포도당 하나로 화학소재 두 가지 만든다…수소 없이 작동하는 저탄소 촉매[과학을읽다]

글루콘산·소르비톨 동시 생산 성공…실온 공정으로 에너지·탄소배출 절감 기대

포도당 하나로 두 가지 고부가 화학소재를 동시에 생산하는 저탄소 촉매 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 외부 수소 공급이나 고압 설비 없이도 실온에서 반응이 가능해 친환경 바이오 화학공정의 새로운 가능성을 제시했다.

한국화학연구원은 황영규 책임연구원, 오경렬 선임연구원, 김지훈 선임연구원 연구팀이 포도당으로부터 세제·의약품 원료인 '글루콘산'과 감미료·화장품 원료인 '소르비톨'을 동시에 생산하는 순환형 저탄소 촉매 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.

한국화학연구원 연구팀이 개발한 특수촉매(오른쪽), 특수촉매는 백금과 주석을 3대1로 혼합한 용액을 담지체 무게 대비 3% 담지해 제작한다. 화학연 제공

연구 결과는 촉매 분야 국제학술지 '어플라이드 카탈리시스 B: 엔바이론먼트 앤 에너지(Applied Catalysis B: Environment and Energy)'에 지난 1월 게재됐다.

포도당 내부 수소 활용해 두 물질 동시 생산

글루콘산과 소르비톨은 전 세계적으로 연간 수백만 t이 생산되는 대표적인 바이오 기반 화학소재다. 글루콘산은 세제와 의약품, 금속 세정제 등에 사용되고, 소르비톨은 감미료와 화장품 원료 등으로 활용된다.

하지만 기존 공정에서는 포도당을 원료로 두 제품을 각각 따로 생산해야 했다. 특히 소르비톨을 제조하기 위해서는 100도 이상의 고온과 10기압 이상의 고압 수소가 필요해 에너지 소비와 비용이 많이 들고 탄소 배출도 많았다.

불균등화 반응 활용 글루콘산 및 소르비톨 제조용 신규 친환경 포도당 전환 공정 기술과 기존 기술의 비교. 기존에는 포도당을 산화 또는 수소화 반응으로 각각 전환해야 해 약 100℃ 이상의 고온과 10기압 이상의 고압 가스가 필요해 공정 비용과 환경 부담이 컸다. 연구팀은 외부 수소·산소 공급 없이 실온·상압에서 작동하는 포도당 불균등화 반응을 개발해 반응 과정에서 발생한 수소를 내부적으로 재활용함으로써 글루콘산과 소르비톨을 동시에 생산했으며, 이 기술은 갈락토스·만노스·자일로스 등 다양한 당류에도 적용 가능한 친환경 공정으로 확장될 수 있다. 연구팀 제공

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 포도당 분자 내부의 수소를 활용하는 '내부 수소 전달(Internal Hydrogen Transfer)' 반응을 적용했다. 포도당이 글루콘산으로 변하는 과정에서 발생한 수소를 외부로 배출하지 않고 바로 다른 포도당 분자에 전달해 소르비톨로 전환하는 방식이다. 외부 수소나 산소 가스를 공급하지 않고도 하나의 반응 시스템에서 두 제품을 동시에 생산할 수 있다.

실험 결과 포도당 100분자를 투입하면 글루콘산 50분자와 소르비톨 50분자가 생성되는 50대50 선택도를 확인했다.

백금·주석 촉매로 수소 전달 효율 높여

이 공정의 핵심은 백금(Pt)과 주석(Sn)을 결합한 이종금속 촉매다. 연구팀은 두 금속을 3대1 비율로 결합해 반응 속도를 정교하게 조절했다.

한국화학연구원 연구팀. 윗줄 왼쪽부터 김지훈 선임연구원, 알리 아와드 박사후연구원, 오경렬 선임연구원, 키롤라 콜미자에바 UST 학생연구원, 황영규 책임연구원. 화학연 제공

백금만 사용할 경우 반응이 지나치게 빨라 수소가 가스로 손실되는 문제가 발생하지만, 주석을 함께 사용하면 반응 속도가 조절되면서 수소 전달 효율이 크게 향상된다. 이를 통해 발생한 수소를 다른 반응에 활용하는 순환형 반응 시스템을 구현했다.

또 기존 연구가 1~5% 수준의 저농도 포도당 조건에서 진행된 것과 달리 이번 연구에서는 36%의 고농도 포도당 환경에서도 안정적인 반응을 확인했다.

산업 수준 생산성 확보…친환경 화학공정 기대

생산성도 산업 적용 가능 수준을 확보했다. 연구팀은 하루 기준 반응기 1ℓ당 약 1.5㎏ 이상의 제품 생산량을 기록해 기존 고온·고압 공정과 비교해도 경쟁력 있는 수준을 확인했다.

연구결과를 소개한 'Applied Catalysis B' 표지 이미지. 화학연 제공

반응 이후에는 전기 기반 분리 기술인 양극성막 전기투석을 활용해 글루콘산과 소르비톨을 고순도로 분리했다. 분리 공정 비용은 제품 1kg당 약 150원 수준으로 경제성이 높은 것으로 나타났다.

이번 기술은 포도당뿐 아니라 목재 유래 당류인 자일로스 등을 활용해 자일리톨 등 다양한 바이오 기반 화학소재 생산에도 적용될 수 있다.

황영규 화학연 책임연구원은 "이번 연구는 포도당 내부 수소를 재활용하는 순환형 화학공정 모델을 제시한 것"이라며 "석유 대신 식물 자원을 활용하면서도 탄소 배출을 크게 줄일 수 있어 친환경 화학 산업 전환에 기여할 것"이라고 말했다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr