초록 ▼

○ 연구결과
1.유채박을 이용한 수용성 식이섬유의 분리/정제 및 상용화 방안 수립
- 염산 1%를 사용하여 2g/100mL의 비율로 처리하는 것이 가장 효율적으로 총 수용성 식이섬유와 galactose를 분리해낼 수 있을 것으로 사료
-실질적으로 상용화에 적용시키기 위해서는 유채박:용매 비율을 현재 1:50의 비율에서 최대 1:10의 비율까지 올리는 실험이 요구
-이를 위해서 현재 가장 효율적이라고 판단된 2g의 유채박을 1% 염산 100mL와 반응시키는 조건에서 용매의 양을 1000mL까지 늘리면 유채박의 투

○ 연구결과
1.유채박을 이용한 수용성 식이섬유의 분리/정제 및 상용화 방안 수립
- 염산 1%를 사용하여 2g/100mL의 비율로 처리하는 것이 가장 효율적으로 총 수용성 식이섬유와 galactose를 분리해낼 수 있을 것으로 사료
-실질적으로 상용화에 적용시키기 위해서는 유채박:용매 비율을 현재 1:50의 비율에서 최대 1:10의 비율까지 올리는 실험이 요구
-이를 위해서 현재 가장 효율적이라고 판단된 2g의 유채박을 1% 염산 100mL와 반응시키는 조건에서 용매의 양을 1000mL까지 늘리면 유채박의 투입 가능 비율을 상당히 증가시킬 수 있을 것으로 판단
-유채박으로 유리당을 확보하기 위한 효소 가수분해 전처리 시 효소(pectinase,cellulase,protease)간 시너지 효과 확인
-다량의 유리당 생산을 위해서는 효소 가수분해로만으로는 목표하는 수용성 식이섬유 및 기능성 당을 충분히 얻기 부족하며 간단한 화학적 전처리가 병행 필요
-최종적으로 pectinex+celluclast+alcalase및 pectinex+celluclast조합효소를 1% 내외의 유채 투입량으로 가수분해를 수행하는 것이 가장 효율적으로 유리당을 생산함
-수용성 식이섬유(펙틴)분리 시,화학적 전처리는 올리고머를 분해시켜 최종수율을 감소시켰고,따라서 유채 내 지질 성분 제거를 위한 탈지 공정과 효소 가수분해 공정을 조합하여 수용성 식이섬유(펙틴)추출 공정을 고안
- 수용성 식이섬유(펙틴) 생산을 위한 최적 효소 가수분해 조건은 효소:유채박=1:50(v/w),Celluclast 1.5L:Alcalase2.5L=1:4,반응시간이 270-369분(최소 270분)일 때로 판단,최대 수율은 수용성 식이섬유가 13% 이상,펙틴은 6% 이상으로 확인
-대량생산 공정을 위해 lab-scale의 soxhlet추출 방법을 대체할 shaker를 이용한 추출조건 탐색 완료
-shaker를 이용하여 용매에 따라 탈지하고 식이섬유를 추출한 결과,18시간 이상,25°C,12/100(=유채박:용매)에서 효율적인 식이섬유 생산 확인
-추출 용매에 따른 수용성 식이섬유 추출결과,hexane및 alben의 경우 실질적인 fat제거율이 높아 최종 수용성 식이섬유에 불순물 함량도 상대적으로 적고 수율도 크게 감소되지 않아 추후의 탈지공정에 적합한 것으로 사료
-유채대의 경우 섬유질 영역을 활용하기 위해서 약산 전처리를 수행한 결과,유기산의 경우 무기산보다 전체적인 전처리 효과는 떨어졌지만,특히 oxalicacid의 경우 전처리 후 고형분 내 일정 수준이상의 glucose수율을 얻을 수 있었고,액상 가수분해물 내에도 다량의 xylose(최대 18% 이상)를 획득
-유채대의 oxalicacid전처리을 통해 당 생산과 동시에 고형분 내 다량의 섬유질을 활용한 바이오연료(바이오에탄올)생산에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 사료
-Oxalicacid전처리 인자에 따른 바이오에탄올 수율을 확인한 결과,반응시간은 10분,촉매의 농도는 1% 부근에서 바이오에탄올 생산에 효율적인 임계점이 있음을 확인,반응온도에 따라서는 온도 증가에 따라 에탄올 수율이 증가했지만(최대 15.83g/L=17.68%(200°C)),170-180°C부터는 수율의 증가율이 감소하는 모습을 확인
2.유채박의 이차부산물 (식이섬유 생산 부산물)을 이용한 친환경접착제 개발
-친환경 목재 접착제로 PF 몰비를 달리하고 유채박을 산과 알칼리로 각각 가수분해시킨 것을 반응
시켜 만든 접착제로 합판을 제조하고 시험한 결과 몰비 1.8-F/P PF prepolymer와 DW-RFH로 조제한 유채박 접착제에서 결과를 확인
- 유채박의 가수분해물과 PF prepolymer로 제조한 마루판 제조실험에서 산가수분해물을 이용하는 것이 마루판의 무늬목 접착성능 면에서 효율적임을 확인
- 유채박 접착제로 제조한 중밀도 섬유판의 물성을 분석한 결과,5%의 유채박 가수분해물과
1.8-F/P PF prepolymer로 제조한 유채박 접착제를 이용하는 것이 MDF 생산을 위한 적절한 제조조건으로 판단
- 향후 유채박 접착제의 상용화를 위해 접착제 내의 고형분 함량을 증가시켜 열압시간을 줄이는 방안과 이렇게 조제된 접착제의 공장에서 최적 적용조건을 제시하였으며 보다 세밀화된 변수에 대한 검증을 위한 추가 연구가 필요할 것으로 사료
3.유채박 및 유채대의 고체연료화 (펠릿)기술 개발 및 상용화 방안 수립
-유채박 및 유채대는 4급 이하 또는 공장용의 저급 펠릿을 제조하기에 적당한 원료로 판단
-유채대는 목재와 비교하여 건조가 용이한 장점을 보유
-유채박과 커피박은 일정한 양의 단백질과 오일을 함유하고 있어 유채대와 함께 바인더로 사용하여 제조된 펠릿의 내구성 및 발열량 향상에 기여
-커피박의 낮은 회분 함량은 유채대 펠릿의 전체적인 회분 함량 감소에 긍정적인 영향
- 증류수(DW)-침지 유채대를 펠릿 제조의 원료로 사용하는 것이 회분 함량을 제외하고 유럽의 아그로펠릿의 A등급 기준을 만족하였으므로 가장 적합한 방안으로 판단
- DW- 및 수산화나트륨 (SH)-침지액에서는 각각 xylose와 sucrose만,황산(SA)- 및 수산(OA)-침지액에서는 glucose만,초산(AA)-침지액에서는 많은 양의 glucose와 소량의 arabinose까지 검출
- AA를 침지액의 조제를 위한 산으로 사용하고 AA의 농도를 1%로 조절하는 것이 유채대로부터 효과적으로 glucose를 가수분해할 수 있는 조건인 것으로 조사
- 72hr-침지에서 가장 많은 양의 glucose가 검출되었으며,120hr까지의 침지시간 연장은 유리되는 glucose양에 부정적인 영향
- 침지 유채대 펠릿의 겉보기 밀도와 발열량은 무침지 유채대 펠릿과 비교하여 크게 높았으며,EN 규격의 A등급 기준을 각각 상회
- 유채대의 침지는 무침지 유채대의 회분량 (8.9%)과 비교하여 회분량을 크게 감소시켰으며,특히 AA-와 DW-침지가 유채대의 회분량 감소에 효과적인 것으로 조사
- 침지 유채대의 회분량은 EN 규격의 A등급 기준을 상회하였으며,내구성은 OA-2%에 120hr침지시킨 유채대 펠릿을 제외하고 나머지 조건은 EN 규격의 B등급 기준 만족
- 1kg 유채대 침지의 경우 50g의 glucose를 얻을 수 있으며,나머지 950g의 잔사는 아그로펠릿의 원료로 사용이 가능
- 파일럿 규모에서 시제품을 제조한 결과,침지 유채대의 바이오에탄올 및 아그로펠릿의 원료화 가능성 확인

Abstract ▼

Chapter 1. Development of separation and purification methods of water soluble dietary fiber from rapeseed cake and rapeseed stalk
The aim of this research was to utilize a high content (>30%) of carbohydrate in rapeseed cake, which was considered as an organic waste after the production of rapes

Chapter 1. Development of separation and purification methods of water soluble dietary fiber from rapeseed cake and rapeseed stalk
The aim of this research was to utilize a high content (>30%) of carbohydrate in rapeseed cake, which was considered as an organic waste after the production of rapeseed oil or biodiesel, to more valuable products. Therefore, rapeseed cakes were used for the extraction of carbohydrates as liberated reducing sugars and water soluble dietary fibers. In addition, the potential of rapeseed stalk for sugar and bioethanol production was also evaluated.
First, chemical treatment of rapeseed cake was carried out using acidic and alkaline catalysts to obtain reducing sugars from rapeseed cake. Among the various hydrolysis conditions (catalyst type, concentration of catalyst and solid/liquid ratio), total reducing sugar content was the highest (>20%) in 1% HCl at solid/liquid ratio of 2 g/ 100 mL. Secondly, enzymatic hydrolysis of rapeseed cake was also carried out using commercial enzymes (cellulase, pectinase and protease) to obtain reducing sugars from rapeseed cake.
However, it was too difficult to degrade a fat-protein-carbohydrate complex of ra peseed cake using only enzymatic hydrolysis, therefore chemical treatment and enzymatic hydrolysis were conducted continuously. As a result, high degradation rates were showed by enzyme cocktails of pectinase+protease and cellulase+protease, since the protein of rapeseed cake was effectively broken down. However, final yield of reducing sugars was the highest (>20%) by enzyme cocktails of pectinase+cellulase+protease and pectinase+cellulase. This yield was similar to the highest yield in result of harsh chemical treatment, indicating that two and more enzymes showed a synergy effect on release of reducing sugar from rapeseed cake.
Further research was carried out to extract water soluble dietary fibers with high molecular weight, such as pectins, which are complex heteropolysaccharides consisting of mainly D-galacturonic acid. We examined extraction of pectin using enzymatic hydrolysis with different enzymatic hydrolysis time, enzyme-rapeseed cake ratio and enzyme cocktail ratio (cellulase-protease ratio) at constant pH and temperature. As a result, the highest yields of pectin and water soluble dietary fiber were showed at the enzyme-rapeseed cake ratio of 1:50 with cellulase-protease ratio of 1:4 for 270 min. Based on these results, different combinations of treatments were applied to investigate the effect of combination processes on the extraction of pectin from rapeseed cake. The treatments chosen for combination were a fat removal process (FRP) (solvent extraction using an alcohol–benzene mixture), a chemical treatment (CT) (hydrolysis using 1% hydrochloric acid), and an enzymatic hydrolysis (EH). Consequently, CT decreased the yields because the treatment was too harsh and the galacturonic acid broke down and yields of pectin and water soluble dietary fiber were highest in the combination process FRP/EH (>6% and >13%, respectively). Finally, extraction conditions of fat removal process were investigated using shaker for production of pectin on a large scale, since the existing method of soxhlet extraction was only suitable for lab-scale test.
On the other hand, pretreatment of rapeseed stalk was conducted in various pretreatment condition (catalyst type: sulfuric acid, oxalic acid and malic acid, reaction temperature:105-200°C, concentration of catalyst: 0.5-2%) for application of its carbohydrates. While inorganic catalysts were more efficient than organic catalysts in degradation of rapeseed stalk and sugar production, in some organic catalysts condition, such as oxalic acid, glucose contents of solid fractions after pretreatment have reached a certain level and liquid fractions have contained high level of xylose (maximum >18%). This result suggested that oxalic acid pretreatment of rapeseed stalk has a great potential to obtain sugars and to produce the bioethanol using carbohydrates in solid fraction after pretreatment. And then some additional research analyzed the productivity of bio-ethanol obtained from rapeseed stalk by oxalic acid pretreatment and investigated the effects of the several factors. There were critical points for production of bioethanol in about reaction time of 10 min and catalyst concentration of 1%. Furthermore, yield of bioethanol increased as the reaction temperature increased (maximum 15.83 g/L (=17.68%) at 200°C), but the rate of increase declined gradually at about 170-180°C. In addition, after bioethanol production, its final solid residues have a possibility to be used in pellet or bio-composite material due to high lignin content (>70%) and low ash content (3-4%).
Chapter 2. Development of environmentally friendly adhesives formulated with rapeseed flour hydrolyzates
The interest to develop adhesives from renewable resources is growing to substitute petroleum-based adhesive resins in the manufacture of wood based panels. In our study, rapeseed flour (RSF), which is the by-product of bio-diesel produced from rapeseed, were hydrolyzed with acids, alkali and enzymes. As a crosslinking agents of the RSF hydrolyzates, phenol-formaldehyde prepolymers (PF) were prepared with different molar ratios. The RSF hydrolyzates and PF were mixed to complete the formulation of RSF-based adhesive resins, and the resins were applied to make plywood, flooring, laminated veneer lumber (LVL) and medium density fiberboard (MDF). The physical, mechanical properties and formaldehyde emission of the each wood based panels were measured to examine whether RSF can be used as raw materials of adhesive resins for the manufacture of wood based panels or not. The solid content of RSF-based adhesive resins were different depending on the hydrolysis condition of RSF and PF prepolymer type and showed relatively high viscosity. The shear strength and wood failure of plywood fabricated with RSF-based adhesive resins exceeded a minimum requirement of KS standard for ordinary plywood regardless of the hydrolysis condition of RSF and PF prepolymer type. Formaldehyde emissions of the plywood panels fabricated with 1.8-PF and RSF hydrolyzates were lower than that of E0 specified in the KS standard. The bending strengths of the LVL were higher than that of the LVL made with commercial PF resins. Formaldehyde emissions of the flooring fabricated with boliva and oak fancy veneer were lower than that of SE0 specified in the KS standard. The bending strengths of the MDF made with RSF-based adhesive resins were lower than that of the MDF made with commercial UF resins, but the internal bonding strengths of tested MDF in some make-up conditions of RSF-based adhesive resins were higher than that of MDF made with commercial UF resins. All these results showed the potential of RSF as a raw material of adhesives for the production of wood based panels. Future works on the optimal manufacturing process conditions of wood based panels made with RSF-based adhesive resins are required to shorten the press time and improve the performance of wood based panels made with RSF-based resins.
Chapter 3. Potential of rapeseed flour and rape stalk for the production of fuel pellets
This work was to examine the potential of rapeseed flour (RF) and rape stalk (RS), which are by-products provided from the production of bio-diesel, as a raw material of solid bio-fuels. At first, the chemical compositions of RF and RS were analyzed, and then pellets were made by RF and RS. After that, the fuel characteristics of RF, RS and the pellets were investigated. Ash contents of RF and RS were much higher than those of wood pellet and the pellet standard adopted by Korea Forest Research Institute (KFRI). In the elemental analyses, high contents of nitrogen and sulfur were detected from RF and RS. For the fuel characteristics of RF, RS and the pellets, heating values of RF and RS were lower than wood pellet, but the moisture content and density of RF- and RS-pellet were satisfied with KFRI standard for 1st-grade pellet. The durability of RF-pellet was in excess of KFRI standard for 1st-grade pellet, but that of RS-pellet was little bit higher than KFRI standard for 3rd-grade pellet. Based on the results of our works, RF and RS might be used as a raw material of low-grade pellets for cogeneration or large-scale plants. Further processes for the improvements of fuel characteristics, such as ash content, nitrogen and sulfur contents, and heating value, are required for RF and RS to be used as a raw materials of high-grade pellet.
The aim of this study was to suggest a method for producing high-quality fuel pellets using rape stalk (RS), which is an agricultural waste. RS-based pellets were fabricated with rapeseed flour (RF) or coffee waste (CW) as a binder. In addition, RS immersed in distilled water (DW), sulfuric acid (AC) and sodium hydroxide (AK) solutions for a certain period was used as a raw material for pellets production. Then, fuel qualities of the fabricated pellets were examined to identify the possibility of the methods. Uses of RF and CW contributed to improve the durability and higher heating value of the RS-based pellets. Interestingly, the addition of CW in the fabrication of RS-based pellets greatly decreased its ash content. Fuel pellets fabricated with the immersed RS showed the improvements of all qualities compared to non-immersed RS pellets. Particularly, DW-immersion had favorable influences on the increases of higher heating value and durability. Additionally, immersion of RS in a AC or AK solution for 72hr positively affected the improvements of bulk density and ash content of RS-based pellets. However, RS immersed in the AC or AK solution is required to rinse the AC or AK existed on the RS, and consequently the use of DW-immersion might be the most suitable way to improve the qualities of RS-based pellets. All qualities of the pellets were satisfied with the European agropellet standards for A- or B-grade pellet. Based on the results of this study, RS can be used as a raw material for the production of agropellets. Furthermore, outdoor exposure of RS or mixing RS with CW or wood sawdust might be a way to improve the agropellets qualities. This study was conducted to identify the potential of rape stalk as a raw material for biorefinery process of rape flower. At first, rape stalk (RS)　was immersed in distillated water (DW), acetic acid (AA), oxalic acid (OA), sulfuric acid (SA) and sodium hydroxide (SH) solutions, and the content of reducing sugars liberated from immersed RS was analyzed. Secondly, the RS residues were used for the fabrication of fuel pellets. In addition to the solution type, concentration of immersion solutions (0%, 1%, 2%) and immersion time (24, 72, 120hr) were used as experimental factors. Glucose, xylose, arabinose and sucrose were detected varying with the immersion type. In particular, 1% AA-immersion of RS for 72hr was the most effective conditions to liberate glucose from RS. For properties of RS-based pellets, bulk density and higher heating value of RS-based pellets increased greatly with the immersion of RS, and the qualities were much higher than those of the A-grade pellet of the EN standards. Ash content decreased remarkably through the Immersion of RS, and was satisfied with the A-grade pellet standard. Durability negatively affected by the immersion of RS, and did not reached to B-grade of the EN standard. In conclusion, acid immersion of RS can be a pretreatment method for the production of fuel pellet and bioethanol, but use of the immersed RS for the production of high-quality pellets might be restricted due to low durability of immersed-RS pellets. Therefore, further studies, such as investigation of detailed immersion conditions, fabrication of mixed pellets with wooden materials and addition of binders, are needed to resolve the problems.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 요 약 문 ... 3
• SUMMARY ... 8
• CONTENTS ... 13
• 목 차 ... 16
• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 18
• 제 1 절 연구개발의 목적 ... 18
• 제 2 절 연구개발의 필요성 ... 18
• 제 3 절 연구개발의 내용 및 범위 ... 19
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 21
• 제 1 절 수용성 식이섬유 (펙틴) ... 21
• 제 2 절 친환경 접착제 ... 22
• 제 3 절 펠릿 ... 23
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 26
• 제 1 절 유채박을 이용한 수용성 식이섬유의 분리/정제 및 상용화 방안 수립 ... 26
• 1. 유채박을 이용한 수용성 식이섬유 (펙틴) 분리/정제 ... 26
• 가. 유채박의 화학적 처리를 통한 수용성 식이섬유의 분리 ... 27
• 나. 유채박의 생물학적 처리를 통한 수용성 식이섬유의 분리 ... 36
• 다. 생물학적 처리가 포함된 혼합공정에 의한 유채박 유래 수용성 식이섬유 (펙틴) 분리 ... 48
• 라. 현장적용을 위한 공정 개선 및 시제품 생산체계 검토 ... 69
• 2. 유채대를 이용한 수용성 식이섬유 (당) 및 바이오에탄올 생산 ... 77
• 가. 유채대로부터의 식이섬유 당 생산 ... 77
• 나. 바이오에탄올 생산을 위한 유채대의 효소당화 ... 83
• 다. 유채대를 이용한 바이오에탄올 생산 및 잔사의 이용 가능성 평가 ... 87
• 라. 약산 전처리 조건에 따른 유채대 당성분의 특성 변화 ... 99
• 제 2 절 유채박의 이차부산물을 이용한 친환경 접착제의 개발 ... 105
• 1. 바이오디젤 생산 부산물인 유채박을 이용한 친환경 접착제의 개발 ... 106
• 2. 유채박의 알칼리 가수분해물을 이용한 합판용 접착제의 개발 ... 119
• 3. 유채박의 효소 가수분해물로 조제한 접착제를 사용한 합판의 접착특성 ... 131
• 4. 유채박 (rapeseed flour)을 이용한 친환경 마루판용 접착제의 제조 및 접착성능 ... 143
• 5. 유채박을 이용한 단판적층재용 접착제의 개발 및 성능평가 ... 153
• 6. 유채박 가수분해물을 이용한 중밀도섬유판 (MDF) 제조용 접착제의 개발 ... 162
• 7. 현장적용실험을 통한 공정 개선 ... 174
• 제 3 절 유채박 및 유채대의 펠릿 연료용 원료화 제조 기술 개발 ... 183
• 1. 바이오디젤 생산 부산물인 유채박 및 유채대를 이용한 펠릿의 제조 및 연료적 특성 평가 ... 183
• 2. 바인더 첨가 및 침지처리가 유채대 펠릿의 품질에 미치는 영향 ... 193
• 3. 산가수분해한 유채대로부터 유리당의 회수 및 이의 잔사로부터 펠릿의 제조 ... 209
• 4. 파일럿 규모로 제조한 유채대 펠릿의 품질 및 상용화 가능성 평가 ... 227
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 239
• 제 1 절 제 1차년도 ... 239
• 제 2 절 제 2차년도 ... 240
• 제 3 절 제 3차년도 ... 241
• 제 4 절 제 4차년도 ... 242
• 제 5 장 연구개발 성과 및 성과활용 계획 ... 243
• 제 1 절 실용화, 산업화 계획 ... 243
• 제 2 절 교육·지도·홍보 등 기술확산 계획 ... 244
• 제 3 절 특허, 품종, 논문 등 지식재산권 확보계획 ... 244
• 제 4 절 추가연구, 타연구에 활용 계획 ... 247
• 제 5 절 경제성 분석 ... 248
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 254
• 제 1 절 유채박 및 수용성 식이섬유 (펙틴) 연구 동향 ... 254
• 제 2 절 목질계 판상재료용 친환경 접착제 ... 256
• 제 3 절 유채박 및 유채대의 펠릿 연료용 원료화 제조 기술 개발 ... 258
• 제 7 장 연구시설·장비 현황 ... 261
• 제 8 장 참고문헌 ... 264
• 연구개발보고서 초록 ... 301
• 끝페이지 ... 305