화학연, 자일론산·자일리톨 동시 생산 촉매 공정기술 개발

[충청뉴스 이성현 기자] 국내 연구진이 자일로스를 자일론산과 자일리톨로 동시에 생산할 수 있는 촉매 기술을 개발했다.

한국화학연구원은 황영규·김지훈·오경렬 박사 연구팀아 백금(Pt) 촉매 기반 전이 수소화 반응을 활용해 자일로스를 고부가 유기산·당알코올로 동시에 전환했다고 29일 밝혔다.

또 고온·고압, 외부 수소 공급 없이 실온에서 가능하고, 동시 생산된 복합 물질은 상온·상압에서 분리막을 활용해 쉽게 분리·제품화하는 통합 공정을 갖춰 에너지 효율도 높였다고 연구팀은 설명했다.

기존의 자일로스 기반 공정은 일반적으로 고온·고압 조건에서 외부 수소나 산소를 투입해 생산해 에너지가 많이 필요했다.

이에 연구팀은 자일로스를 동시에 산화(자일론산 생산) 및 환원(자일리톨 생산)시키는 ‘전이 수소화 기반 일괄반응’ 기술을 통해 이를 해결했다.

앞서 올해 3월 논문에서 지르코니아(ZrO₂) 지지체에 백금 나노입자를 고르게 분산시킨 촉매를 선보인 연구팀은 지르코니아가 백금을 잘 붙잡는 역할을 하며 5회 이상 재사용 후에도 80% 이상의 높은 전환율이 유지돼 일반적인 탄소 지지체 대비 우수한 촉매 수명을 보였다고 밝혔다.

신규 촉매와 함께 상온·상압에서 물·수산화칼륨·고농도의 자일로스 용액을 반응시키면 자일론산·자일리톨을 각각 동시에 생산할 수 있다. 특히 이 과정에서 수소 전이 효율 100%를 기록했다. 이는 마치 요리할 때 재료에서 나온 국물을 그대로 다시 요리에 사용한 것처럼, 자일로스 분리 과정에서 나온 수소가 자일리톨을 만드는데 모두 재활용돼 이론적으로 가장 완벽한 효율을 달성했다는 의미다.

또 올해 4월에는 후속 연구를 통한 저에너지 통합 공정도 발표했다. 반응 후에는 자일론산·자일리톨·염기가 마치 건더기·국물·양념처럼 섞여 있는 혼합물이 생성된다. 연구팀은 ‘양극성분리막 전기투석 (BMED)’ 공정을 이용해 이를 한번에 분리했고, 90% 이상 회수된 염기는 반응에 재사용할 수도 있다.

신규 촉매를 사용한 통합 반응-분리 공정은 자일론산 및 자일리톨 모두 1시간에 37.5 g/L를 만드는 빠른 생산성을 보였다. 기존 열촉매, 광촉매, 바이오촉매보다 1.5~6배 빠르다. 또 분리·회수 통합 BMED 공정 덕분에 에너지 소비를 최대 46.4%까지 절감하였다.

연구팀은 후속 연구를 통해 연속식 시스템으로 확장하며, 탄소중립형 바이오화학공정 실증에 나설 계획이다.