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문제 정의
- 다양한 비목질계 자원 중에서 맥주산업에서 발생하는 맥주박에 주목하였고 맥주박을 이용하여 분말상 첨가제를 제조하는 연구를 수행하였다. 맥주박은 맥주나 엿기름 즙을 제조하는 과정에서 발생하는 맥아보리 또는 다른 곡류와 혼합되는 추출잔류물로 정의된다.
- 본 연구에서는 맥주 생산업체에서 공급받은 맥주박을 이용하여 화학조성을 측정하고 문헌조사를 통해 주요 비목질계 바이오매스의 화학조성과 비교함으로써 제지용 첨가제로 적용성에 대해 평가를 실시하였다. 이후 두 종류의 분쇄기를 이용하여 맥주박 분말을 제조하여 분말상 입자의 물리적 특성을 분석·비교함으로써 제지용으로 가장 적합한 맥주박 분말을 제조하기 위한 조건에 대해 조사를 진행하였다.
- 11에서 볼 수 있는데 평균 섬유폭과 섬유장에 따른 섬유폭은 블렌더와 동일한 경향을 보였으나 전체적으로 핀크로셔로 제조된 맥주박 분말의 섬유폭이 블렌더에 비해 더 높게 나타났다. 본 연구에서는 형상지수의 분포를 통해 입자 형태의 균일성을 파악하고자 하였다. Figs.
제안 방법
- 맥주박 시료 2 g에 증류수를 부어 20 ml의 슬러리를 제조한 후 항온수조에서 50±2℃, 75±2℃의 조건에서 3시간 동안 진행하였다. 각 추출이 진행된 후 2G3의 glass filter를 이용하여 여과를 하였는데 최초 여과된 상등액은 항온에서 보관하여 추출물질의 정전기적 특성인 양이온 요구량(cationic demand)을 측정하였다. 상등액을 채취한 후 증류수 200 ml를 부어 세척을 실시하고 105±3℃ 조건에서 전건 시킨 후 무게를 측정하여 추출물질의 함량을 평가하였다.
- 맥주박 분말의 물리적 특성을 분석하기 위해 섬유분석기(fiber tester, Lorentzen& Wettre, Sweden)을 이용하여 섬유장(fiber length), 섬유폭(fiber width), 형상지수(shape factor)을 측정하였다. 그리고 맥주박 분말 입자의 형태를 파악하기 위해 주사전자현미경(JSM-5600LV, JEOL, Japan)을 이용하여 전체적인 입자 형태를 파악하기 위해 50배 확대하였고 상세 입자형태를 분석하기 위해 200배 확대하여 이미지를 촬영하였다.
- 맥주박 분말의 물리적 특성을 분석하기 위해 섬유분석기(fiber tester, Lorentzen& Wettre, Sweden)을 이용하여 섬유장(fiber length), 섬유폭(fiber width), 형상지수(shape factor)을 측정하였다.
- 맥주박 시료 2 g에 증류수를 부어 20 ml의 슬러리를 제조한 후 항온수조에서 50±2℃, 75±2℃의 조건에서 3시간 동안 진행하였다.
- 1 mg까지 무게를 측정하였다. 맥주박의 화학조성을 상대비교하기 위해 비목질계 바이오매스의 화학조성과 관련하여 문헌조사를 실시하였다.
- 다양한 형태와 크기를 가지는 분말상 첨가제를 제조하기 위해 실험실용 분쇄기인 블렌더(Wonder Blender, WB-01, Sanplatec, Japan)와 핀크로셔(Pin-Crusher, Daehwa, Korea)를 사용하여 거창공장에서 수집한 맥주박을 분쇄하였다. 분쇄된 시료들을 60, 100, 200, 400 mesh 표준체가 설치되어 있는 vibratory sieve shaker (J-VSS, Jisico, Korea)를 이용하여 분급을 실시하였고각 분말의 무게를 측정하여 수율을 평가하였다(Fig 1). 분급된 시료의 명칭은 Table 1에 자세히 명시하였다.
- 블렌더와 핀크로셔로 제조된 맥주박 분말을 표준체 60, 100, 200, 400 mesh를 이용하여 각 표준체의 수율을 측정하였고 결과를 Figs. 2∼3에 도시하였다.
- 상등액을 채취한 후 증류수 200 ml를 부어 세척을 실시하고 105±3℃ 조건에서 전건 시킨 후 무게를 측정하여 추출물질의 함량을 평가하였다.
- 이후 두 종류의 분쇄기를 이용하여 맥주박 분말을 제조하여 분말상 입자의 물리적 특성을 분석·비교함으로써 제지용으로 가장 적합한 맥주박 분말을 제조하기 위한 조건에 대해 조사를 진행하였다.
- 제지용 분말상 첨가제를 제조하기 위해 신규 유기물질로 맥주박을 발굴하였고 맥주박의 화학적 특성을 측정하여 제지용 원료로서의 적용가능성을 평가하였고 두 종류의분쇄기를 이용하여 맥주박 분말을 제조하여 물리적 특성을 측정하여 제지용 분말상 첨가제로서 우수한 분쇄방식을 선정하고자 하였다.
- 추출물 분석은 에탄올(95%)·벤젠 혼합액(1:2, v/v)으로 용매가 약하게 비등하여 약 10분간에 1회 비율로서 사이펀관을 통과하여 환류하는 정도로 6시간 가열하여 추출하였다.
- 홀로 셀룰로오스(holocellulose)는 추출물이 추출되어 탈지된 시료로 아염소산염법(Wise법)으로 분석하였다. 홀로 셀룰로오스 식을 산출하여 리그닌 및 회분을 보정하였다. 또한 17.
- 회분은 TAPPI T 211 om-93에 의거하여 시편이 들어있는 도가니를 525±25℃ 연소로에서 6시간 탄화시키고 0.1 mg까지 무게를 측정하였다.
대상 데이터
- 다양한 형태와 크기를 가지는 분말상 첨가제를 제조하기 위해 실험실용 분쇄기인 블렌더(Wonder Blender, WB-01, Sanplatec, Japan)와 핀크로셔(Pin-Crusher, Daehwa, Korea)를 사용하여 거창공장에서 수집한 맥주박을 분쇄하였다. 분쇄된 시료들을 60, 100, 200, 400 mesh 표준체가 설치되어 있는 vibratory sieve shaker (J-VSS, Jisico, Korea)를 이용하여 분급을 실시하였고각 분말의 무게를 측정하여 수율을 평가하였다(Fig 1).
- 본 연구에서 사용한 맥주박은 맥주 생산업체인 H사 청원공장과 거창공장에서 공급받았다. 맥주박의 화학 조성을 분석하기 위해 에탄올, 벤젠, 가성소다를 사용하였다. 화학조성과 추출물의 분석시료는 40 mesh 표준체를 통과하고 60 mesh 표준체를 통과하지 못하는 분말을 선택하여 사용하였고 맥주박 분말을 제조하기 위해 맥주박을 105±3℃ 조건에서 3-4일 동안 전건 시킨 후 사용하였다.
- 본 연구에서 사용한 맥주박은 맥주 생산업체인 H사 청원공장과 거창공장에서 공급받았다. 맥주박의 화학 조성을 분석하기 위해 에탄올, 벤젠, 가성소다를 사용하였다.
- 화학조성과 추출물의 분석시료는 40 mesh 표준체를 통과하고 60 mesh 표준체를 통과하지 못하는 분말을 선택하여 사용하였고 맥주박 분말을 제조하기 위해 맥주박을 105±3℃ 조건에서 3-4일 동안 전건 시킨 후 사용하였다.
이론/모형
- 맥주박의 화학조성은 KS M 7035에 의거하여 분석하였다. 추출물 분석은 에탄올(95%)·벤젠 혼합액(1:2, v/v)으로 용매가 약하게 비등하여 약 10분간에 1회 비율로서 사이펀관을 통과하여 환류하는 정도로 6시간 가열하여 추출하였다.
- 열수 추출법은 TAPPI T 207 cm-99에 의거하여 진행하였다. 맥주박 시료 2 g에 증류수를 부어 20 ml의 슬러리를 제조한 후 항온수조에서 50±2℃, 75±2℃의 조건에서 3시간 동안 진행하였다.
- 추출물 분석은 에탄올(95%)·벤젠 혼합액(1:2, v/v)으로 용매가 약하게 비등하여 약 10분간에 1회 비율로서 사이펀관을 통과하여 환류하는 정도로 6시간 가열하여 추출하였다. 홀로 셀룰로오스(holocellulose)는 추출물이 추출되어 탈지된 시료로 아염소산염법(Wise법)으로 분석하였다. 홀로 셀룰로오스 식을 산출하여 리그닌 및 회분을 보정하였다.
성능/효과
- 특히 섬유상 물질 함량을 나타내는 홀로 셀룰로오스 함량은 두 종류의 맥주박이 거의 동일한 값을 나타내었다. 다양한 종류의 비목질계 바이오매스와 비교해보면 맥주박이 섬유질이 다소 낮았고 리그닌 함량이 상대적으로 높은 수치를 나타내었다. 리그닌 함량이 높으면 섬유간의 결합을 방해하기 때문에 종이의 강도를 저하할 수 있지만16) 셀룰로오스와 비교했을 때 상대적으로 소수성을 띠고 있기 때문에17) 탈수나 건조에는 유리하다고 판단된다.
- 회분함량은 몇몇 비목질계 바이오매스에 비해서는 높은 결과를 나타냈으나 갈대나 볏짚보다는 낮은 함량을 나타냈다. 또한 열수 추출과 추출물의 양이온 요구량을 측정한 결과 맥주박이 공정에 유입됨에 따라 추출량 상승에 따른 용수의 수질악화나 용수의 양이온 요구량에 악영향을 주지 않을 것으로 판단된다.
- 맥주박은 다른 비목질계 바이오매스에 비해 낮은 섬유질 함량과 높은 리그닌 함량을 나타내었다. 회분함량은 몇몇 비목질계 바이오매스에 비해서는 높은 결과를 나타냈으나 갈대나 볏짚보다는 낮은 함량을 나타냈다.
- 8∼9에 도시하였다. 블렌더로 제조된 맥주박 분말의 평균 섬유폭은 BG all, BG 60 on이 유사한 값을 보였고 BG 60-100, BG 100-200이 가장 큰 섬유폭을 나타내었으나 최소 섬유폭과 최대 섬유폭의 차이가 5㎛정도로 큰 차이는 보이지 않았다. 블렌더 섬유장에 따른 BG all의 섬유폭을 Fig.
- 블렌더와 핀크로셔로 제조된 맥주박 분말의 물리적 특성을 비교하면 섬유장은 블렌더가 핀크로셔보다 길고 섬유폭과 형상지수 분포는 핀크로셔가 블렌더에 비해 더 크고 넓게 나타났다. SEM 이미지를 통해 관찰한 입자 형태는 분쇄기 종류에 관계없이 유사한 경향을 나타내었다.
- 두 종류의 분쇄기로 분쇄된 맥주박은 60 mesh보다 큰 분말이 약 30% 이상 존재하고 있는 것을 볼 수 있는데 이렇게 큰 입자들이 첨가제로 사용되면 판지 표면에 돌출되어 나오는 문제를 야기하기 때문에 어떠한 방식으로 분쇄를 하더라도 60 mesh보다 큰 입자들은 제거되어야 한다. 블렌더와 핀크로셔를 비교해 보면 핀크로셔로 제조된 분말에서 60과 100 mesh 사이의 입자비율이 약 2% 더 높으나 100 mesh 이하 입자 비율을 살펴보면 블렌더로 제조된 분말에서 100과 200 mesh 사이의 입자 비율이 11% 더 높은 결과를 보여주었다. 그러나 200 mesh 이하의 입자비율은 블렌더에 비해 핀크로셔에서 더 높게 나타났다.
- SEM 이미지를 통해 관찰한 입자 형태는 분쇄기 종류에 관계없이 유사한 경향을 나타내었다. 전체적으로 살펴보면 블렌더로 제조된 맥주박 분말은 입자 크기와 형태의 균일성이 핀크로셔에 비해 더 높게 나타났다. 균일성이 높을 경우 벌크상승 효과에 유리하고 생산공정에서 첨가제 제어가 편리하기 때문에 블렌더 타입의 분쇄기를 이용하여 분말상 첨가제를 제조하는 것이 다소 유리할 것으로 사료된다.
- 4∼5에 도시하였다. 평균 섬유장을 비교해 보면 두 종류의 분쇄기로 제조된 맥주박 분말 중 BG all, BG 60 on, BG 60-100에서 섬유장이 비교적 크고 BG 100-200, BG 200-400은 섬유장이 비교적 작은 경향을 나타내었으나 전체적으로 살펴보면 블렌더로 제조된 맥주박의 섬유장이 더 높게 나타났다. 두 분쇄기로 제조된 맥주박 분말(BG all)의 섬유장 분포를 Figs.
- 5 mm의 섬유장 분포의 섬유폭이 약 21 ㎛를 나타냈기 때문에 이 수준의 입자들에 의해 평균 섬유폭이 결정된 것으로 판단된다. 핀크로셔로 제조된 맥주박 분말의 평균 섬유폭과 섬유장에 따른 섬유폭의 분포도 Fig. 9와 Fig. 11에서 볼 수 있는데 평균 섬유폭과 섬유장에 따른 섬유폭은 블렌더와 동일한 경향을 보였으나 전체적으로 핀크로셔로 제조된 맥주박 분말의 섬유폭이 블렌더에 비해 더 높게 나타났다. 본 연구에서는 형상지수의 분포를 통해 입자 형태의 균일성을 파악하고자 하였다.
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