[논문]효소처리와 지력증강제 활용을 통한 고해동력 절감

이학래; 서만석; 허용대; 강태영

문제 정의

이를 위해 효소 처리에 따른 지료의 고해도 및 수초지의 인장강도, 압축강도, 내부결합강도의 변화를 평가하여 고해 동력 절감의 가능성을 평가하였다. 또 실제 공정에서 적용되고 있는 지 력증강제의 활용 방안을 분석하고 그 개선안을 도출함으로써 고해공정의 효율을 개선하고자하였다.
본 연구에서는 고해동력 절감을 위한 방안으로 지료를 효소로 전처리하는 방법을 검토하였다. 이를 위해 효소 처리에 따른 지료의 고해도 및 수초지의 인장강도, 압축강도, 내부결합강도의 변화를 평가하여 고해 동력 절감의 가능성을 평가하였다.
075% 이상의 경우에는 효소에 의해 여수도가 증가하여 에너지 절감효과 보다 탈수도 향상 측면이 강한 것으로 평가되었다. 이러한 결과는 본 연구에서 사용된 효소를 0.05% 이하 첨가함으로써 섬유의 고해 효과를 증강시킬 수 있음을 확인 시켜 주는 것이다.#
펄프 섬유의 효소처리와 지 력증강제의 활용을 통하여 종이의 물성을 개선함으로써 강도 개선에 필요한 고해 동력을 절감할 수 있는 방안을 연구하였다. 상업용 셀룰라제와 헤미셀룰라제 효소를 이용하여 펄프 섬유를 전처리한 경우에 동일한 고해 조건에서 고해 도가 상승하여 고해동력을 절감시킬 수 있음이 확인되었다.

가설 설정

실제 공정에 효소를 적용할 경우 가장 적합한 처리 위치는 펄퍼로 가정하였다. 이는 효소 처리 효과를 얻기 위해서는 충분한 시간이 필요하기 때문에 초지 공정으로부터 멀리 떨어질수록 그 효과가 상승될것으로 기대하였기 때문이다.

제안 방법

10분과 15분 고해하였다. 고해된 지료는 현장에서와 같이 두 지료를 7:3의 비율로 혼합하고 여기에 약품을 투입하였다. 현장의 약품 투입 순서와 시간 간격을 실험실적으로 모사하기 위하여 Fig.
이는 효소 처리 효과를 얻기 위해서는 충분한 시간이 필요하기 때문에 초지 공정으로부터 멀리 떨어질수록 그 효과가 상승될것으로 기대하였기 때문이다. 대상 공정의 경우 펄퍼에서 DDR까지의 지료 체류시간이 약 2시간이 된다고 보고 실험실적 효소 반응시간을 2시간으로 고정하였다.
로진 사이 징을 위하여 알람과 검화 로진을 첨가하였으며, 보류개선을 위해서 양이온성 PAM을 사용하였다. 지력증강제로는 두 종류의 PAM을 사용하였다.
리파이너로 유입되는 현장지료를 Helico 펄퍼를 이용하여 농도 3.5%, 온도 45°C의 조건에서 10분 동안교 반하여 해리하였다. 해리된 지료에 전건 섬유 대비 0.
리파이닝이 되지 않은 현장지료를 샘플링한 후 실험실용 Valley 비터를 이용하여 현장에서 사용되고 있는 직경 26 인치와 34 인치인 두 대의 리파이너로 고해된지료의 고해도에 도달하도록 지료를 5분 해리 한 후각각 10분과 15분 고해하였다. 고해된 지료는 현장에서와 같이 두 지료를 7:3의 비율로 혼합하고 여기에 약품을 투입하였다.
수초한 종이는 TAPPI 표준시험법에 의거하여 조습처리한 다음 인장강도, 링크러쉬 압축강도, 내부결합강도를 평가하였다.
알람 첨가량 변화에 따른 지료화학적 변화와 종이 물성 변화를 평가하기 위하여 알람을 전건섬유 대비 각각 1%, 2%, 3% 첨가한 후 pH, 양이온 요구량, 섬유의 제타 전위, 전기전도도를 측정하였으며 평량 100 g/m2의 종이를 수초지하고 이를 TAPPI 표준시험법에 의거하여 조습처리한 다음 인장강도, 링크러쉬 압축강도, 내부결합강도를 평가하였다.
2 에 도시한 바와 같다. 약품투입에 따른 습부 화학적 분석을 위하여 채취된 지료의 pH, 양이온 요구량, 섬유의 제타전위, 전기전도도를 측정하였다.
효소 투입 후 2시간의 처리가 완료된 지료는 95°C에서 10분간 처리하여 효소를 변성시 킴으로써 이후 단계에서 더 이상의 효소에 의한 변화가 진행되지 않도록 하였다. 이 후 실험실용 Valley 비터를 이용하여 5분 동안 해리 후 현장의 여수 도를 고려하여 45°C에서 5, 10, 15분 동안 고해를 실시하였다.
효소로 전처리하는 방법을 검토하였다. 이를 위해 효소 처리에 따른 지료의 고해도 및 수초지의 인장강도, 압축강도, 내부결합강도의 변화를 평가하여 고해 동력 절감의 가능성을 평가하였다. 또 실제 공정에서 적용되고 있는 지 력증강제의 활용 방안을 분석하고 그 개선안을 도출함으로써 고해공정의 효율을 개선하고자하였다.
지 력증강제의 활용을 통한 종이 물성의 향상을 극대화하기 위해 지료에 대한 제지화학적 분석을 실시하였다. 그 결과 현장지료의 pH, 양이온 요구량, 섬유 제타 전위, 전기전도도가 공정의 알람 투입에 의해 지배되고 있으며, 기존의 공정 조건이 과량의 알람을 투입하고 있어 지력증강제에 의한 강도 향상 효과가 적게 나타나고 있다고 판단되었다.
2와 같이 로진, 알람, 보류제를 DDJ에서 600 rpm으로 교반 하면서 일정한 시간 간격으로 지료에 투입하였다. 지력증강제의 투입은 팬펌프 입구에서 이루어지며 이곳에서는 교반이 더욱 강력하므로 이를 고려하여 DDJ의 교반 속도를 1000 rpm으로 상승시킨 다음 지력 증강제를 투입하였다. 이 때 투입되는 각 약품의 양은 현장과 같은 수준으로 조정하였다.
5%, 온도 45°C의 조건에서 10분 동안교 반하여 해리하였다. 해리된 지료에 전건 섬유 대비 0.025~0.1%의 효소를 투입하고 4S0의 온도 조건에서 2시간 동안 Helico 펄퍼에서 교반하여 반응을 진행시켰다. 효소 투입 시에는 효소 원액을 증류수로1/100로 희석하여 투입하였다.
고해된 지료는 현장에서와 같이 두 지료를 7:3의 비율로 혼합하고 여기에 약품을 투입하였다. 현장의 약품 투입 순서와 시간 간격을 실험실적으로 모사하기 위하여 Fig. 2와 같이 로진, 알람, 보류제를 DDJ에서 600 rpm으로 교반 하면서 일정한 시간 간격으로 지료에 투입하였다. 지력증강제의 투입은 팬펌프 입구에서 이루어지며 이곳에서는 교반이 더욱 강력하므로 이를 고려하여 DDJ의 교반 속도를 1000 rpm으로 상승시킨 다음 지력 증강제를 투입하였다.
효소 전처리가 고해 효과 향상과 고해동력 절감에 어느 정도의 효과를 가지는지 평가하기 위해서 현장에서 채취된 지료에 효소를 투입하여 섬유물성의 변화를 평가하였다. 실제 공정에 효소를 적용할 경우 가장 적합한 처리 위치는 펄퍼로 가정하였다.
효소 첨가량에 따른 여수도 평가 결과 효과가 가장 우수한 효소 첨가량인 0.025%와 0.05%의 경우에 대해 더욱 자세히 연구하기 위해 5~15분 고해한 지료의여수도를 고해시간 별로 평가하고 Fig. 4에 도시하였다. 여기에 나타낸 바와 같이 동일한 고해 조건에서 효소의 첨가량이 0.
효소처리와 고해 처리된 지료를 사각수초지기를 이용하여 평량 100 g/m2의 종이를 수초지하였으며 유압 프레스로 압착을 한 후 130P의 실린더 드라이어에서 건조하였다. 수초한 종이는 TAPPI 표준시험법에 의거하여 조습처리한 다음 인장강도, 링크러쉬 압축강도, 내부결합강도를 평가하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 산업용지를 생산하는 한 제지공장에서 사용되고 있는 AOCC 지료를 공시펄프로 사용하였다. 효소는 Genencor사에서 제조한 Multifect A40 을 사용하였다.
지력증강제로는 두 종류의 PAM을 사용하였다. 지력 증강제로 사용된 두 종류의 PAM 가운데 양쪽 이온성 PAM과 음이온성 PAM을 액상 대비 2:1로 혼합하여 사용하였다. 25°C에서 0.
지력증강제로는 두 종류의 PAM을 사용하였다. 지력 증강제로 사용된 두 종류의 PAM 가운데 양쪽 이온성 PAM과 음이온성 PAM을 액상 대비 2:1로 혼합하여 사용하였다.
디스트리뷰터 체스트에서는 보류제가 팬펌프 입구에서는 지력증강제가 투입되고 있었다. 화학 첨가제의투입에 의해 발생하는 지료의 변화를 파악하기 위해서 약품 투입 전후의 현장지료를 채취하여 분석에 사용하였다. 지료의 채취가 행해진 여섯 곳의 위치는 Fig.
효소는 Genencor사에서 제조한 Multifect A40 을 사용하였다. 본 실험에 사용된 효소의 특성은 Table 1과 같다.

성능/효과

그 결과 현장지료의 pH, 양이온 요구량, 섬유 제타 전위, 전기전도도가 공정의 알람 투입에 의해 지배되고 있으며, 기존의 공정 조건이 과량의 알람을 투입하고 있어 지력증강제에 의한 강도 향상 효과가 적게 나타나고 있다고 판단되었다.
내부결합강도 역시 2%의 알람이 첨가될 때까지 증가하다가 그 이상의 첨가 시에는 효과가 없는 것으로 나타났다. 링크러쉬 압축강도는 1%의 알람을 첨가한 경우에 가장 큰 효과를 보였다. 이러한 결과는 알람 투입량을 현재의 3%에서 2% 수준으로 감소시키면 물성 개선이 가능하며 , 알람 사용량 감소에 따른 원가 절감 가능성도 있음을 보여준다.
머신 체스트 이전의 양이온 요구량이 높은 것은 고농도 펄퍼에서 유래 되는 음이온성 물질 때문이다. 믹싱 체스트에서의 교반과 머신 체스트의 체류시간 동안 알람에 의해 양이온 요구량이 현저하게 감소하였으나 디스트리뷰션 체스트와 헤드박스 지료는 백수에 의해 희석되어 양이온 요구량이 다시 증가하는 경향을 보였다. 헤드박스 직후의 양이온 요구량 증가는 음이온성 지력증강제에 의한 것으로 판단되었다.
음이온성 지력증강제의효율 향상을 위해서는 알람을 사용하여 섬유의 제타 전위를 양전하 상태로 유지하는 것은 효과적이지만9") 과량 첨가의 경우 섬유의 강한 양전하에 의해서 양이온성 보류향상제와 지력증강제의 역가가 감소하게 되면 투입량에 대비하여 충분한 물성향상을 기대할 수 없을 것으로 추측되었다. 본 공정에서는 알람 흡착 이후의 제타전위가 12 mV 이상의 높은 양전하 상태이므로 알람의 첨가량을 감소시켜 고분자의 흡착을 조절해야 할 것으로 판단되었다.
상업용 셀룰라제와 헤미셀룰라제 효소를 이용하여 펄프 섬유를 전처리한 경우에 동일한 고해 조건에서 고해 도가 상승하여 고해동력을 절감시킬 수 있음이 확인되었다. 이러한 효소처리를 통하여 종이의 인장강도, 압축강도, 내부결합강도가 향상되었다.
11은 약품투입에 따른 양이온 요구량과 제타 전위의 결과를 나타낸 것이다. 알람 투입 전인 DDR 이전, 로진과 알람 투입 직후의 양이온 요구량은 300 n eq/L 이상을 보였으며, 알람이 첨가된 후에는 양이온 요구량이 급속히 감소하였다. 머신 체스트 이전의 양이온 요구량이 높은 것은 고농도 펄퍼에서 유래 되는 음이온성 물질 때문이다.
알람첨가량 변화에 따른 지료 화학적 분석 결과 알람 첨가량이 증가할수록 지력증강제의 전하밀도와 점도가 감소되어 지력증강제로서 효력이 저하됨을 확인하였다. 따라서 지력증강제의 효율적 활용을 위해서는 현재 적용되고 있는 알람의 투입량을 감소시키는 것이 필요하다고 판단되었다.
공정 전반의 pH는 알람 투입에 의해서 산성으로 유지되었다. 약품첨가가이 루어 지 지 않은 DDR 전의 전기전도도는 2.3 mS/cm 였으며 로진과 알람이 첨가된 믹싱 체스트에서의 전기전도도는 급속히 증가하였으며, 헤드박스에서는 다시 감소하는 경향을 보였다. 이 때의 전기전도도 감소는 백수의 유입과 지력증강제 희석에 사용된청수의 유입 등에 의한 것으로 판단된다.
70 meq/g 으로 음전하를 나타내었지만 알람 첨가에 의한 pH 감소에 따라 전하밀도가 상승하였다. 양쪽성 고분자의 전하밀도 증가폭이 음이온성지력증강제 보다 크게 나타났으며 양쪽이온성의 경우 pH 5에서 양의 전하밀도를 나타내어 알람에 의한 pH 변화에 매우 민감하게 반응하였다. 음이온성과 양쪽 이온성을 혼합한 경우 역시 pH 4.
변화를 나타내었다. 여기에서 보는 것과 같이 알람의 첨가량이 2%까지 증가함에 따라 인장강도가 향상되었으나 3% 첨가 후에는 감소하였다. 내부결합강도 역시 2%의 알람이 첨가될 때까지 증가하다가 그 이상의 첨가 시에는 효과가 없는 것으로 나타났다.
12는 알람을 사용하여 pH를 변화시켰을 경우 음이온성, 양쪽이온성 및 두 종류 지력증강제를 2:1로 혼합한 지 력증강제의 전하밀도 변화를 나타낸 것이다. 여기에서 보는 것과 같이 중성 상태에서는 음이온성, 양쪽이온성 지력증강제의 전하밀도는 각각 -1.50 meq/g, -1.70 meq/g 으로 음전하를 나타내었지만 알람 첨가에 의한 pH 감소에 따라 전하밀도가 상승하였다. 양쪽성 고분자의 전하밀도 증가폭이 음이온성지력증강제 보다 크게 나타났으며 양쪽이온성의 경우 pH 5에서 양의 전하밀도를 나타내어 알람에 의한 pH 변화에 매우 민감하게 반응하였다.
링크러쉬 압축강도는 1%의 알람을 첨가한 경우에 가장 큰 효과를 보였다. 이러한 결과는 알람 투입량을 현재의 3%에서 2% 수준으로 감소시키면 물성 개선이 가능하며 , 알람 사용량 감소에 따른 원가 절감 가능성도 있음을 보여준다.
상업용 셀룰라제와 헤미셀룰라제 효소를 이용하여 펄프 섬유를 전처리한 경우에 동일한 고해 조건에서 고해 도가 상승하여 고해동력을 절감시킬 수 있음이 확인되었다. 이러한 효소처리를 통하여 종이의 인장강도, 압축강도, 내부결합강도가 향상되었다.
075% 이상으로 증가시키면 효소 처리 후의 여수도가 다시 상승하였다. 즉, 첨가량이 0.05% 이하인 경우에는 효소에 의한 고해촉진 효과가 나타났으나 효소 첨가량이 0.075% 이상의 경우에는 효소에 의해 여수도가 증가하여 에너지 절감효과 보다 탈수도 향상 측면이 강한 것으로 평가되었다. 이러한 결과는 본 연구에서 사용된 효소를 0.
3은 전처리 효소의 최적 첨가량을 평가하기 위해서 진행된 실험결과이다. 효소반응이 이루어진 지료를 실험실의 Valley 비터를 사용하여 5분간 고해를 실시한 후 여수도를 평가한 결과 효소의 첨가량이 0.025%와 0.05%인 경우 여수도가 계속 감소하였지만, 효소 첨가량을 0.075% 이상으로 증가시키면 효소 처리 후의 여수도가 다시 상승하였다. 즉, 첨가량이 0.

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