[논문]옥수수 줄기를 원료로 제조한 소다 펄프의 특성

송우용; 이규성; 이재성; 신수정

doi:10.7584/ktappi.2015.47.6.073

[국내논문] 옥수수 줄기를 원료로 제조한 소다 펄프의 특성
Soda Pulp Properties from Corn Stalk as Raw Material 원문보기

펄프 종이기술 = Journal of Korea TAPPI, v.47 no.6, 2015년, pp.73 - 80

송우용 (충북대학교 목재종이과학과) , 이규성 (충북대학교 목재종이과학과) , 이재성 (충북대학교 목재종이과학과) , 신수정 (충북대학교 목재종이과학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Corn stalk is the lignocellulosic biomass, which remain as leftover after harvesting. To use the corn stalk as raw material for paper industry, soda pulping was applied. In chemical compositional analysis, extractive contents of corn stalk (45.1%) was higher than hardwood. With corn stalk pith, soda pulp yield was 25.3% at 10.6 Kappa number, but 39.5% yield with 14.8 Kappa number for corn stalk rind. Higher extractives content in pith is one of the reason for lower pulp yield than rind. Pith pulp fibers had higher fines content than rind pulp. Pith parenchyma cell was removed as fines during pulping or washing process, which caused the lower yield. To use the corn stalks as a raw material for paper making, de-pith process is essential for higher pulp yield and longer pulp length.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 옥수수 재배의 부산물인 옥수수 줄기를 사용하여 펄프 원료로써 목재 자원의 대체 가능성을 판단하고자 소다 펄핑 방법을 적용하여 옥수수 줄기 펄프의 특성을 확인하고자 하였다. 특히 겉껍질(rind)과 수(pith)를 구분하여 펄프를 생산하였을 때의 특성을 추가적으로 파악하여 원료에 구조적 특성에 따른 펄프의 특징을 확인하고자 하였으며 이를 통해 생산된 펄프의 활용성을 극대화 하고자 하였다.
옥수수 줄기 원료에 소다 펄핑 공정을 적용하여 펄프 제지 산업의 원료로써 적합한지 확인하고자 하였다. 옥수수 줄기를 목재와 비교했을 때 추출물이 많은 것을 확인할 수 있었고, 그로 인해 옥수수 줄기 펄프의 수율이 낮게 나타나는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 옥수수 재배의 부산물인 옥수수 줄기를 사용하여 펄프 원료로써 목재 자원의 대체 가능성을 판단하고자 소다 펄핑 방법을 적용하여 옥수수 줄기 펄프의 특성을 확인하고자 하였다. 특히 겉껍질(rind)과 수(pith)를 구분하여 펄프를 생산하였을 때의 특성을 추가적으로 파악하여 원료에 구조적 특성에 따른 펄프의 특징을 확인하고자 하였으며 이를 통해 생산된 펄프의 활용성을 극대화 하고자 하였다.

제안 방법

2차 가수분해는 중수(D₂O)를 넣어 희석한 후 온도를 100℃에서 한 시간 동안 2차 가수분해를 실시하여 단당의 손실을 최소화 하도록 하였다. 2차 가수분해가 끝난 시료에 rhamnose를 표준물질로 첨가 후 여과과정을 거쳐 얻은 여과액을 모아 Bruker AVANCE NMR spectrometer(500 M㎐) 기기를 이용하여 분석하였다. 분석된 NMR 스펙트럼 상에서 아노머성 수소 피크를 적분하여 탄수화물 조성을 측정하였다.
공시 재료의 탄수화물 조성을 확인하기 위하여 1H-NMR 분석을 실시하였다.
제조된 펄프의 특성은 섬유분석기(Kajaani fiber lab fiber analyzer, Metso, Finland)를 사용하여 섬유의 길이, 폭을 측정하였다. 광학 현미경(Nikon eclipse 80i)을 사용하여 펄프의 섬유 모양을 관찰하였다.
목재의 화학적 조성 분석을 위하여 아세톤 추출물 함량 측정(Tappi 204 om-88), 열수 추출물 함량 측정(Tappi 207 om-93), Klason 리그닌 분석(Tappi 222om-88)을 실시하였다. 형태적 분석은 옥수수 줄기를 해리하여 광학 현미경(Nikon eclipse 80i)을 사용하여 관찰 하였다.
옥수수 줄기 펄프의 수율은 재료의 분리에 따른 3가지 조건 모두 40%이하로 목재 펄프에 비해 낮은 수율이 나타남을 확인하였다(Table 3). 목질계 원료인 백합나무를 이용한 펄프는 옥수수 줄기 소다펄프와 비교하여 높은 활성 알칼리조건과 안트라퀴논 투입조건에서 펄핑이 진행되었다. 그 결과 카파값은 높았지만 수율은 50%이상으로 옥수수 줄기 소다펄프의 수율과 큰 차이를 보였다.
2차 가수분해가 끝난 시료에 rhamnose를 표준물질로 첨가 후 여과과정을 거쳐 얻은 여과액을 모아 Bruker AVANCE NMR spectrometer(500 M㎐) 기기를 이용하여 분석하였다. 분석된 NMR 스펙트럼 상에서 아노머성 수소 피크를 적분하여 탄수화물 조성을 측정하였다.
옥수수 줄기의 탄수화물 조성을 ¹H-NMR 분광을 통하여 분석하였다(Figs. 1과 2). 옥수수 줄기의 탄수화물 조성 분석결과 펄핑공정에 적용하기 적합한 글루칸 위주의 탄수화물 조성을 가짐을 확인 할 수 있다(Table 2).
펄핑이 끝난 펄프는 세척과정과 스크린 과정을 거친 후 탈수하여 냉장 보관하였다. 이후 섬유분석, 카파값 측정에 사용하였다.
제조된 펄프의 특성은 섬유분석기(Kajaani fiber lab fiber analyzer, Metso, Finland)를 사용하여 섬유의 길이, 폭을 측정하였다. 광학 현미경(Nikon eclipse 80i)을 사용하여 펄프의 섬유 모양을 관찰하였다.
펄핑 조건은 활성 알칼리 13%, 액비 1:10으로 약액을 제조 하였으며, 높은 액비를 보정하기 위해 펄핑 온도는 170℃로 한 시간 동안 승온 시간을 가진 후 두 시간 동안 온도를 유지하여 펄핑을 진행하였다. 펄핑이 끝난 펄프는 세척과정과 스크린 과정을 거친 후 탈수하여 냉장 보관하였다.
목재의 화학적 조성 분석을 위하여 아세톤 추출물 함량 측정(Tappi 204 om-88), 열수 추출물 함량 측정(Tappi 207 om-93), Klason 리그닌 분석(Tappi 222om-88)을 실시하였다. 형태적 분석은 옥수수 줄기를 해리하여 광학 현미경(Nikon eclipse 80i)을 사용하여 관찰 하였다.

대상 데이터

중국 길림성에서 재배한 옥수수 줄기를 재료로 사용하였으며, 겉껍질(rind)과 수(pith), 분리하지 않은 옥수수 줄기로 나누어 실험에 사용하였다.

성능/효과

그 결과 카파값은 높았지만 수율은 50%이상으로 옥수수 줄기 소다펄프의 수율과 큰 차이를 보였다.¹¹⁾ 비목질계 원료인 사탕수수 부산물은 같은 활성 알칼리에서 더 낮은 온도와 적은 시간 조건으로 공정이 진행되었다. 사탕수수 소다펄프의 수율은 57.
6으로 옥수수 줄기 소다펄프에 비해 카파값이 2-6 높고, 수율이 11-26% 더 높게 나타났다.¹⁵⁾ 옥수수 줄기 펄프의 낮은 수율의 원인은 추출물 함량이 높아 펄핑 과정 중 제거되는 원료의 양이 많기 때문이다. 또한 높은 온도에서 반응시간이 길어져 섬유의 임의 절단 반응 및 필링 반응으로 인한 수율 감소가 발생 한 것으로 추측된다.
각 펄프의 미세분 함량을 살펴보면 분리하지 않은 옥수수 줄기 펄프는 28.6%, 수 펄프는 71.6%, 겉껍질 펄프는 26.4%로 나타났다. 수 펄프의 미세분 함량이 매우 높게 나타난 이유는 기기 측정의 한계로 수 펄프 안에 존재하는 유세포로 인한 미세분 판정을 받는 수준의 구성성분이 많기 때문이다.
겉껍질 펄프의 경우 섬유 길이는 활엽수와 비슷하거나 긴 섬유로 구성되어 있고, 수가 제거 되어 유세포에서 유래한 미세분이 수 펄프 또는 미분리 옥수수 줄기 펄프 보다 적음을 확인하였다. 옥수수 줄기를 제지 산업에 이용할 경우 펄프의 수율을 증가 시기는 공정에 대한 연구와 겉껍질과 수를 효과적으로 분리하는 방법도 함께 연구 되어야 할 것으로 생각된다.
목질계 원료인 백합나무를 이용한 펄프는 옥수수 줄기 소다펄프와 비교하여 높은 활성 알칼리조건과 안트라퀴논 투입조건에서 펄핑이 진행되었다. 그 결과 카파값은 높았지만 수율은 50%이상으로 옥수수 줄기 소다펄프의 수율과 큰 차이를 보였다.¹¹⁾ 비목질계 원료인 사탕수수 부산물은 같은 활성 알칼리에서 더 낮은 온도와 적은 시간 조건으로 공정이 진행되었다.
2%로 분리되지 않은 옥수수 대의 추출물 함량이 대부분 수에서 유래한 것으로 생각된다. 리그닌의 비율은 백합나무와 사탕수수 부산물에 비해 낮은 농도가 확인되었으며 같은 수준의 펄핑 공정에 적용 시 백합나무와 사탕수수 부산물 펄프보다 낮은 카파값이 나타날 것으로 예상된다. 탄수화물의 비율은 50%이하로 백합나무¹¹⁾와 사탕수수 부산물¹⁰⁾에 비해 20%정도 낮은 것으로 나타났다(Table 1).
분리되지 않은 옥수수 줄기 펄프의 경우 섬유 길이는 0.8 mm, 겉껍질 펄프는 1.0 mm, 수 펄프는 0.4 mm로 확인되었고, 폭은 분리하지 않은 옥수수 줄기는 20.7 μm, 겉껍질 펄프는 1.2 μm, 수 펄프는 37.7 μm로 확인 되었다 (Table 4).
¹¹⁾ 비목질계 원료인 사탕수수 부산물은 같은 활성 알칼리에서 더 낮은 온도와 적은 시간 조건으로 공정이 진행되었다. 사탕수수 소다펄프의 수율은 57.9%, 카파 값은 16.6으로 옥수수 줄기 소다펄프에 비해 카파값이 2-6 높고, 수율이 11-26% 더 높게 나타났다.¹⁵⁾ 옥수수 줄기 펄프의 낮은 수율의 원인은 추출물 함량이 높아 펄핑 과정 중 제거되는 원료의 양이 많기 때문이다.
옥수수 줄기 펄프의 수율은 재료의 분리에 따른 3가지 조건 모두 40%이하로 목재 펄프에 비해 낮은 수율이 나타남을 확인하였다(Table 3). 목질계 원료인 백합나무를 이용한 펄프는 옥수수 줄기 소다펄프와 비교하여 높은 활성 알칼리조건과 안트라퀴논 투입조건에서 펄핑이 진행되었다.
옥수수 줄기 원료에 소다 펄핑 공정을 적용하여 펄프 제지 산업의 원료로써 적합한지 확인하고자 하였다. 옥수수 줄기를 목재와 비교했을 때 추출물이 많은 것을 확인할 수 있었고, 그로 인해 옥수수 줄기 펄프의 수율이 낮게 나타나는 것을 확인하였다. 옥수수 줄기 펄프의 수율을 비교 했을 때 수의 경우 다른 펄프에 비해 낮은 수율을 보였다.
옥수수 줄기의 수를 사용한 펄프의 경우 겉껍질 펄프와 분리하지 않은 옥수수 펄프에 비해 수율이 25.3%로 수율이 매우 낮은 것을 확인 할 수 있었다. 수는 겉껍질 보다 유세포 비율이 높은데, 열수 추출물의 대부분이 유세포 내 저장물질로 존재하기 때문에 열수 추출물 함량으로 인한 수율 감소 정도가 수 펄프에서 더 높게 나타날 수밖에 없다.
1과 2). 옥수수 줄기의 탄수화물 조성 분석결과 펄핑공정에 적용하기 적합한 글루칸 위주의 탄수화물 조성을 가짐을 확인 할 수 있다(Table 2). 글루칸이 주성분으로 하며 자일란 위주의 헤미셀룰로오스로 구성된 활엽수와 비슷한 탄수화물 조성을 나타냈다.
리그닌의 비율은 백합나무와 사탕수수 부산물에 비해 낮은 농도가 확인되었으며 같은 수준의 펄핑 공정에 적용 시 백합나무와 사탕수수 부산물 펄프보다 낮은 카파값이 나타날 것으로 예상된다. 탄수화물의 비율은 50%이하로 백합나무¹¹⁾와 사탕수수 부산물¹⁰⁾에 비해 20%정도 낮은 것으로 나타났다(Table 1).
화학적 분석과 형태적 분석을 종합했을 때 옥수수 줄기의 수는 유세포의 구성 비율이 높은 것으로 확인 되었고, 그로 인해 추출물 함량이 겉껍질에 비해 높게 나타난 것으로 판단된다. 그와 반대로 겉껍질은 주로 목재 섬유와 비슷한 모양을 가진 섬유가 주로 존재하고 일부 도관과 유세포가 관찰 되었다.

후속연구

겉껍질 펄프의 경우 섬유 길이는 활엽수와 비슷하거나 긴 섬유로 구성되어 있고, 수가 제거 되어 유세포에서 유래한 미세분이 수 펄프 또는 미분리 옥수수 줄기 펄프 보다 적음을 확인하였다. 옥수수 줄기를 제지 산업에 이용할 경우 펄프의 수율을 증가 시기는 공정에 대한 연구와 겉껍질과 수를 효과적으로 분리하는 방법도 함께 연구 되어야 할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화학펄프를 기반으로 하는 고지는 어떠한 단점을 가지는가?	이를 해결하기 위해 계획적인 조림에 의한 목재 원료를 공급하거나 고지나 비목질계 바이오매스와 같은 대체 원료를 활용하는 방안이 연구되고 있다.1-3) 하지만 목질 대체 펄프 원료 중 고지 중 화학펄프를 기반으로 하는 고지는 지속적인 탈묵, 제지 공정에 의해 섬유의 열화가 일어나 재생펄프의 물성 저하를 야기한다. 반면 비목질계 자원을 펄프 제지 공정에 활용하는 경우 고지 사용 시 발생하는 펄프 물성 저하를 피할 수 있다.
	옥수수 줄기를 재료로 펄프를 생산하기 위해서는 어떠한 공정이 필요한가?	일반적인 목질 자원과 화학적, 재료적 특성이 다른 옥수수 줄기를 재료로 펄프를 생산하기 위해서는 목질계 자원에 적용되는 펄핑 조건과 다른 조건의 공정이 실시되어야 한다. 비목질계 자원의 속부분인 수(pith)부분에서 세포 구조의차이가 뚜렷하다.
	옥수수 줄기가 목질계 자원과 다른 특성은 무엇인가?	일반적인 목질 자원과 화학적, 재료적 특성이 다른 옥수수 줄기를 재료로 펄프를 생산하기 위해서는 목질계 자원에 적용되는 펄핑 조건과 다른 조건의 공정이 실시되어야 한다. 비목질계 자원의 속부분인 수(pith)부분에서 세포 구조의차이가 뚜렷하다.7,8)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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