촉매의 혁신⋯포도당으로 두 가지 화학원료 동시 생산 [지금은 과학]

[아이뉴스24 정종오 기자] 국내 연구팀이 포도당만으로 두 가지 고부가가치 화학제품을 동시에 만드는 혁신 기술을 개발했다.

한국화학연구원 황영규·오경렬·김지훈 박사 연구팀은 특수 촉매 시스템을 통해 포도당으로부터 세제, 의약품 등의 원료인 ‘글루콘산’과 감미료, 화장품 원료인 ‘소르비톨’을 동시에 생산하는 순환형 저탄소 촉매 기술을 내놓았다.

별도의 수소·산소 가스를 공급할 필요가 없고 실온에서도 반응이 가능해 에너지 소모와 탄소 배출을 크게 줄일 수 있다.

현재 글루콘산과 소르비톨은 전 세계적으로 연간 수백만 톤이 생산되는 필수 화학소재이다. 기존 공정은 포도당으로부터 두 제품을 각각 따로 만들어야 했다. 글루콘산과 소르비톨을 만들기 위해 50~150℃의 고온과 대기압의 10배가 넘는 고압 산소 또는 수소가 필요했다.

수소 활용 공정에 막대한 비용이 들 뿐만 아니라 이산화탄소가 많이 배출되는 문제가 있었다.

연구팀은 포도당 내부 수소를 재활용(Internal Hydrogen Transfer)했다. 포도당이 글루콘산으로 변할 때 발생하는 수소를 바로 옆 다른 포도당에 전달해 소르비톨로 변환시키는 데 성공했다.

자전거 페달을 밟아 발생한 동력으로 바퀴를 돌리는 것과 같다. 외부의 전기 없이도 공정 내부에서 스스로 에너지를 만들어 제품을 완성하는 ‘자기 완결형’ 공정을 구현한 것이다.

이 공정의 핵심은 백금(Pt)과 주석(Sn)을 결합한 특수 촉매에 있다. 연구팀은 백금과 주석을 각각 3대 1의 최적 비율로 섞어 촉매를 설계했다. 백금만 사용하면 반응이 너무 강해 수소가 배출되는데 여기에 주석을 더하면 반응 속도를 정교하게 조절할 수 있다.

발생한 수소 100%를 소르비톨 생산에 활용한다. 실험 결과, 포도당 100분자를 넣으면 글루콘산 50분자와 소르비톨 50분자가 정확하게 만들어지는 결과를 확인했다.

이번 기술은 산업적 측면에서도 매력적이다. 고농도의 포도당을 원료로 사용해 하루에 1리터당 1.5kg 이상의 제품을 생산할 수 있는데, 이는 기존 고온·고압 공정과 비교해도 손색없는 수준이다.

연구팀은 전기적 힘으로 물질을 걸러내는 기술을 통해 순도 98.5% 이상의 깨끗한 제품을 얻는 데 성공했다. 분리 공정에 드는 전기료는 제품 1kg당 약 150원 수준에 불과해 경제성이 매우 높다.

이번 기술을 확장해 포도당뿐만 아니라 나무에서 나오는 성분인 ‘자일로스’를 넣으면 무설탕 껌의 원료인 ‘자일리톨’을 만들 수 있는 등 다양한 식물 자원인 바이오매스에 그대로 적용할 수 있다.

화학연 황영규 박사는 “이번 연구는 버려지는 것 없이 모든 자원을 효율적으로 활용하는 순환형 화학공정의 모델을 제시했다”며 “석유가 아닌 식물 자원으로 화학제품을 만들면서도 탄소 배출이 획기적으로 감축된 이 기술이 향후 우리 화학 산업의 경쟁력을 높이는 데 이바지할 것”이라고 말했다.

연구 결과(논문명: Transfer hydrogenation-driven co-production of gluconic acid and sorbitol from glucose at room temperature using bifunctional PtSn/ZrO2 catalyst)는 세계 촉매 분야 학술지인 ‘어플라이드 카탈리시스 비: 엔바이론먼트 앤 에너지(Applied Catalysis B: Environment and Energy)’에 올해 1월 실렸다.