상압 공정에서 톱밥으로 플라스틱 원료 생산한다

 - 식용 옥수수 기반 과당 대신 목재 바이오매스 활용, 상압에서 바이오 플라스틱 원료 FDCA 생산

 - 고순도 99% 이상·셀룰로오스 기준 최대 수율 59%, 톱밥 기준 47.2% 달성

 - 기존 비교공정 대비 탄소배출 60%·화석자원 사용 47.9% 저감

(하단 왼쪽부터 시계방향으로) 포스텍권기현 박사과정생, 유지윤 박사과정생, 한지훈 교수,  화학연 김지훈 책임연구원, 엄인용 책임연구원, 이마음 연구원, 황동원 책임연구원

국내 연구진이 버려지는 목재 톱밥을 플라스틱 원료로 바꾸는 생산공정을 개선했다. 기존 목재 기반 제조기술의 고압 반응·정제 과정을 줄이면서도 순도 99% 이상의 바이오플라스틱 원료를 생산하는 데 성공했다.

한국화학연구원 (원장 신석민) 황동원 박사팀은 포항공과대학교 (총장 김성근) 한지훈 교수팀과 비식용 바이오매스를 2,5-푸란디카복실산 (FDCA)으로 전환하는 ‘BMF-AMF-FDCA 연계 공정’을 개발했다. FDCA는 석유계 원료 테레프탈산 대신 페트병을 만들 수 있는 소재다.

현재 FDCA는 주로 옥수수에서 얻은 과당·설탕 등을 원료로 제조한다. 네덜란드는 올해 9월 연간 5천톤 규모 공장에서 첫 생산에 성공했다. 한편 식량과의 경쟁 없이 폐목재를 활용한 연구도 활발해지고 있다.

기존 연구에서는 목재의 셀룰로오스를 중간물질로 전환한 뒤 FDCA를 만들거나, 새로운 촉매로 전환 효율을 높이는데 집중했다. 다만 목재는 구조가 단단해 분해하기 어렵고, 반응 중 만들어진 중간물질이 쉽게 변질돼 생산 효율이 떨어지는 문제가 있었다.

특히 기존 목재 기반 일부 공정은 고농도 염산과 염소계 용매를 사용하고 고압 밀폐설비가 필요했다. 중간물질을 분리·정제하는 과정도 추가돼, 실제 산업 현장에서 활용하려면 각 제조단계를 효율적으로 연결하는 기술이 중요했다.

폐목질 셀룰로오스 활용 플라스틱 원료 생산 공정 개요(AI 활용 제작)

연구팀은 셀룰로오스를 BMF, AMF, FDCA로 전환하는 3단계 공정을 개발했다. 핵심은 첫 단계의 고압 반응을 줄이고, 이후 중간물질을 별도로 분리·정제하거나 용매를 교체하는 과정을 최소화한 것이다.

먼저 황산과 브로마이드염을 사용해 고압 공정 없이 대기압에서도 셀룰로오스를 BMF로 전환했다. 이는 물과 기름처럼 섞이지 않는 두 액체를 활용하는 방식으로, 불안정한 중간물질이 만들어지면 기름층으로 빠르게 이동시켜 불필요한 부산물 생성을 줄인다. 마치 쉽게 상하는 재료를 바로 건져내 보관하는 것과 유사한 원리다.

그 결과 셀룰로오스에서 BMF 수율은 최대 82%에 달했고, 생산성은 기존에 보고된 CMF/BMF 공정보다 3배 이상 높았다. 10L 반응기에서도 수율 73~79%를 확인했으며, 할로겐계 물질 사용량은 기존 염산 기반 CMF 공정보다 30배 이상 줄였다.

이후 BMF를 상온인 25℃에서 AMF로 연속 전환했다. 1L 규모 반응기에서 한 번 통과하는 것만으로 95% 이상의 수율을 얻었다. 불순물을 제거한 뒤에는 반응에 사용된 이온교환수지를 재생하면서 15회 운전 반복에도 AMF 수율 97%를 보여줬다.

(왼쪽부터) 원료(톱밥, 셀룰로오스, 펄프 조각), 중간물질(BMF, AMF), 결과물 플라스틱 원료(FDCA)

최종 단계에서는 AMF를 추가 정제하지 않고 바로 산화해 순도 99% 이상의 FDCA를 생산했다. 전체 과정을 고려한 FDCA 총 질량 수율은 셀룰로오스 기준 최대 56.8%(몰 수율 59%), 목재 톱밥 기준 45.5%(몰 수율 47.2%)였다. 2022년 네덜란드 흐로닝언대학교 등의 셀룰로오스 기준 총 질량 수율 32.7% 보다 높은 결과이다.

공정 시뮬레이션 전과정평가 결과, FDCA 1kg 생산 시 온실가스 배출은 이산화탄소 환산량 기준 2.77kg으로, 기존 식용 당 공정의 6.91kg보다 약 60% 낮았다. 화석자원 사용량도 47.9% 감소했다. 다만 대규모 연속운전과 제조원가 검증은 남아 있어 후속 연구가 필요하다.

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

(1단계 BMF 제조) 상압에서 톱밥 분해, BMF 제조(AI 활용 제작)

(2단계 AMF 제조) 상온에서 BMF를 이온교환수지 관에 통과시키며 치환 반응(AI 활용 제작)

(3단계 FDCA 제조) AMF를 반응기에 넣어 산환 반응, 분말 결정 분리 후 FDCA 완성(AI 활용 제작)

이번 연구는 국제학술지 Chemical Engineering Journal(IF : 12.5)에 2026년 11월 논문으로 게재됐다. 화학연 황동원 책임연구원과 포스텍 한지훈 교수가 교신저자, 화학연 엄인용·김지훈 책임연구원과 포스텍 유지윤·권기현 박사과정생이 공동 1저자로 참여했다. 

이번 연구는 화학연 기본사업(KK2611-10)과 국가과학기술연구회 글로벌탑 전략연구단사업(GTL25021-330)의 지원을 받아 수행됐다.

* 연구결과 문답

Q. 이번 성과가 기존과 다른 점은?(기존 기술과 차이 비교)

A. 

(본 성과가 갖는 의미)

- 기존에도 바이오매스를 이용한 FDCA 제조기술이 연구됐으나, 이번 연구는 비식용 자원인 셀룰로오스계 바이오매스로부터 BMF, AMF 중간체를 효율적으로 생산하고, 최종적으로 고순도 FDCA까지 통합 생산하는 공정을 개발했다는 점에서 차별화

- 특히, 상압 BMF 제조, 상온 AMF 연속 전환, 중간물질 정제 부담 완화 등을 통해 향후 대규모 생산에 적용할 수 있는 공정 개선 가능성 제시

(기존)

- 현재 상용화가 진행 중인 FDCA 제조기술은 주로 옥수수 등에서 얻은 과당·설탕을 원료로 사용해 식용자원에 의존

- 폐목재와 셀룰로오스를 활용한 FDCA 제조연구도 진행됐으나, 단단한 셀룰로오스 구조를 분해하기 어렵고 중간물질이 쉽게 변질돼 생산 효율 확보에 어려움

- 일부 기존 목질계 공정은 고농도 염산과 염소계 용매를 사용하고, 고압 밀폐 반응기가 필요해 설비·환경부담이 발생

- 중간물질인 HMF 또는 CMF를 활용하는 제조경로에서는 생성물 분리·정제와 후속 반응공정의 효율적 연결이 주요 과제

(개선)

- 이번 연구는 셀룰로오스를 BMF→AMF→FDCA로 순차적으로 전환하는 3단계 공정을 개발하고 각 단계의 연계 가능성을 검증

- 첫 단계에서 고농도 할로겐산 대신 황산과 브로마이드염을 활용해 고압 밀폐 반응기가 아닌 대기압 조건에서 BMF 제조

- 물과 기름처럼 섞이지 않는 2상 반응계를 이용해 생성된 BMF를 유기용매층으로 빠르게 이동시켜 불필요한 분해, 부산물 생성 억제

- BMF 생산성은 기존 보고된 CMF/BMF 제조공정 대비 3배 이상 향상, 할로겐계 물질 사용량은 기존 염산/DCE 비교공정 대비 30배 이상 감소

- BMF를 상온인 25℃에서 AMF로 연속 전환하고, 용매를 교체하지 않고 후속 공정 진행

- AMF를 별도 고순도 정제하지 않고 최종 FDCA로 산화해 공정 단순화 가능성 확보

- 최종 FDCA 순도 99 wt% 이상, 전체 몰수율 셀룰로오스 기준 최대 59.0%, 목재 톱밥 기준 47.2% 달성

Q. 어디에 쓸 수 있나?(활용 분야 및 제품)

A. 

- 친환경 페트병·식품 포장재: FDCA로 만든 바이오 기반 PEF를 활용해 기존 PET 기반 식품·음료 포장재 등에 적용 가능

- 섬유·생활용품: 의류용 섬유와 각종 플라스틱 생활용품에 사용되는 바이오 기반 폴리에스터 소재의 원료로 활용 가능

- 바이오 기반 화학산업: 석유계 테레프탈산(PTA)을 대체하는 화학원료로서 친환경 폴리에스터 및 다양한 고분자 소재 활용

Q. 실용화를 위한 과제는?

A. 

- 이번 연구는 BMF 제조공정(최대 10 L)과 AMF 연속 전환공정(1 L)을 개별적으로 검증한 단계이므로, 향후 원료 투입부터 FDCA 생산까지 전체 제조단계를 연결하는 통합 연속공정 검증 필요

- 대규모 생산에 적합한 반응기 설계와 함께 원료 투입량 증가에 따른 생산수율·제품 순도·운전 안정성 유지 여부 확인 필요

Q. 실용화 가능 시기는?

A.  현재 산업부와 연계하여 연 1000톤 이상 생산을 위한 데모플랜트 구축 사업을 준비 중이며, 본 사업이 완료되는 2030년 이후 실용화 가능 예상

Q. 산업적, 경제적 파급효과는?

A. 

- 현재 FDCA 상용화가 추진되는 식용 당 기반 제조경로 외에 목재, 톱밥, 농업부산물 등 비식용 바이오매스를 활용하는 새로운 원료 공급경로 확보 가능

- 상압 반응을 적용함으로써 일부 기존 고압 밀폐공정 대비 설비 부담을 줄일 가능성이 있으며, 상온 AMF 제조와 중간 정제 단계 생략으로 공정 효율 향상 기대

- 화석자원 사용량도 기존 비교공정보다 47.9% 감소하는 것으로 분석돼 탄소중립형 바이오화학 공정 개발에 기여 가능