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고부가가치 화학원료 HMF, 더 쉽게 제조

□ 한국생산기술연구원(원장 이상목, 이하 생기원)이 서울대학교, 한국기술대학교와 함께 5-하이드록시메틸푸르푸랄(5-HMF, 이하 HMF)을 더 쉽고 안정적으로 생산할 수 있는 촉매기술을 개발했다.

ㅇ HMF는 바이오매스를 고부가가치 화학소재로 전환하기 위해 사용하는 중간물질로, 연평균 9.5% 성장세를 보이며 2033년에는 전 세계 HMF 시장 규모가 25억 달러를 넘어설 것으로 전망*되고 있다. 

 * Verified Market Reports, Industrial 5‑Hydroxymethylfurfural (5‑HMF) Market Insights’ (2025.2.)

□ 생기원 저탄소전환연구부문 백자연 수석연구원과 서울대 재료공학부 한정우 교수, 한기대 에너지신소재화학공학과 김태용 교수 공동 연구팀은 HMF의 전환 효율과 안정성을 높일 수 있는 새로운 촉매를 개발했다고 밝혔다.

□ HMF는 바이오매스에서 얻은 과당(Fructose), 포도당(Glucose) 등의 단당류 물질에 촉매를 이용해 제조한다. 

ㅇ 과당은 고온에서 산성 촉매를 쓰면 쉽게 HMF로 바뀌지만, 반응 과정에서 국소적으로 급격하게 온도가 오르거나, 생성된 부산물이 촉매 표면을 막아 성능을 떨어뜨리는 문제가 있다. 

ㅇ 공동 연구팀은 고온·장시간 반응에서도 과당을 안정적으로 HMF로 전환할 수 있는 새로운 고체산 촉매를 개발해 문제를 해결했다. 

ㅇ 개발된 촉매는 ‘수계 자기 회복 메커니즘’을 갖춰 반응 중 생성된 물이 자발적으로 손상된 구조를 복원하기 때문에 고온에서도 장시간 활성화 가능하다.

ㅇ 실험 결과 72시간 연속 반응 시 기존 촉매의 HMF 전환 수율 57%보다 16% 높은 83% 수율을 안정적으로 유지했다.

□ 포도당의 경우 반응성이 낮아 강한 산성 촉매를 써야 하는데, 반응 중 강산이 생성돼 장비를 부식시키고, 촉매 회수도 어려워 폐촉매 및 폐수 처리의 부담이 있다.

ㅇ 연구팀은 강한 산성 물질을 쓰지 않고도 포도당을 HMF로 전환시킬 수 있는 친환경 촉매를 개발해 장비 부식과 폐촉매 문제를 동시에 해결했다. 

ㅇ 개발된 촉매는 반응 중 액상 상태로 균일하게 퍼져 포도당과 잘 섞이기 때문에, 기존 촉매보다 20%가량 높은 83.8% 수율로 HMF 전환이 가능하다.

ㅇ 또한 반응 후에는 고체로 변해 99% 이상 회수할 수 있고, 정제 과정 없이도 5회 재사용한 실험에서 HMF 수율 95% 수준을 유지했다.

□ 연구팀은 특히 새로운 촉매를 활용한 실험 과정에서 포도당이 ‘2,5-안하이드로만노스(AHM)’라는 물질을 거쳐 HMF로 전환되는 반응 경로를 최초로 규명했다.

ㅇ 기존에는 포도당을 먼저 과당으로 바꾼 뒤 다시 HMF로 전환하는 두 단계 공정을 거쳐야 했다.

ㅇ 연구팀은 포도당에서 AHM이 형성되는 현상을 포착, 과당 전환 없이 단일 반응으로 HMF를 생산할 수 있는 새로운 경로를 밝혀내 공정 시간과 비용까지 줄일 수 있게 됐다.

□ 생기원 백자연 수석연구원은 “개발된 촉매는 친환경적이면서도 높은 수율로 HMF를 얻을 수 있고, 5회 이상 촉매 재사용도 가능하다”고 설명하며 “후속 연구를 통해 친환경 바이오 플라스틱, 윤활유 등 부가가치 높은 응용 제품의 실증과 기술이전을 추진할 계획이다”라고 밝혔다.

ㅇ 이번 연구 성과는 한국연구재단의 나노·미래소재원천기술개발사업과 기후변화대응기술개발사업, 한국산업기술평가관리원 바이오매스기반 탄소중립형 바이오플라스틱제품 기술개발사업 등의 지원을 통해 도출됐다.

ㅇ 환경공학 분야 세계적 학술지 ‘Chemical Engineering Journal(2025년 3월, IF 13.2)’, ‘Applied Catalysis B: Environmental and Energy(2025년 6월 온라인판, IF 21.1)’에 각각 게재됐다.

* Chemical Engineering Journal 논문 제목 : Water-induced regeneration of active acid sites in Al-MCM-41-SO4 during continuous fructose dehydration

 Appled Catalysis B: Environment and Energy 논문 제목: Chloride-free indium(Ⅲ)-catalyzed glucose-to-HMF conversion: Overcoming kinetic barriers via water-mediated direct dehydration