[국가기반기술연구본부] Biomass 전환 기술을 이용한 고부가 가치 화학재료 대량생산(정재승 기자)

한국과학기술연구원 L5 연구동에 위치한 청정에너지연구센터. 이곳에서는 지구온난화 등 환경문제에 대비하기 위해 미래지구환경보존 및 지속가능한 사회 구축에 필수불가결한 다양한 신재생에너지를 연구하고 있다. 이 중 “Green Chemistry & Engineering”연구실에서는 바이오 에너지의 하나인 바이오매스 (Biomass, 유기성 생물체를 총칭)물질을 특별한 촉매를 사용하여 고부가 가치의 화학재료를 만들어 내는 연구를 진행하고 있다.

바이오에너지 이용기술이란 바이오매스를 직접 또는 화학적, 물리적 변환과정을 통해 액체, 가스, 고체연료나 전기 및 열 에너지 형태로 이용하는 화학, 생물, 연소공학 등의 기술을 일컫는다. 이 연구실 소속인 김민수 (석사과정) 학생 연구원은 촉매 및 화학공정 기초지식을 바탕으로 바이오매스 기반 청정연료 및 화학제품 개발 연구를 하고 있다.

“Green Chemistry & Engineering”연구실에서는 현재까지 셀룰로오스를 이온성 액체 기반 촉매를 활용해 스마트폰, 자동차, 노트북 등에 사용되는 고체 고분자 전해질로 만드는 연구와 셀룰로오스, 리그닌으로 부터 나일론의 원료물질을 생산하고 이를 활용한 고분자 합성 및 여기에 쓰이는 호모지니어스와 헤테로지니어스 촉매, 이온성 기반 촉매연구를 제일모직, 삼성 SDI와의 협력으로 진행했다. 그리고 현재는 바이오디젤 형성시 발생하는 부산물을 촉매를 이용해 화학적으로 전환하는 연구가 진행 중이다. 일반적으로 디젤에는 일정 비율 이상의 바이오디젤이 포함되어야 하는데 이 때 포함되는 바이오디젤 생산 시 부산물로써 폐(廢)글리세롤이 발생하게 된다. 이 폐글리세롤을 고부가 가치 물질인 글리시돌로 바꾸게 되면 디젤에 대한 경제적 가치를 한 단계 높여줄 수 있다. 쉽게 말해 연료를 제작하는 데에 나오는 부산물을 폐기하지 않고 화학적 변환을 이용해 경제적으로 가치 있는 물질을 만들어 내는 연구인 것이다.

김민수 학생 연구원은 앞서 말한 부산물 전환의 경제성뿐만 아니라 환경적 가치를 고려한 연구를 진행하고 있다. 현재 바이오디젤 부산물인 폐글리세롤을 글리시돌로 전환시키는 기술은 이미 산업계에서 사용하고 있으며 Green Chemistry & Engineering”연구실에서 연구 중인 전환기술보다 비용적인 측면에서는 좀 더 저렴하다. 하지만 기존의 바이오디젤의 전환 방법은 산성이나 염기성 부산물들을 다량 발생시키기 때문에 환경오염의 우려가 크다. 그러나 김민수 연구원이 개발하는 전환 기술은 기존 전환기술과 달리 산성이나 염기성 부산물이 전혀 발생하지 않고 단순히 CO2와 메탄올만이 발생하므로 이를 다른 용도로 활용하여 환경 피해를 최소화 하는 것이다.  

세부적인 과정을 보면 폐글리세롤을 글리시돌로 전환시키기 위해서 2단계의 반응을 거치게 된다. 글리세롤에 특정 촉매를 사용하여 다이메틸 카보네이트와 혼합하여 글리세롤 카보네이트를 만든다. 글리세롤 카보네이트 자체도 고분자 원료물질 및 윤활유, 부동액에 사용 가능한 물질이지만 여기에서 한 단계 더 나아가 디카복실레이션(decarboxylation)을 통해 글리시돌을 생산해낸다. 글리시돌은 1단계 반응에서 생성되는 글리세롤 카보네이트보다 그 경제적 가치가 높다.

 

김민수 연구원은 위에서 말한 실험 과정에서 2단계 반응을 70%의 수율로 글리시돌을 생산해 낼 수 있게 하였다. 70%는 기존 기술 대비 높은 수율로 기업과의 공동개발 및 기술이전을 준비 중에 있다. 또한 2단계의 촉매반응을 연속으로 일으킬 수 있도록 실험을 설계하여 반응의 효율성을 높였다. 현재까지 랩스케일의 실험은 모두 성공하였고 폴링필름타입의 반응기를 이용해 랩스케일에 머무르지 않고 상용화 가능성을 높이기 위한 스케일 업을 진행하고 있다.

김민수 연구원은 이러한 폐글리시롤을 고부가 가치 물질인 글리시돌로 전환하는 실험을 진행하는 데에 있어 이전부터 연구해온 이온성 액체를 활용해서 더욱 많은 응용 실험을 해 볼 계획이다.

지금까지 설명한 바이오매스 전환기술은 가까운 시일 내에 상용화를 기대하긴 힘들지만 향후에 환경적 측면에서의 국가 원천기술 발전에 이바지 할 것으로 보인다. 또한 연구실 연구에 머무르지 않고 산업에 적용할 수 있는 연구를 지속하여 미래에 에너지 소비를 보다 친환경적이고 지속가능 하도록 노력할 것이다. (청정에너지연구센터 정재승 기자)

  * 상기 연구는 KIST주관, 경희대학교 위탁, 대림화학 참여 연구로 진행되고 있으며

    연구책임자는 KIST 이현주 박사이고,  KIST 이상득 박사, 안병성 박사, 공경택 연구원이 참여하고

    경희대의 이제승 교수님이 참여하고 있습니다.