덜란드는 올해 9월 연간 5t톤 규모 공장에서 첫 생산에 성공했다. 한편 식량과의 경쟁 없이 폐목재를 활용한 연구도 활발해지고 있다. 기존 연구에서는 목재의 셀룰로오스를 중간물질로 전환한 뒤 FDCA를 만들거나, 새로운 촉매로 전환 효율을 높이는데 집중했다. 다만 목재는 구조가 단단해 분해하기 어렵고, 반응 중 만들어진 중간물질이 쉽게 변질돼 생산 효율이 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 셀룰로오스를 BMF, AMF, FDCA로 전환하는 3단계 공정을 개발했다. 핵심은 첫 단계의 고압 반응을 줄이고, 이후 중간물질을 별도로 분리·정제하거나 용매를 교체하는 과정을 최소화한 것이다. 먼저 황산과 브로마이드염을 사용해 고압 공정 없이 대기압에서도 셀룰로오스를 BMF로 전환했다. 이는 물과 기름처럼 섞이지 않는 두 액체를 활용하는 방식으로, 불안정한 중간물질이 만들어지면 기름층으로 빠르게 이동시켜 불필요한 부산물 생성을 줄인다. 마치 쉽게 상하는 재료를 바로 건져내 보관하는 것과 유사한 원리다.

그 결과 셀룰로오스에서 BMF 수율은 최대 82%에 달했고, 생산성은 기존에 보고된 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 상온인 25℃에서 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 흐로닝언대학교 등의 셀룰로오스 기준 총 질량 수율 32.7% 보다 높은 결과다.

공정 시뮬레이션 전과정평가 결과, FDCA 1kg 생산 시 온실가스 배출은 이산화탄소 환산량 기준 2.77kg으로, 기존 식용 당 공정의 6.91kg보다 약 60% 낮았다. 화석자원 사용량도 47.9% 감소했다. 다만 대규모 연속운전과 제조원가 검증은 남아 있어 후속 연구가 필요하다는 설명이다.

황동원 책임연구원은 "식용자원 대신 목질계 바이오매스를 활용한 플라스틱 원료 제조 단계별 공정 효율화를 달성한 성과"라고 밝혔다.

이번 연구는 국제학술지 Chemical Engineering Journal(IF : 12.5)에 2026년 11월 논문으로 게재됐다.

[email protected] 연지안 기자