INTERVIEW - 김현우 경희대 석사과정(LG생활건강 미래화장품육성재단 우수학생논문상 최우수논문상 수상자)
LG생활건강 미래화장품육성재단(이사장 박선규)은 국내 우수 중소 화장품 기업을 지원하고 뷰티기반 스타트업을 발굴해 기업경쟁력을 높이고 나아가 K-Beauty Global화와 일자리 창출에 기여하기 위해 2019년 출범했다. 주요 지원 사업 내용은 스타트업 지원, 학술연구 지원, 장학사업 등이다. ‘LG생활건강 미래화장품육성재단 우수학생논문상'은 2020년 시작됐다. 이 논문상은 미래 K-Beauty 산업을 이끌어갈 학생들의 창의적인 아이디어를 발굴하기 위해 마련됐다. 2년 동안 모두 27명이 받았다. 지난해 최우수논문상은 3명이 수상했다. 그 중 김현우 경희대학교 화학공학과 연구원(석사과정)을 서면으로 인터뷰했다. 그가 제출한 논문명은 ‘리그노셀룰로식 바이오매스로부터 지속
가능한 바이오플라스틱의 생산:경제성 분석 및 전 과정 평가Sustainable Production of Bioplastics from Lignocellulosic Biomass: Technoeconomic An-alysis and Life-Cycle Assessment’이다. 이 논문은 학술저널 ‘ACS Sustainable Chemistry & Engineering’에 2020년 7월 게재됐다.
Q. 최우수논문상 수상을 축하합니다. 소감부터 말씀해주세요
LG생활건강 미래화장품육성재단에서 저의 연구 결과를 높이 평가해주신 부분에 대해 진심으로 감사하다는 말씀을 이 기회를 빌려 전하고 싶습니다. 이 논문은 제가 석사 과정 중 첫 번째 논문이면서 가장 많은 시간을 투자했던 연구였기에 이번 수상은 제게 더욱 의미있습니다. 또한 제가 앞으로 연구를 진행함에 있어서 힘든 시기를 극복하는 원동력이 될 수 있는 중요한 순간으로 기억될 것 같습니다. 다시 한 번 감사드립니다.
Q. 이 논문의 주요 내용은 무엇인가요?
이 논문에서는 Lignocellulosic biomass의 이용가능한 성분을 최대한 활용해 친환경 소재인 2,5-Furandicarboxylic acidFDCA와 1,5-PDO1,5- Pentanediol의 동시생산 가능한 공정을 설계하고, 경제성 및 환경성 평가를 통해 공정의 비용절감과 이산화탄소 배출량 절감을 위한 방향성 제시에 대한 연구입니다. FDCA는 플라스틱의 전구체로 이용되는 물질이며, 1,5-PDO는 폴리에스터 생산에 있어서 접착제 역할을 하는 고부가가치 화학물질입니다. 대부분의 화학공정에서 많은 양의 용매 사용으로 인해 분리비용(즉, 스팀 비용)이 상당량 소요 됩니다. 따라서, 이번 연구에서는 효과적인 열교환 네트워크를 구축함으로써 공정에 남는 폐열을 활용하여 공정의 에너지 효율을 향상시는 기법을 적용했습니다.
또한, 이번 논문에서 도입된 분석방법인 기술 경제성 분석technoeconomic analysis과 전 생애주기 평가life-cycle assessment를 통해 공정의 경제성과 환경적인 영향을 평가해 FDCA 생산비용을 계산하고 공정에서 발생하는 직간접적인 이산화탄소 배출량을 정량화했습니다. 이를 통해 FDCA 생산 비용과 이산화탄소 배출량 절감을 위해서 어떤 전략을 수립해야 하는지에 대한 방향성을 제시하였습니다.
Q. 플라스틱 연구는 다소 생소한 분야인데요.
네. 그렇습니다. 전 세계적으로 플라스틱 폐기물로 인해 화석연료 고갈과 지구온난화 현상을 가속화시키고 있습니다. 제 연구분야의 경우 기존의 석유 원료로부터 생산되던 PET의 주원료로 사용되는 TPATerephthalic acid를 대체하기 위해 재생에너지 기반의 바이오플라스틱 원료인 FDCA를 생산하기 위한 개념 공정을 설계하는 분야입니다. 이는 추후 상용 공정의 상세설계 시 기초 자료로 활용될 수 있습니다. 기존에 FDCA 생산을 위한 많은 연구들이 이루어져 왔지만, 대부분 신규 촉매나 반응기 개발과 같은 요소 기술에 집중되어 있었습니다. 하지만, FDCA 생산의 상용화를 위해서는 반응공정 이후 발생하는 부산물과 생성물의 분리 및 정제 공정이 필수적으로 고려되어야 합니다. 따라서, 저는 반응 및 후단 분리공정을 아우르는 하나의 통합공정을 설계함으로써 신규 공정의 상용화를 위한 실용적인 연구를 진행하고 있습니다.
Q. 1,5-PDO는 무엇인가요?
FDCA는 중심에 Furan을 필두로 하여 양쪽에 카르복실기를 가지고 있는 구조입니다. 이는 바이오매스와 같은 탄수화물로부터 생산될 수 있습니다. 특히, 이 물질은 미국 DOE에서 발표한 12개의 친환경 물질 중 하나로 선정되면서 오랜 기간 연구대상으로 많은 관심을 받아오고 있습니다. FDCA는 기존의 PET의 전구체인 TPATerephthalic acid의 대체제로 여겨지고 있으며, FDCA를 이용하여 PEFPolyethylene furanoate라는 바이오플라스틱을 생산할 수 있습니다. 주목할 만한 점으로 PEF는 PET대비 산소, 이산화탄소, 수증기를 차단할 수 있는 능력이 뛰어난 것으로 알려져 있어 음료병이나 음식 포장재에 효과적으로 활용될 수 있습니다.
1,5-PDO는 탄소 5개가 직선 형태로 이루어진 탄화수소 구조를 가지고 있으며, 폴리에스터 생산에 있어서 가교 역할을 하는 물질입니다. 현재 전세계적으로 1,5-PDO의 시장규모는 3000톤/년으로 규모가 작아 높은 시장가격을 형성하고 있습니다. 따라서, 이번 개발 공정에서 FDCA와 함께 고부가가치 화학물질인 1,5-PDO를 생산함으로써 전체 공정의 경제성을 향상시킬 수 있습니다.
Q. 이들 공정은 어떻게 이루어지나요?
개발된 공정은 주로 바이오매스 전처리→1,5-PDO 생산→HMF 생산→FDCA 생산→FDCA 정제로 이루어져 있습니다. 그 외 앞서 말씀드린 주된 공정에서 필요한 유틸리티의 공급, 폐수처리, 저장 공정으로 구성되어 있습니다. 우선 바이오매스를 활용한 공정에서 가장 핵심 공정이 바로 ‘바이오매스 전처리’입니다. 바이오매스는 셀룰로스, 헤미셀룰로스, 리그닌이 복잡한 형태로 뭉쳐 있는 구조이기 때문에 각각의 물질을 분리해야만 다양한 제품을 생산할 수 있습니다. 펠렛Pellet이나 칩Chip 형태의 바이오매스를 전처리한 이후에 셀룰로스와 헤미셀룰로스는 각각 HMF 생산, 1,5-PDO 생산공정으로 공급되어 연속적인 촉매반응을 통해 원하는 물질로 전환되게 됩니다. 이때, 증류탑이나 필터와 같은 분리공정을 도입함으로써 각 반응기에서 생산된 용매와 부산물을 분리하여 고순도 제품을 생산할 수 있습니다.
Q. 화장품 분야에서는 어떻게 활용할 수 있을까요?
현재 한국에서는 지리적 그리고 환경적 특성상 바이오매스를 활용하기 쉽지 않습니다. 다만, 대표적으로 미국의 경우 매년 7500만 톤의 옥수수대를 생산할 수 있는 능력을 갖추고 있고, 이러한 옥수수대를 원료로 이용한 에탄올Ethanol 생산의 경우 이미 상용화에 가까운 기술 수준에 있습니다. 목질계 바이오매스의 경우, 기존의 석유화학 원료와 동일하게 육탄당과 오탄당의 구조를 가지고 있기 때문에 적절한 전처리, 반응, 분리공정을 도입한다면 기존의 석유화학 제품을 대체할 수 있습니다.
현재 화장품 산업에서 이용되는 용기는 대부분 화석연료로부터 생산되고 있으며, 매년 엄청난 양의 용기가 생산되고 폐기되면서 지구온난화 현상의 가속화에 일조하고 있습니다. 따라서, 이러한 화장품 용기를 친환경 바이오매스 원료를 이용하여 생산할 수 있다면, 여러 부분에서 환경적 영향을 완화시킬 수 있을 것입니다. 이러한 관점에서 제가 개발한 공정의 생산물인 FDCA와 1,5-PDO는 플라스틱 생산 원료로 사용될 수 있기 때문에 화장품 산업뿐만 아니라 플라스틱을 사용하는 다양한 산업에 적용될 수 있을 것입니다.
Q. 앞으로 어떤 부분을 보완하고 연구할 계획인지요?
FDCA로부터 생산된 PEF 플라스틱은 아쉽게도 자연에서 생분해되지 않습니다. 즉, 기존의 PET와 동일한 재활용 과정을 거쳐야 하기 때문에 궁극적으로 플라스틱 폐기물 문제를 해결하는데 한계를 가지고 있습니다. 따라서, 저는 앞으로 바이오매스로부터 생분해성 플라스틱 생산공정에 대한 연구를 진행할 예정입니다. 이를 통해 생분해성 플라스틱 생산 공정의 상용화를 통해 플라스틱 폐기물 이슈를 해결하는 것이 목표입니다.
Edited by 조찬송·안용찬
■ 2020~2021년 미래화장품육성재단 우수학생논문상 수상자
