화학뉴스

일본 연구진이 화학물질 용매 최적화 시스템을 개발했다.
일본 산업기술총합연구소(AIST)는 코스트와 이산화탄소(CO2) 배출량을 함께 고려해 화학제품 생산에 필수적인 용매를 선택할 수 있는 기술을 개발했다.
용매는 반응, 추출 등 화학제품 생산 공정에서 사용하며 같은 화학제품 공정에서도 여러 선택지가 존재한다. 기존에는 코스트 저감을 우선해 반응 효율만을 기준으로 선택하는 사례가 많았으나 AIST는 이산화탄소 배출량 감축에 기여하는 추출 효율 등도 반영할 수 있도록 개선했다.
일반적으로 용매는 반응효율이 좋은 물질을 선택하나 반응효율이 좋아도 추출효율은 좋지 않을 수 있다. 또 용매를 생산라인에서 리사이클하면 반응효율이 좋아도 리사이클에 대량의 에너지가 필요한 물질을 사용했을 때 결과적으로 이산화탄소 배출량이 증가하게 된다.
때문에 생산량이 많은 기초화학제품 분야에서는 반응 뿐만 아니라 화학제품 생산 전공정을 고려해 용매를 선택하는 개념이 확산되고 있으나 농약, 향료, 전자소재 등 소량다품종 기능성 화학제품 분야에서는 일반화돼 있지 않다.
AIST 연구팀은 기능성 화학제품 용매 선택에 활용 가능한 시뮬레이션 기술을 고안했다.
용매 구입비, 용매 리사이클 장치 구입비, 에너지 가격 등을 합한 값을 제조 코스트로 정의하고 제조 코스트 최소화를 전제로 장치 가동조건 등을 변경해 제조 코스트와 이산화탄소 배출량의 최적 밸런스를 산출하는 시스템이다.
개발 시스템을 기능성 화학제품 생산에 일반적인 스즈키-미야우라 반응(Suzuki-Miyaura Coupling)으로 실증했다.
4-Biphenyl Methyl Ketone을 합성할 때 NMP(N-Methyl-2-Pyrrolidone), 톨루엔(Toluene), MEK(Methyl Ethyl Ketone), IPA(2-propanol), 초산에틸(Ethyl Acetate) 가운데 최적 용매가 무엇인지 평가했다.
IPA와 NMP는 반응률에서 차이를 나타내지 않았으나 전체 공정에서 NMP가 코스트·이산화탄소 배출량 모두 적었으며, 톨루엔은 NMP 대비 반응 효율이 낮지만 리사이클이 상대적으로 용이해 효율 차이가 코스트 증가로 직결되지 않음을 확인했다.
연구결과는 글로벌 학술지 Green Chemistry에 게재됐으며 AIST는 앞으로 반응 용매 뿐만 아니라 추출 용매로 연구 대상을 확대할 계획이다. (윤)