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문제 정의
- 예를 들면 목재펠릿 시장이 안정적으로 발전한 유럽에서 농업부산물을 이용하여 제조하는 아그로펠릿(agropellet)에 대한 관심이 최근 커져가고 있으며, 덴마크, 프랑스, 독일 등 13개국에서 총 183,700 톤의 아그로펠릿을 생산하고 있다(Wach and Bastian, 2009). 국내에서 이러한 목적에 부합되는 여러 작물이 있으나, 본 연구에서는 국내에서 바이오디젤 생산용 원료로 적합한 것으로 밝혀지며 재배면적이 크게 늘어난 유채를 사용하는 방안을 조사하였다.
- 그러므로 본 연구는 Fig. 1에서 보는 바와 같이 유채의 효율적 이용이라는 측면에서 바이오에탄올 등의 원료인 당을 회수하기 위하여 묽은 산 용액에 의한 유채대의 가수분해를 실시하였고, 산의 종류 및 농도 그리고 침지시간이 유리당의 종류 및 양에 미치는 영향을 분석하였다. 다음으로 유채대의 가수분해 잔사를 이용하여 펠릿을 제조하였으며, 이렇게 제조된 펠릿의 품질에 산의 종류 및 농도, 침지시간이 미치는 영향을 조사하였다.
- 그러나 유채에서 현재까지 이용 및 연구 되고 있는 부분은 주로 유채 종실에 국한되어 있으며, 부산물인 줄기와 잎은 토양 개량, 사료 및 열원용으로 일부 사용되고 있는 상황이며, 대부분은 미이용되고 있다. 따라서 본 연구는 유채로부터 유채유 및 바이오디젤을 생산하는 과정에서 발생하는 농업부산물인 유채대를 아그로펠릿의 원료로 사용하는 방안을 모색하고자 수행하였다.
- 본 연구는 유채의 바이오리파이너리 원료화 가능성을 확인하기 위하여 유채대를 DW, AA, OA, SA 및 SH 용액에 침지하였다. 먼저 침지 유채대의 원소를 분석한 결과, 침지를 통하여 질소, 황, 염소의 함량이 효과적으로 감소되는 것을 확인하였다.
제안 방법
- 각 침지 조건별로 보관된 vial에서 1 mL를 취하여 0.45 μm membrane filter로 여과한 후, High Performance Liquid Chromatograph (HPLC; HP1100, Hewlett Packard, Palo Alto, CA, USA)을 사용하여 유리당을 분석하였다.
- 또한 회분량에서 EN 규격의 A등급 기준(≦ 5%)을 만족시키지 못하여 SH- 및 SA-침지 유채대의 펠릿 원료로써 사용은 문제가 있다는 결론을 내렸다. 그러나 유채대의 바이오리파이너리 공정 적용을 위한 원료화 가능성을 평가하기 위하여 유채대의 SH및 SA-침지액에 존재하는 유리당의 분석을 수행하였다.
- 침지를 통하여 유채대로부터 추출되는 유리당의 분석을 위하여 냉수 및 1%와 2% 초산, 수산, 황산, 수산화나트륨 용액을 각각 조제하였다. 다음으로 미세한 그물망에 넣은 유채대 100 g을 각각의 조제된 용액 750 mL에 담가서 상온에서 24, 72, 120시간 동안 침지를 실시하였다. 침지 후 얻은 침지액을 filter paper (No.
- 1에서 보는 바와 같이 유채의 효율적 이용이라는 측면에서 바이오에탄올 등의 원료인 당을 회수하기 위하여 묽은 산 용액에 의한 유채대의 가수분해를 실시하였고, 산의 종류 및 농도 그리고 침지시간이 유리당의 종류 및 양에 미치는 영향을 분석하였다. 다음으로 유채대의 가수분해 잔사를 이용하여 펠릿을 제조하였으며, 이렇게 제조된 펠릿의 품질에 산의 종류 및 농도, 침지시간이 미치는 영향을 조사하였다.
- , 2011a). 다음으로 황 및 염소의 함량은 시료를 65% 농도의 질산용액(HNO3)으로 처리한 후, 증류수로 희석한 용액을 조사된 각 원소의 검출 파장에 따라 Inductively coupled plasma (ICP) emission spectrometer (Perkin-Elmer Optima 4300 DV)를 이용하여 얻었다(국립산림과학원, 2013).
- 침지시간의 영향을 보면, 72 hr-침지에서 가장 많은 양의 glucose가 검출되었으며, 120 hr까지의 침지시간 연장은 유리되는 glucose 양에 부정적인 영향을 미쳤다. 다음으로, DW, AA, OA 용액에 침지시킨 유채대를 이용하여 펠릿을 제조하였는데, 이 때 산의 농도 그리고 침지시간(24, 72, 120 hr)을 실험 인자로 사용하였으며, 이렇게 제조된 펠릿의 함수율, 겉보기밀도, 회분량, 발열량, 내구성을 측정하였다. 침지 유채대 펠릿의 겉보기 밀도와 발열량은 무침지 유채대 펠릿과 비교하여 크게 높았으며, 실험 인자와 상관없이 EN 규격의 A등급 기준(≧600 ㎏/㎥, ≧14.
- 5 ㎜)을 사용하여 1 mL/min의 유속으로 분석을 실시하였고, 각 피크 검출에는 Refractive Index detector (HP1100, Hewlett Packard, Palo Alto, CA, USA)를 사용하였다. 당류 정량을 위한 표준물질로서 표준 sucrose, glucose, xylose, arabinose를 이용하여 검량선을 작성하고, 이를 기준으로 유리당의 양을 계산하였다.
- 이 혼합 가스들을 gas chromatography column에 통과시키면서 각각을 분리한 후, 열전도검출기(Thermal Conductivity Detector)에 의하여 전기신호로 정량적으로 변환하였다. 마지막으로 표준시료를 이용하여 검량 곡선을 작성한 후, 각 시료별 질소, 탄소, 수소의 함유량을 측정 하였다(Yang et al., 2011a). 다음으로 황 및 염소의 함량은 시료를 65% 농도의 질산용액(HNO3)으로 처리한 후, 증류수로 희석한 용액을 조사된 각 원소의 검출 파장에 따라 Inductively coupled plasma (ICP) emission spectrometer (Perkin-Elmer Optima 4300 DV)를 이용하여 얻었다(국립산림과학원, 2013).
- 실험 방법을 종합하면, 유채대 침지에 사용된 침지액의 종류(냉수, 초산, 수산) 및 농도(0%, 1%, 2%), 침지시간(24, 72, 120시간)을 달리하여 펠릿을 제조하고, 각 인자들이 펠릿의 품질에 미치는 영향에 대하여 통계학적으로 분석을 실시하였다(3 × 3 × 3 다원변량분석).
- 실험 방법을 종합하면, 유채대 침지에 사용된 침지액의 종류(냉수, 초산, 수산) 및 농도(0%, 1%, 2%), 침지시간(24, 72, 120시간)을 달리하여 펠릿을 제조하고, 각 인자들이 펠릿의 품질에 미치는 영향에 대하여 통계학적으로 분석을 실시하였다(3 × 3 × 3 다원변량분석). 유리당의 경우, 상기와 동일한 침지 조건 외에 황산 및 수산화나트륨 용액을 추가하여 통계분석을 실시하였다. 이렇게 각 조건에서 제조된 펠릿의 품질과 유리당 검출량에 대한 각 인자들의 영향은 분산분석을 통하여 SAS (Statistical Analysis System) 프로그램에 의해 95%의 신뢰범위에서 통계학적 분석을 수행하였다.
- 유채대 잔사를 이용하여 펠릿을 제조하였는데, 펠릿 제조에 사용된 유채대의 무게 차이에 따른 펠릿 품질의 오차를 최소화 하기 위하여 1 g의 유채대를 펠릿 제조에 사용하였다. 펠릿은 피스톤 타입의 펠릿 성형기로 제조하였으며, 성형기 주입구에 유채대를 넣고 150 MPa의 압력과 180℃의 온도에서 3분의 성형시간으로 제조하였다.
- 먼저 침지 유채대의 원소를 분석한 결과, 침지를 통하여 질소, 황, 염소의 함량이 효과적으로 감소되는 것을 확인하였다. 이 외에 침지액의 농도와 침지시간을 실험인자로 침지액 내에 존재하는 glucose, xylose, arabinose와 같은 유리당의 양을 조사하였는데, DW- 및 SH-침지액에서는 각각 xylose와 sucrose만 그리고 SA- 및 OA-침지액에서는 소량의 glucose만 검출되었다. 그러나 AA-침지액에서는 많은 양의 glucose와 소량의 arabinose까지 분석되었다.
- O)로 전환하였다. 이 혼합 가스들을 gas chromatography column에 통과시키면서 각각을 분리한 후, 열전도검출기(Thermal Conductivity Detector)에 의하여 전기신호로 정량적으로 변환하였다. 마지막으로 표준시료를 이용하여 검량 곡선을 작성한 후, 각 시료별 질소, 탄소, 수소의 함유량을 측정 하였다(Yang et al.
- 2%)보다 높아 펠릿의 원료로 사용하기에 부적합하였으며(ENCS, 2012), 따라서 유채대 내에 함유되어 있는 질소, 황, 염소의 양을 감소시킬 수 있는 방안에 대한 필요성이 제기되었다. 이를 위하여 유채대를 증류수(이하 DW), 초산(이하 AA) 및 수산(이하 OA) 용액에 일정시간 침지시켰으며, 침지 유채대의 질소, 황, 염소 함유량을 측정한 결과는 Table 1과 같다.
- 71%의 arabinose 가 존재하는 것으로 조사되었다. 이와 같이 유채대의 산침지액에서는 glucose가 공통적으로 검출되었으며, 따라서 산의 종류와 농도, 침지시간에 따라 유채대의 산침지액 내의 glucose 함량에 대하여 통계학적 분석을 실시하였다.
- 침지가 완료된 유채대 잔사를 실험실 후드에서 기건시킨 후, 80℃의 oven에서 일정 시간 건조를 실시하여 약 9~10%의 함수율로 조절하였다. 원하는 함수율로 건조된 유채대 잔사는 밀봉이 가능한 plastic bag에 넣어 펠릿을 제조하기 전까지 냉장고에 보관하였다.
- 침지를 통하여 유채대로부터 추출되는 유리당의 분석을 위하여 냉수 및 1%와 2% 초산, 수산, 황산, 수산화나트륨 용액을 각각 조제하였다. 다음으로 미세한 그물망에 넣은 유채대 100 g을 각각의 조제된 용액 750 mL에 담가서 상온에서 24, 72, 120시간 동안 침지를 실시하였다.
- 침지시킨 유채대의 원소 분석(Elementary Analysis)을 위하여 준비된 각 시료를 1,014℃의 온도에서 연소시켜 석영관의 구리층을 통과시키면서 조성 원소별로 분석에 용이한 기체분자(CO2, N2, H2O)로 전환하였다. 이 혼합 가스들을 gas chromatography column에 통과시키면서 각각을 분리한 후, 열전도검출기(Thermal Conductivity Detector)에 의하여 전기신호로 정량적으로 변환하였다.
- 한편, 유채대에 대한 대조구로 산림조합 중부목재유통센터(경기, 여주)에서 무상으로 공급받은 낙엽송 목분을 사용하였는데, 원소 분석에 앞서 이 목분을 가정용 믹서로 분쇄한 후 60 mesh 이상의 분말을 사용하여 분석을 실시하였다. 원소 분석의 결과는 3회 반복의 평균값으로 표시하였다.
대상 데이터
- 경상북도 경산시에서 수거한 유채대를 햇빛에 6~8시간 건조 시킨 후, 목재용 파쇄기(성창기계, 경기, 남양주)로 분쇄한 것을 유채대로부터 당의 추출 및 펠릿 제조를 위한 원료로 사용하였다.
- 이렇게 파쇄된 유채대로부터 유리당 추출을 위하여 냉수, 산 및 알칼리 용액에 침지시켰는데, 산용액 조제에 사용된 초산, 수산, 황산은 각각 동양제철화학(전북, 군산), 삼천화학(경기, 평택), 덕산화학(경기, 안산)에서 화학실험용을 구입하여 사용하였으며, 추출되는 유리당의 종류 및 양에 미치는 영향을 비교하기 위하여 사용된 알칼리용액은 덕산화학으로부터 구입한 화학실험용 수산화나트륨을 이용하여 조제하였다. 침지가 완료된 유채대 잔사는 12 ± 1%까지 기건시킨 후, 펠릿으로 제조하였다,
데이터처리
- 한편, 유채대에 대한 대조구로 산림조합 중부목재유통센터(경기, 여주)에서 무상으로 공급받은 낙엽송 목분을 사용하였는데, 원소 분석에 앞서 이 목분을 가정용 믹서로 분쇄한 후 60 mesh 이상의 분말을 사용하여 분석을 실시하였다. 원소 분석의 결과는 3회 반복의 평균값으로 표시하였다.
- 유리당의 경우, 상기와 동일한 침지 조건 외에 황산 및 수산화나트륨 용액을 추가하여 통계분석을 실시하였다. 이렇게 각 조건에서 제조된 펠릿의 품질과 유리당 검출량에 대한 각 인자들의 영향은 분산분석을 통하여 SAS (Statistical Analysis System) 프로그램에 의해 95%의 신뢰범위에서 통계학적 분석을 수행하였다. 통계학적으로 p<0.
- 통계학적으로 p<0.05 수준에서 영향을 받았을 경우, Fisher's LSD (least significant different: 최소유의차) 검정을 위한 다중비교 방법 중에 가장 많이 사용되는 Student t-test에 의해 각 평균값 간의 차이가 유의한지 추가적으로 분석하였다.
이론/모형
- 제조된 펠릿의 품질(함수율, 겉보기밀도, 발열량, 회분량)은 “목재펠릿 품질규격“에 기술된 방법에 따라 측정하였다(국립산림과학원, 2013).
성능/효과
- 5와 같다. AA-침지 유채대로 제조한 펠릿의 내구성이 가장 낮았으며(p=0.01), DW-와 OA-침지 유채대로 제조한 펠릿의 내구성 간에는 차이가 없었는데(p=0.42), 이는 AA-침지에 의하여 유채대 내의 섬유소와 바인더로써 역할을 하는 것으로 추정되는 헤미셀룰로오스(또는 리그닌)의 가수분해가 DW- 및 OA-침지와 비교하여 많이 발생함으로써 유채대 입자간 결합력이 약화되어 나타난 결과라 판단되며(Lee et al., 2013), 유채대의 유리당 분석 결과를 통하여 이 추론을 확인할 수 있었다(Table 2). 한편 OA-침지 유채대 펠릿의 내구성은 농도의 영향을 받지 않았으나(p=0.
- SA-, AA-, OA-침지액에서 검출된 glucose의 양은 각각 175, 663, 200 ppm으로, 통계학적으로 SA-와 OA-침지액 간에는 차이가 없었으며(p=0.07), AA 침지액에서는 SA- 및 OA-침지액과 비교하여 매우 많은 양의 glucose가 검출되었다(p=0.01). 다음으로 산의 종류와 상관없이 침지액의 농도별 유채대로부터 가수분해되어 나오는 glucose 양의 비교에서 1% 및 2% 농도에서 각각 369와 322 ppm으로, 1% 농도의 침지액에서 많은 양의 glucose가 존재하는 것으로 조사되었다(p=0.
- 09). 각 침지액별 침지시간에 따른 내구성을 비교한 결과, DW-(24 hr-72 hr: p=0.11; 72 hr-120 hr: p=0.07) 및 AA-침지 유채대 펠릿의 내구성(24 hr-72 hr: p=0.45; 72 hr-120 hr: p=0.23)은 침지시간에 영향을 받지 않았다(Fig. 9). 또한 OA-침지 유채대 펠릿의 내구성도 24 hr-와 72 hr-침지간에는 차이가 없었으나(p=0.
- 겉보기밀도에 대한 침지시간에 의한 영향을 보면(Fig. 6), 120 hr-침지 유채대로 제조한 펠릿의 겉보기밀도는 24 hr- 및 72 hr-침지 유채대로 제조한 펠릿의 겉보기밀도보다 높았는데(24 hr-72 hr: p=0.18; 24 hr-120 hr: p=0.03; 72 hr-120 hr: p=0.04), 이와 같은 결과는 120 hr-침지를 통하여 유채대 조직이 연화되었으며, 결과적으로 성형 과정에서 유채대가 충분히 압밀화됨으로서 발생한 결과라 판단된다. 한편 각 침지액별로 침지시간의 연장이 유채대 펠릿의 겉보기밀도에 미치는 영향은 통계학적으로 없었으며(Fig.
- 01). 다음으로 산의 종류와 상관없이 침지액의 농도별 유채대로부터 가수분해되어 나오는 glucose 양의 비교에서 1% 및 2% 농도에서 각각 369와 322 ppm으로, 1% 농도의 침지액에서 많은 양의 glucose가 존재하는 것으로 조사되었다(p=0.01). 한편, 각 침지액의 농도에 따라 유채대에서 분리되어 나오는 glucose 양을 조사한 결과는 Fig.
- 다음으로 유채대 펠릿의 회분량은 Fig. 5에서 보는 바와 같이 전체적으로 침지시간에 영향을 받지 않았으나(24 hr-72 hr: p=0.24; 24 hr-120 hr: p=0.08; 72 hr-120 hr: p=0.13), 각 침지액에서 침지시간과 회분량의 관계를 확인한 결과 침지액의 종류에 따라 영향을 받는 것으로 조사되었다(Fig. 7). 즉 DW-침지 유채대 펠릿은 침지시간을 24 hr에서 72 hr으로 연장시켰을 때 회분량이 감소하였으나(p=0.
- 원소 분석 결과를 종합하면 침지 유채대의 질소, 황, 염소 함량은 유럽 EN 규격의 아그로펠릿 A 등급 기준을 모두 만족하였다(ENCS, 2012). 따라서 유채대의 침지 처리가 효과적으로 유채대 내에 함유된 질소, 황, 염소의 함량을 감소시킴으로서 침지 유채대의 펠릿용 원료화 가능성을 확인할 수 있었다.
- 49). 또한 DW, AA-1%와 AA-2% 침지 유채대 펠릿의 회분량은 각각 2.23%, 2.28%와 2.19%로, 2%의 농도에서 회분량이 가장 적었는데(p=0.04), 이 결과들로부터 AA- 또는 DW-침지가 OA-침지보다 유채대의 회분을 효과적으로 줄일수 방안이며, 특히 AA를 침지액으로 사용할 경우 2% 이상의 농도에서 회분의 감소량이 증가할 것으로 예상된다. 한편 OA-1% 및 OA-2% 침지 유채대 펠릿의 회분량은 3.
- 5). 또한 DW-, AA- 및 OA-침지 유채대로 조제한 펠릿은 모든 실험 조건에서 EN 규격의 회분량 A등급 기준(≦ 5.0%)을 만족하는 결과를 토대로 유채대의 DW-, AA- 및 OA-침지를 통한 유채대의 아그로펠릿 원료화 가능성을 확인할 수 있었다.
- 01). 또한 각 침지액별로 유채대의 침지시간이 glucose 양에 영향을 미치는 것으로 나타났다(Fig. 3). 예를 들면, SA-침지액에서 침지시간의 연장은 검출되는 glucose 의 양에 영향을 미치지 않았다(24 hr-72 hr: p=0.
- , 2011a). 또한 유채대는 7.4%의 수분을 함유하고 있어 기건만으로도 함수율이 펠릿 제조를 위한 원료로서 사용이 적합한 수준까지 조절이 가능한 것으로 조사되었으며, 결과적으로 유채대를 펠릿의 원료로 이용할 경우 국내에서 펠릿 제조를 위하여 대부분 사용되고 있는 목재와 비교하여 건조를 위하여 사용되는 에너지 비용의 절감이 가능할 것으로 생각한다.
- 9%)과 비교하여 회분량을 크게 감소시켰으며, 특히 AA-와 DW-침지가 유채대의 회분량 감소에 효과적인 것으로 나타났다. 또한 침지 유채대의 회분량은 EN 규격의 A등급 기준(≦ 5.0%)을 만족하였다. 침지 유채대로 제조한 펠릿의 내구성은 전반적으로 무침지 유채대 펠릿(97.
- (2013)에 의하여 수행된 선행 연구 결과에 의하면, SH- 및 SA-침지 유채대 펠릿은 높은 겉보기밀도와 함께 회분량과 발열량은 어느 정도 향상되었으나, 내구성은 무침지 유채대 펠릿보다 크게 낮았다. 또한 회분량에서 EN 규격의 A등급 기준(≦ 5%)을 만족시키지 못하여 SH- 및 SA-침지 유채대의 펠릿 원료로써 사용은 문제가 있다는 결론을 내렸다. 그러나 유채대의 바이오리파이너리 공정 적용을 위한 원료화 가능성을 평가하기 위하여 유채대의 SH및 SA-침지액에 존재하는 유리당의 분석을 수행하였다.
- 5와 같다. 먼저 DW, AA, OA에 각각 침지시킨 유채대로 제조한 펠릿의 겉보기밀도 간에는 차이가 없는 것으로 조사되었다(DW-AA: p=0.06; DW-OA: p=0.06; AA-OA: p=0.35). 한편 AA 및 OA의 농도 증가도 겉보기밀도에 영향을 미치지 않았는데, 예를 들면 1% 및 2% AA 용액(이하 AA-1%, AA-2%)에 침지시킨 유채대로 제조한 펠릿의 겉보기밀도는 각각 649 ㎏/㎥ 및 650 ㎏/㎥으로 통계학적으로 차이가 없었으며(p=0.
- 유채대를 산용액에 침지시킨 후 침지액에서 검출되는 glucose의 양은 침지시간에 영향을 받는 것으로 조사되었다. 먼저 전체적으로 침지시간별 glucose 양은 24시간(이하 24 hr), 72시간(이하 72 hr), 120시간(이하 120 hr) 침지에서 각각 350, 413, 274 ppm의 glucose가 검출되었으며, 통계학적으로 72 hr의 침지에서 가장 많았다(p=0.01). 또한 각 침지액별로 유채대의 침지시간이 glucose 양에 영향을 미치는 것으로 나타났다(Fig.
- 본 연구는 유채의 바이오리파이너리 원료화 가능성을 확인하기 위하여 유채대를 DW, AA, OA, SA 및 SH 용액에 침지하였다. 먼저 침지 유채대의 원소를 분석한 결과, 침지를 통하여 질소, 황, 염소의 함량이 효과적으로 감소되는 것을 확인하였다. 이 외에 침지액의 농도와 침지시간을 실험인자로 침지액 내에 존재하는 glucose, xylose, arabinose와 같은 유리당의 양을 조사하였는데, DW- 및 SH-침지액에서는 각각 xylose와 sucrose만 그리고 SA- 및 OA-침지액에서는 소량의 glucose만 검출되었다.
- 5에 DW, AA, OA 용액에 침지시킨 유채대로 제조한 펠릿의 회분량 결과를 나타내었다. 먼저 침지액 종류의 영향을 보면, OA-침지 유채대 펠릿의 회분이 가장 많았으며(p=0.01), DW-와 AA-침지 유채대 펠릿의 회분량에는 차이가 없었다(p=0.49). 또한 DW, AA-1%와 AA-2% 침지 유채대 펠릿의 회분량은 각각 2.
- 무침지 및 침지 유채대 그리고 낙엽송 목분의 원소 분석 결과를 Table 1에 나타내었다. 무침지와 침지 유채대의 탄소 및 수소 함량은 국내에서 펠릿 제조용 원료로 주로 사용되고 있는 낙엽송 톱밥보다 낮았다. 한편, 유채대의 질소, 황, 염소의 함량은 낙엽송보다 매우 높았으며, 유럽의 EN 규격의 아그로펠릿 A등급 기준(질소: ≦ 1.
- 17). 반대로 OA-침지 유채대 펠릿은 24 hr-침지와 72 hr-침지시켜 제조한 펠릿의 회분량 간에는 차이가 없었으나(p=0.39) 120 hr-침지에서는 회분량이 감소하였다(p=0.01). 이 결과들을 종합하며, 침지액의 종류에 따라 유채대 내에 존재하는 회분의 탈리 메카니즘에 차이가 있는 것으로 추정되며, 결과적으로 각 침지액별로 적정한 침지 조건을 선택하는 것이 필요할 것으로 생각한다.
- 염소의 경우, 2%-AA 침지 유채대를 제외하고 침지액의 종류 및 침지시간에 영향을 받지 않았다. 원소 분석 결과를 종합하면 침지 유채대의 질소, 황, 염소 함량은 유럽 EN 규격의 아그로펠릿 A 등급 기준을 모두 만족하였다(ENCS, 2012). 따라서 유채대의 침지 처리가 효과적으로 유채대 내에 함유된 질소, 황, 염소의 함량을 감소시킴으로서 침지 유채대의 펠릿용 원료화 가능성을 확인할 수 있었다.
- 유채대를 산용액에 침지시킨 후 침지액에서 검출되는 glucose의 양은 침지시간에 영향을 받는 것으로 조사되었다. 먼저 전체적으로 침지시간별 glucose 양은 24시간(이하 24 hr), 72시간(이하 72 hr), 120시간(이하 120 hr) 침지에서 각각 350, 413, 274 ppm의 glucose가 검출되었으며, 통계학적으로 72 hr의 침지에서 가장 많았다(p=0.
- 1 MJ/㎏)을 각각 상회하였다. 유채대의 침지는 무침지 유채대의 회분량(8.9%)과 비교하여 회분량을 크게 감소시켰으며, 특히 AA-와 DW-침지가 유채대의 회분량 감소에 효과적인 것으로 나타났다. 또한 침지 유채대의 회분량은 EN 규격의 A등급 기준(≦ 5.
- 유채대의 침지처리에 의하여 유리되는 당의 종류와 함량은 침지액의 종류 및 농도 그리고 침지시간에 영향을 받았다(Table 2). 예를 들면, DW-침지액에서는 예상한대로 유리당으로 xylose만 검출되었으며, 침지시간에 따라 1.
- 즉 DW, OA-1%, OA-2% 침지 유채대 펠릿의 발열량은 각각 19.3, 19.1, 18.9 MJ/㎏으로 통계학적으로 감소하는 것으로 조사되었는데(DW & OA-1%: p=0.01; DW & OA-2%: p=0.01; OA-1% & OA-2%: p=0.01), 이는 수산 농도의 증가와 함께 침지처리한 유채대의 회분량이 증가함으로써 나타난 결과라 판단된다(Fig. 5).
- 5에서 보는 바와 같이, 침지시간도 유채대 펠릿의 발열량에 영향을 미쳤다. 즉, 24 hr-과 72 hr-침지 펠릿의 발열량간에는 차이가 없었으나(p=0.21), 120 hr-침지 펠릿의 발열량은 감소하였다(p=0.01). 또한 Fig.
- 2와 같다. 즉, SA-침지액에서 농도의 증가는 glucose 양에 영향을 미치지 않았으나(p=0.26), AA- 및 OA-침지액에서는 농도가 1%에서 2%로 증가함에 따라 glucose 양이 감소하는 것으로 나타났다(AA: p=0.01; OA: p=0.04). 이렇게 침지액 내의 산농도가 증가함에 따라 검출되는 glucose 양이 감소하는 이유는 침지액 내에서 분리된 glucose와 같은 단당이 산을 촉매로 재결합하여 발생한 것으로 추정된다(Fengel and Wegener, 1984).
- 유채대의 질소, 황, 염소 함량은 침지액과 상관없이 크게 감소하였다. 질소 함량은 DW 침지에서 가장 낮았으며, AA 및 OA의 침지 유채대의 경우 1% 농도에서 2% 농도보다 낮았다. 침지 시간의 영향은 2% 농도의 AA 및 OA 침지에서 시간의 연장과 함께 감소하였다.
- 0%)을 만족하였다. 침지 유채대로 제조한 펠릿의 내구성은 전반적으로 무침지 유채대 펠릿(97.40%)보다 낮았으며, 특히 OA-2%에 120 hr 침지시킨 유채대 펠릿을 제외하고 나머지 조건은 EN 규격의 B등급(≧96.00%) 기준에 만족하지 않는 것으로 조사되었다. 침지 유채대의 원소 및 유리당 분석 그리고 펠릿의 품질 시험 결과를 종합하면, 1% 농도의 AA 용액에 유채대를 72 hr동안 침지시키는 것이 유채대의 바이오에탄올 및 펠릿 원료화를 위한 최적조건이라는 결론을 얻었다.
- 00%) 기준에 만족하지 않는 것으로 조사되었다. 침지 유채대의 원소 및 유리당 분석 그리고 펠릿의 품질 시험 결과를 종합하면, 1% 농도의 AA 용액에 유채대를 72 hr동안 침지시키는 것이 유채대의 바이오에탄올 및 펠릿 원료화를 위한 최적조건이라는 결론을 얻었다. 따라서 이 조건에서 1 ㎏의 유채대를 침지시켰을 경우, 산술적으로 바이오에탄올 생산용 원료인 50 g의 glucose를 얻을 수 있으며, 나머지 950 g의 잔사는 아그로펠릿의 원료로 사용이 가능할 것으로 생각한다.
- 한편, 유채대 침지에 사용된 산용액의 종류와 농도(1%, 2%)에 따른 glucose 양을 분석한 결과, AA를 침지액의 조제를 위한 산으로 사용하고 AA의 농도를 1%로 조절하는 것이 유채대로부터 효과적으로 glucose를 가수분해할 수 있는 조건인 것으로 조사되었다. 침지시간의 영향을 보면, 72 hr-침지에서 가장 많은 양의 glucose가 검출되었으며, 120 hr까지의 침지시간 연장은 유리되는 glucose 양에 부정적인 영향을 미쳤다. 다음으로, DW, AA, OA 용액에 침지시킨 유채대를 이용하여 펠릿을 제조하였는데, 이 때 산의 농도 그리고 침지시간(24, 72, 120 hr)을 실험 인자로 사용하였으며, 이렇게 제조된 펠릿의 함수율, 겉보기밀도, 회분량, 발열량, 내구성을 측정하였다.
- 침지액의 종류에 따른 발열량 결과를 보면(Fig. 5), DW-와 AA-침지 펠릿의 발열량 간에는 차이가 없었으나(p=0.09), OA-침지 펠릿은 DW- 및 AA-침지 펠릿보다 낮은 발열량을 보 였다(DW-OA: p=0.01; AA-OA: p=0.01). 이는 침지처리에 의해 유채대 내의 회분량이 감소함으로써 발열량이 증가하는 것으로 생각하며, 예를 들면 DW- 및 AA-침지 펠릿의 회분량이 OA-침지 펠릿보다 낮은 결과로부터 발열량과 회분량 간에는 역상관 관계가 있는 것을 확인할 수 있었다(Telmo et al.
- , 2013), 유채대의 유리당 분석 결과를 통하여 이 추론을 확인할 수 있었다(Table 2). 한편 OA-침지 유채대 펠릿의 내구성은 농도의 영향을 받지 않았으나(p=0.27), AA-침지 유채대로 제조한 펠릿의내구성은 1% 및 2%의 농도에서 각각 92.12%와 93.19%로 농도 증가와 함께 약간 향상되었는데(p=0.01), 이는 상기에서 언급한 바와 같이 AA-1% 침지 유채대보다 낮은 AA-2% 침지 유채대의 회분량에서 기인한 결과라 생각한다(Fig. 7).
- 04), 이와 같은 결과는 120 hr-침지를 통하여 유채대 조직이 연화되었으며, 결과적으로 성형 과정에서 유채대가 충분히 압밀화됨으로서 발생한 결과라 판단된다. 한편 각 침지액별로 침지시간의 연장이 유채대 펠릿의 겉보기밀도에 미치는 영향은 통계학적으로 없었으며(Fig. 6), 전체적으로 침지 유채대 펠릿의 겉보기밀도는 무침지 유채대 펠릿(637 ㎏/㎥)과 EN 규격의 A등급 기준(≧600 ㎏/㎥)보다 높은 것으로 조사되었다(Fig. 4). 상기 결과를 종합하면, 유채대의 DW, AA, OA 용액 침지는 농도 및 침지시간에 상관없이 펠릿의 겉보기밀도를 증가시키는 하나의 방안이 될 수 있을 것으로 생각한다.
- , 2001). 한편 유채대의 AA- 및 OA-침지가 전반적으로 유채대 펠릿의 발열량을 크게 향상시키고(무침지 유채대 펠릿: 17.1 MJ/㎏), 모든 실험 조건에서 유럽 EN 규격의 A 등급 기준(≧14.1 MJ/㎏)을 상회하는 것으로 조사되었다.
- 예를 들면, AA는 2% 이상의 농도에서 24 hr 이내 또는 120 hr 이상으로, OA는 1% 이하의 농도에서 120 hr 이상으로, DW는 72 hr의 침지가 본 연구에서 사용된 조건들 가운데 유채대로부터 회분을 효과적으로 탈리시키는 방안으로 생각한다. 한편 침지 및 무침지 유채대(8.9%) 간의 회분량 비교에서 침지에 의하여 회분량이 크게 감소하는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 5). 또한 DW-, AA- 및 OA-침지 유채대로 조제한 펠릿은 모든 실험 조건에서 EN 규격의 회분량 A등급 기준(≦ 5.
- 7). 한편 침지 유채대 펠릿의 내구성은 무침지 유채대 펠릿(97.40%)보다 모두 낮았으며, OA-2%에 120 hr 침지시킨 유채대 펠릿을 제외하고 EN 규격의 B등급 기준(≧96.00%)에 미치지 않는 것으로 조사되었다. 그러나 침지 유 채대 펠릿의 낮은 내구성은 목분을 이용한 혼합 펠릿의 제조, 바인더의 첨가 등과 같은 방법을 통하여 향상이 가능할 것으로 생각한다.
- 그러나 AA-침지액에서는 많은 양의 glucose와 소량의 arabinose까지 분석되었다. 한편, 유채대 침지에 사용된 산용액의 종류와 농도(1%, 2%)에 따른 glucose 양을 분석한 결과, AA를 침지액의 조제를 위한 산으로 사용하고 AA의 농도를 1%로 조절하는 것이 유채대로부터 효과적으로 glucose를 가수분해할 수 있는 조건인 것으로 조사되었다. 침지시간의 영향을 보면, 72 hr-침지에서 가장 많은 양의 glucose가 검출되었으며, 120 hr까지의 침지시간 연장은 유리되는 glucose 양에 부정적인 영향을 미쳤다.
- 한편 침지액의 종류 및 농도에 따라 펠릿의 함수율은 영향을 받았으나, 이는 유채대의 침지 처리 후에 건조 과정에서 발생하는 함수율 차이에서 기인한 결과라 생각한다. 함수율 결과를 종합하면, 침지 유채대로 제조한 펠릿의 함수율은 모두 유럽의 EN 규격 A등급 기준(≦ 12%)에 만족하는 것으로 나타났다. 함수율과 마찬가지로 침지 유채대 펠릿의 겉보기밀도, 회분량, 발열량, 내구성은 침지 조건에 영향을 받는 것으로 조사되었으며, 이에 대한 각각의 조사 결과는 다음과 같다.
후속연구
- 따라서 이 조건에서 1 ㎏의 유채대를 침지시켰을 경우, 산술적으로 바이오에탄올 생산용 원료인 50 g의 glucose를 얻을 수 있으며, 나머지 950 g의 잔사는 아그로펠릿의 원료로 사용이 가능할 것으로 생각한다. 그러나 AA침지 유채대로 제조한 펠릿의 낮은 내구성 문제를 해결하기 위하여 세분화된 범위의 침지 조건 탐색, 목분과의 혼합 펠릿 제조, 바인더의 첨가 등과 같은 추가 연구가 수행되어야 할 것으로 생각한다.
- 침지 유채대의 원소 및 유리당 분석 그리고 펠릿의 품질 시험 결과를 종합하면, 1% 농도의 AA 용액에 유채대를 72 hr동안 침지시키는 것이 유채대의 바이오에탄올 및 펠릿 원료화를 위한 최적조건이라는 결론을 얻었다. 따라서 이 조건에서 1 ㎏의 유채대를 침지시켰을 경우, 산술적으로 바이오에탄올 생산용 원료인 50 g의 glucose를 얻을 수 있으며, 나머지 950 g의 잔사는 아그로펠릿의 원료로 사용이 가능할 것으로 생각한다. 그러나 AA침지 유채대로 제조한 펠릿의 낮은 내구성 문제를 해결하기 위하여 세분화된 범위의 침지 조건 탐색, 목분과의 혼합 펠릿 제조, 바인더의 첨가 등과 같은 추가 연구가 수행되어야 할 것으로 생각한다.
- , 2009). 따라서 펠릿의 원료로 목재를 대체할 수 있는 새로운 바이오매스를 찾는 것이 필요한 상황에서 기존에 사용되고 있는 펠릿의 원료가 아니며, 부산물로써 식품 또는 다른 목적의 원료로 사용되지 않음으로써 확보가 용이하고, 결과적으로 가격이 저렴한 원료의 사용이 필요할 것으로 판단된다.
- 그러나 유채대와 같은 짚은 목재나 석탄과 같이 열원으로 주로 사용되고 있는 원료와 비교하여 낮은 밀도로 인하여 운송, 취급 및 보관에 어려움을 가지고 있는데, 이러한 문제점은 유채 재배지 근처에서 펠릿을 생산하거나, 이동식 펠릿 성형기를 이용함으로써 해결이 가능할 것으로 생각한다. 또한 유채대는 대부분의 농업부산물과 마찬가지로 낮은 밀도로 단위부피당 순에너지량이 낮은데, 이러한 문제점은 압밀화를 통하여 어느 정도 해결이 가능할 것으로 판단된다. 마지막으로 많은 농업부산물을 펠릿의 원료로 사용할 경우 발생하게 되는 가장 큰 문제점으로 유채대는 목분에 비하여 많은 질소, 황, 염소 그리고 회분을 함유하고 있으며, 이 회분의 용해온도가 낮아 연소 시에 보일러 내에 클링커(clinker) 현상 및 부식을 초래하고, 아울러 연소 후에 많은 양의 대기오염 물질이 발생되어 가정용 보일러 원료로 사용이 불가한 단점을 가지고 있다(Boman et al.
- 상기 결과를 종합하면, 유채대를 1% 농도의 AA 용액에 72 hr 침지하는 것이 본 실험에서 유채대로부터 glucose를 가장 효과적으로 얻을 수 있는 조건으로 생각하며, 이렇게 분리된 glucose는 바이오에탄올 생산을 위한 원료로 사용이 가능할 것으로 생각한다.
- 4). 상기 결과를 종합하면, 유채대의 DW, AA, OA 용액 침지는 농도 및 침지시간에 상관없이 펠릿의 겉보기밀도를 증가시키는 하나의 방안이 될 수 있을 것으로 생각한다.
- 01). 이 결과들을 종합하며, 침지액의 종류에 따라 유채대 내에 존재하는 회분의 탈리 메카니즘에 차이가 있는 것으로 추정되며, 결과적으로 각 침지액별로 적정한 침지 조건을 선택하는 것이 필요할 것으로 생각한다. 예를 들면, AA는 2% 이상의 농도에서 24 hr 이내 또는 120 hr 이상으로, OA는 1% 이하의 농도에서 120 hr 이상으로, DW는 72 hr의 침지가 본 연구에서 사용된 조건들 가운데 유채대로부터 회분을 효과적으로 탈리시키는 방안으로 생각한다.
- 이와 같은 결과는 OA가 칼슘 또는 칼륨 간의 coupling agent로서 역할을 하여 식물체 내에서 크리스탈화 됨으로써 유채대 내에 존재하는 칼슘 및 칼륨을 효과적으로 탈리시키지 못하여 나타난 결과라 추정된다(Lim and Lee, 2012). 이 추론은 침지 유채대 내에 함유되어 있는 칼슘과 칼륨의 정성분석을 통하여 추후 확인이 필요할 것으로 생각한다.
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