▲ 화학연 이마음 연구원이 완성된 플라스틱 원료(FDCA)를 보여주고 있다.

국내 연구진이 폐목재와 톱밥 등 비식용 목질계 바이오매스를 페트병용 플라스틱 원료로 전환하는 공정을 확보, 기존 목재 기반 제조공정의 고압 반응과 중간물질 분리·정제 단계를 줄이면서 고순도 원료 생산과 탄소배출 저감을 동시에 구현해 석유계 플라스틱을 대체할 바이오 기반 화학소재의 생산 기반 확대에 기여할 것으로 기대된다.

한국화학연구원(원장 신석민)은 황동원 박사팀이 포항공과대학교(총장 김성근) 한지훈 교수팀과 공동으로 목질계 바이오매스를 2,5-푸란디카복실산(FDCA)으로 전환하는 ‘BMF-AMF-FDCA 연계 공정’을 개발했다고 1일 밝혔다.

FDCA는 석유계 원료인 테레프탈산을 대체할 수 있는 바이오 기반 화학소재로, 페트병과 폴리에스터 등 플라스틱 제조에 활용할 수 있다. 현재 FDCA는 주로 옥수수에서 얻은 과당이나 설탕 등 식용 당을 원료로 생산하지만, 식량자원과의 경쟁 및 원료 확보 부담을 줄이기 위해 폐목재 등 비식용 바이오매스를 활용하는 기술 개발이 진행되고 있다.

기존 목재 기반 FDCA 생산 연구는 셀룰로오스를 중간물질로 전환하거나 촉매를 개선해 반응 효율을 높이는 데 집중해 왔다. 그러나 목재는 구조가 단단해 분해가 어렵고, 반응 과정에서 생성되는 중간물질이 쉽게 변질돼 전체 생산수율을 높이는 데 한계가 있었다.

특히 일부 공정은 고농도 염산과 염소계 용매를 사용하고 고압 밀폐설비를 필요로 하는 데다 중간물질의 분리·정제와 용매 교체 과정까지 거쳐야 해 공정 효율화와 산업적 적용을 위한 제조단계 간 연계가 과제로 꼽혀왔다.

연구팀은 셀룰로오스를 BMF(바이오매스 유래 중간물질), AMF(후속 전환 중간물질)를 거쳐 FDCA로 전환하는 3단계 공정을 구축했다. 첫 단계에서 고압 반응을 상압 반응으로 대체하고, 이후 중간물질을 별도로 분리·정제하거나 용매를 교체하는 과정을 최소화한 것이 핵심이다.

먼저 황산과 브로마이드염을 활용해 대기압 조건에서 셀룰로오스를 BMF로 전환했다. 물과 섞이지 않는 유기용매층을 이용해 반응 중 생성되는 불안정한 중간물질을 빠르게 이동시킴으로써 불필요한 부산물 생성을 억제하는 방식이다.

이를 통해 셀룰로오스 기준 BMF 수율 최대 82%를 달성했으며, 생산성은 기존에 보고된 CMF/BMF 공정보다 3배 이상 높았다. 10L 규모 반응기에서도 73∼79%의 수율을 확인해 공정 확대 가능성을 검증했다. 할로겐계 물질 사용량도 기존 염산 기반 CMF 공정 대비 30배 이상 줄였다.

이후 BMF는 상온인 25℃에서 AMF로 전환했다. 1L 규모 반응기에서 단일 통과만으로 95% 이상의 수율을 확보했으며, 불순물 제거 후 이온교환수지를 재생하는 방식으로 15회 반복 운전에서도 AMF 수율 97%를 유지했다.

최종 단계에서는 AMF를 별도로 정제하지 않고 산화해 순도 99% 이상의 FDCA를 생산했다. 전체 공정의 FDCA 질량 수율은 셀룰로오스 기준 최대 56.8%(몰 수율 59%), 목재 톱밥 기준 45.5%(몰 수율 47.2%)를 기록했다. 이는 2022년 네덜란드 흐로닝언대학교 등이 발표한 셀룰로오스 기반 공정의 총 질량 수율 32.7%보다 높은 수준이다.

공정 시뮬레이션을 기반으로 한 전과정평가(LCA)에서는 FDCA 1kg 생산 시 온실가스 배출량이 이산화탄소 환산 기준 2.77kg으로 분석됐다. 기존 식용 당 기반 공정의 6.91kg과 비교해 약 60% 낮은 수치다. 화석자원 사용량도 47.9% 감소하는 것으로 나타났다.

이번 연구는 식용자원과 경쟁하지 않는 목질계 바이오매스를 활용하면서 고압 반응과 복잡한 정제공정을 줄여 바이오 기반 화학소재의 생산 효율과 환경성을 함께 개선했다는 데 의미가 있다. 다만 실제 산업 적용을 위해서는 대규모 연속운전과 제조원가 검증 등 후속 연구가 필요하다.

황동원 화학연 책임연구원은 “식용자원 대신 목질계 바이오매스를 활용한 플라스틱 원료 제조 단계별 공정 효율화를 달성한 성과”라고 전했다. 신석민 화학연 원장은 “바이오매스를 고부가가치 화학소재로 전환하는 탄소중립의 주요 기술로 활용되길 기대한다”고 말했다.

한편 이번 연구는 국제학술지 'Chemical Engineering Journal'(IF 12.5)에 2026년 11월 게재됐다