[논문]단벌기 순환림 후보 호랑버들 7 클론의 화학적 조성과 에너지 함량

신수정; 김용상; 연익준; 한심희

문제 정의

1) 1970년대 초반 1차오일 위기를 경험하면서 버드나무에 대한 연구를 지속하였는데, 새로운 목표 중의 하나는 비 화석연료 자원을 확보하는 것이었다. 오랜 기간 재배 경험을 바탕으로 하는 모델에서, 스웨덴의 연간 헥타르 당 생산량은 건조 바이오매스 기준으로 10-12 톤 정도이며^,2) 영국에서 대규모 실외 실험을 실시한 결과로부터 작업성, 생산성 및 비용에 대한 정보를 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 단벌기 순환림에서 각광받는 버느나무 중 국내에서 분포가 넓고 생장이 빠른 호랑버들을 선택하였고, 그 중 바이오에너지 자원으로 최적합성을 찾기 위하여 보유하고 있는 7 클론의 화학적 조성, 원소 조성, 에너지 함량을 분석하고자 하였다.

제안 방법

바이오매스를 구성하고 있는 성분 조성과 연소할 때의 발열량을 대략적으로 추정하기 위하여 C, H, O, N, S 원소의 함량을 유기 원소분석기(EA1110, 영국 CE Instrument사)를 이용하여 측정하였다. 40 mesh 이하로 분쇄된 시료 10 mg을 1800 ℃에서 연소 시킨 후 발생하는 각 원소의 기체를 GC (gas chromatography) 칼럼을 통과시키면서 이동속도에 따라 분리한 후 열전도도 검출기로 검출하여 각 원소의 구성 비율을 계산하였다.
2 ppm 이다. NMR 스팩트럼 상에서 anomeric hydrogen (아노머성 수소) 피크를 적분하여 탄수화물의 조성을 계산하였다.⁶⁾
0ml의 중수(D₂O)를 사용하여 희석시킨 후, 121℃에서 한 시간 동안 2차 가수분해를 실시하였다. 가수분해 후 여과하여 가수분해액을 수집하여 1H NMR 분석을 실시하였다. 분석에 사용한 기기는 Bruker AVACE NMR Spectrometer (500 MHz)로 NMR 데이터는 Win NMR 소프트 웨어를 사용하여 피크를 해상하고 적분하였다.
바이오매스를 구성하고 있는 성분 조성과 연소할 때의 발열량을 대략적으로 추정하기 위하여 C, H, O, N, S 원소의 함량을 유기 원소분석기(EA1110, 영국 CE Instrument사)를 이용하여 측정하였다. 40 mesh 이하로 분쇄된 시료 10 mg을 1800 ℃에서 연소 시킨 후 발생하는 각 원소의 기체를 GC (gas chromatography) 칼럼을 통과시키면서 이동속도에 따라 분리한 후 열전도도 검출기로 검출하여 각 원소의 구성 비율을 계산하였다.
시료 분말을 아세톤과 끓는 물로 아세톤 추출물과 끓는 물 추출물 함량을 측정하였고, 추출된 고형분으로 Klason 리그닌 함량과 탄수화물 조성을 정량하였다. 암모니아 침지 전과 후 질량 수지를 계산하여 암모니아 침지 처리에 의한 리그닌과 다당류 탄수화물의 용출 정도를 추정하였다.
시료 분말을 아세톤과 끓는 물로 아세톤 추출물과 끓는 물 추출물 함량을 측정하였고, 추출된 고형분으로 Klason 리그닌 함량과 탄수화물 조성을 정량하였다. 암모니아 침지 전과 후 질량 수지를 계산하여 암모니아 침지 처리에 의한 리그닌과 다당류 탄수화물의 용출 정도를 추정하였다.
에너지 함량을 열량계를 사용하여 측정하였다. 표 3의 원소 조성을 근거로 두 가지 모델을 사용하여 열량을 추정하였다.
전건 시료 1.00 g을 열량계(1341 Oxygen Bomb Calorimeter, 미국 Parr Instrument사)에 넣고 산소를 충전한 후 점화하여 연소 전후의 온도변화로부터 건조 고위발열량(HHV, higher heating value)을 계산하였다.
탄수화물 조성분석은 분석하고자 하는 시료 40.0 mg을 0.4 ml의 72% 황산으로 30℃에서 한 시간 동안 1차 산 가수분해 후, 2.0ml의 중수(D₂O)를 사용하여 희석시킨 후, 121℃에서 한 시간 동안 2차 가수분해를 실시하였다. 가수분해 후 여과하여 가수분해액을 수집하여 1H NMR 분석을 실시하였다.
표 1의 다당류내 탄수화물 조성을 살펴보았다. 대부분 클론에서 글루코만난의 함량이 아주 낮거나 검출되지 않았다.
에너지 함량을 열량계를 사용하여 측정하였다. 표 3의 원소 조성을 근거로 두 가지 모델을 사용하여 열량을 추정하였다.

대상 데이터

모두 2월에 수확한 것으로 1년 생장한 부분들이다. 각 클론은 전정가위로 짧게 자른 후 Wiley mill을 사용하여 가는 분말 (40-60 mesh) 부분을 얻어본 실험에 사용하였다.
가수분해 후 여과하여 가수분해액을 수집하여 1H NMR 분석을 실시하였다. 분석에 사용한 기기는 Bruker AVACE NMR Spectrometer (500 MHz)로 NMR 데이터는 Win NMR 소프트 웨어를 사용하여 피크를 해상하고 적분하였다. 분석 조건은 Broadband Observe Probe type, 30℃, pulse: 11 μsec, delay between pulse: 10 s, acquisition time: 2.
호랑버들 7 클론은 국립산림과학원 산림자원육성부에서 공급 받아 실험에 사용하였다. 모두 2월에 수확한 것으로 1년 생장한 부분들이다.

성능/효과

¹⁾1970년대 초반 1차오일 위기를 경험하면서 버드나무에 대한 연구를 지속하였는데, 새로운 목표 중의 하나는 비 화석연료 자원을 확보하는 것이었다. 오랜 기간 재배 경험을 바탕으로 하는 모델에서, 스웨덴의 연간 헥타르 당 생산량은 건조 바이오매스 기준으로 10-12 톤 정도이며^,2) 영국에서 대규모 실외 실험을 실시한 결과로부터 작업성, 생산성 및 비용에 대한 정보를 얻을 수 있었다.³⁾
원소 분석 결과 산소 함량이 가장 높은 클론은 BH8 클론이고, 가장 낮은 클론은 BH5 클론이다. 일반적으로 산소 함량이 낮은 목재는 리그닌 함량이 높고 산소 함량이 높은 목재는 다당류 함량이 높은데 BH5 클론의 리그닌 함량이 가장 높고 BH8 클론의 리그닌 함량이 가장 낮게 나타났다.
화학적 조성 분석, 탄수화물 조성 분석, 원소분석 및 에너지 함량 분석 결과 호랑버들 7 클론 간에는 뚜렷한 차이를 나타내었다. 끓는물 추출물 함량은 클론간에 6.
화학조성 분석 결과 클론 간에 차이가 나타났는데 끓는물 추출물 함량에서 변이가 크게 나타났다. BH8과 BH10클론에서 끓는 물 추출물 함량이 높았는데 이 두가 지 클론은 리그닌 함량이 낮은 수준이면서도 다당류 함량도 낮게 나타났다.

후속연구

02 MJ/Kg의 변이를 나타내었다. 이들 원소 조성과 리그닌 함량 탄수화물 함량 및 조성이 이들 원료로 하는 바이오 에너지화에 기초자료로 제공할 수 있을 것이다.

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