KR20130005927A - 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 주원료로 하는 펠릿 및 이의 제조방법 - Google Patents

리그노셀룰로오스계 바이오매스를 주원료로 하는 펠릿 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주원료로서 리그노셀룰로오스계 바이오매스, 및 접착제로서 탈지된 단백질계 천연물질 또는 바이오매스의 당화 후 잔사로 남는 리그닌계 접착성 물질로 구성된 연료용 또는 사료용 펠릿 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 펠릿은 부식성 물질이나 유독성 연소 기체가 발생하지 않고, 제조가 용이하며, 열량이 높고, 접착제를 사용하여 종래 목질 펠렛에 비해 높은 강도를 가지므로, 연료용, 사료용 또는 애완동물의 놀이용 또는 침대 재료로 유용하게 사용될 수 있다.

Description

리그노셀룰로오스계 바이오매스를 주원료로 하는 펠릿 및 이의 제조방법 {PELLET MADE FROM LIGNOCELLUOSIC BIOMASS AND METHOD FOR THE PREPARATION THEREOF}
본 발명은 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 주원료로 하는 펠릿 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 주원료로서 리그노셀룰로오스계 바이오매스, 및 접착제로서 탈지된 단백질계 천연물질 또는 바이오매스의 당화 후 잔사로 남는 리그닌계 접착성 물질을 포함하는 펠릿 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
현대인의 일상생활과 산업활동에서 사용되고 있는 에너지원은 석유계 연료와 석탄계 연료를 포함하는 화석계 연료와 전기, 연소성 유기물로 대별될 수 있다. 석유계 연료는 이미 인간의 생활에서 주된 에너지원으로 사용되고 있지만 수급에 따라 가격이 급등락을 거듭하고 있어서 산업활동과 개인적인 삶에 미치는 영향이 지대하다. 반면에 장작이나 농업 부산물 등이 주종을 이루는 연소성 유기물인 바이오매스(biomass)는 오랜 옛날부터 인류의 변함없는 에너지원으로 사용되어왔으며, 최근 신재생에너지의 중요성이 급격하게 부각됨에 따라서 다시 주목받고 있는 에너지원이다.
바이오매스는 태양에너지를 받은 식물과 미생물의 광합성에 의해 생성되는 식물체 균체와 이를 먹고 살아가는 동물체를 포함하는 생물 유기체를 지칭한다. 따라서, 바이오매스 자원은 곡물, 감자류를 포함한 전분질계의 자원과, 초본과 임목, 볏짚, 왕겨와 같은 농수산물을 포함하는 셀룰로오스계의 자원과, 사탕수수, 사탕무와 같은 당질계의 자원은 물론, 가축의 분뇨와 사체, 미생물의 균체를 포함하는 단백질계의 자원을 포함하며, 이들 자원에서 파생되는 종이, 음식찌꺼기등의 유기성폐기물도 포함한다.
최근에는, 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터 연료용 또는 사료용 펠릿(pellet)을 제조하는 방법이 각광을 받고 있다. 상기 펠릿은 주로 경제성이 낮은 나무의 파쇄물이나 톱밥과 같은 목재산업 부산물을 이용하여 통상적으로 고온 및 고압에서 압축 성형하여 제조되므로 일반 목재에 비해 밀도와 열량이 높다. 또한 비교적 균일한 규격과 열량을 가지고 있어서 직접 땔감으로 사용될 수 있는 장작이나 기타 농업 부산물보다 운반과 사용이 편리하므로 친환경 연료로서 유망한 것으로 인식되고 있다.
그러나 현재 대부분의 펠릿의 제조에는 목재의 가공과정에서 부산물로 얻어지는 톱밥을 사용하고 있으므로 청정연료로서 급격하게 증가하고 있는 수요를 충족시키지 못하는 실정이다. 이에, 많은 양의 확보가 가능한, 해바라기 줄기, 볏짚, 보리짚, 밀짚 등의 농업 부산물, 억새나 갈대 등 에너지 작물로부터 얻어지는 바이오매스를 사용하여 펠릿을 제조하고자 하는 시도가 있었지만, 이들은 가비중이 작고 단단하지 않아서 펠릿의 제조에 부적합할 뿐만 아니라 이로부터 얻어진 펠릿은 에너지 밀도가 낮고, 생산, 운반 및 사용 과정에서 부스러지거나 마모되어 분진이 발생할 수 있으며, 그 정도 역시 원료 물질의 종류에 따라 상당히 달라질 수 있는 문제가 있다. 이를 개선하기 위해, 크라프트법(kraft process)을 이용한 펄프의 제조 과정 중 부산물로 발생하는 리그닌(lignin)을 다량 함유하는 흑액(black liquor)을 접착제로 사용하여 비중과 에너지 밀도가 높은 펠릿을 제조하는 방법이 개발되었으나, 상기 펠릿은 황(sulfur) 성분을 대량 함유하고 있어서 연소 과정에서 황산화물에 의한 부식과 유독성 연소 기체의 발생을 피할 수 없다(The Pellet Handbook: The Production and Thermal Utilization of Biomass Pellets, Ingwald Obernberger and Gerald Thek, Earthscan Publications, 2011).
따라서 가비중이 작고 무른 성질의 다양한 초본계 바이오매스를 원료로 하면서 부식성 물질이나 유독성 연소 기체가 발생하지 않고, 제조가 용이하고, 열량이 높으며, 제조 후 최종적으로 소비될 때까지 부스러지거나 마모되어 발생하는 분진이 거의 없는 새로운 조성의 펠릿과 그의 제조 방법이 요구된다.
이에 본 발명자들은 해바라기, 대마 혹은 아주까리 등의 농업 생산물의 수확 후 발생하는 줄기, 자연계에서 얻을 수 있는 갈대, 억새 등 일년생 혹은 다년생 초본류와 같은 리그노셀룰로오스계 바이오매스에 적절한 접착제를 첨가하여 종래 펠릿의 단점을 개선한 펠릿을 제조할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
따라서 본 발명의 목적은 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 주원료로 하면서, 열량이 높은 동시에 생산 후 소비될 때까지 제품의 파손이나 마모에 의한 분진의 발생이 없을 정도의 강도를 갖는 펠릿을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 펠릿을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (1) 주원료로서, 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 파쇄물 또는 분쇄물; 및 (2) 접착제로서, 탈지된 단백질계 천연물질 또는 바이오매스의 당화 후 잔사로 남는 리그닌계 접착성 물질을 포함하는 펠릿을 제공한다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 1) 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 분쇄 또는 파쇄시키는 단계; 2) 상기 분쇄물 또는 파쇄물에 탈지된 단백질계 천연물질 또는 바이오매스의 당화 후 잔사로 남는 리그닌계 접착성 물질을 첨가하는 단계; 및 3) 얻어진 혼합물을 고온에서 압축 성형하여 펠릿 형태로 제조하는 단계를 포함하는 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터 펠릿을 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 펠릿은 가비중이 작고 무른 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 주원료로 하고, 식품공업의 부산물로 얻어지는 각종 유박 또는 바이오매스 유래 당용액의 제조과정 중에 부산물로 얻어지는 당화 잔사를 접착제로 사용하여 제조되므로, 사용 원료의 공급이 용이하고, 부식성 물질이나 유독성 연소 기체가 발생하지 않으며, 제조가 용이하고, 열량이 높으며, 굴곡강도가 높으므로, 연료용, 사료용, 또는 애완동물의 놀이용 또는 침대 재료로 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명은 (1) 주원료로서, 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 파쇄물 또는 분쇄물; 및 (2) 접착제로서, 탈지된 단백질계 천연물질 또는 바이오매스의 당화 후 잔사로 남는 리그닌계 접착성 물질을 포함하는 펠릿을 제공한다.
본원에 사용된 용어 '바이오매스'는 태양에너지를 이용한 광합성 과정을 통하여 생성되는 식물과 미생물 및 이를 먹고 생장하는 동물체 등 자연계 순환의 전 과정에서 생성되는 유기성 생물체를 통틀어 지칭한다. 이들 바이오매스의 원료로는 농산잔여물(볏짚, 옥수수 대와 줄기, 당분 찌꺼기, 조면기 쓰레기, 야자유 폐기물), 바이오매스용으로 특별히 재배한 작물(옥수수, 잡초, 사탕수수, 성장이 빠른 목재), 종이(리사이클 신문지, 제제공장 슬러지, 분류된 도시 고형 폐기물), 목재 폐기물 등이 포함된다. 이들 바이오매스는 그 성분을 고려하여 전분계, 리그노셀루로오스계 바이오매스, 식물유와 단백질로 구분된다.
본 발명에 사용된 '리그노셀룰로오스계 바이오매스(lignocellulosic biomass)'는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌으로 구성된 식물 바이오매스를 지칭하며, 보다 바람직하게는 초본류 바이오매스를 지칭한다.
본 발명의 펠릿은 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 파쇄물 또는 분쇄물을 주원료한다. 상기 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 파쇄물 또는 분쇄물은 가비중이 작은 통상적으로 농업 생산을 목적으로 작물을 재배하고 목적물을 수확한 후 부산물로 발생하는 작물의 줄기, 자연에서 얻어지는 갈대, 억새 등 일년생과 다년생 초본의 파쇄물 혹은 분쇄물을 의미한다. 바람직하게는, 상기 주원료인 리그노셀룰로오스계 바이오매스는 초본류일 수 있다. 상기 초본류의 예로는 해바라기, 대마, 아주까리, 유채, 갈대, 억새, 볏짚, 보리짚, 밀짚 등의 통상적인 일년생 또는 다년생 초본의 주간과 가지 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는, 상기 초본류는 해바라기 줄기, 억새 줄기, 갈대 줄기, 및 이의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 상기 초본류는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌이 주성분이므로 '리그노셀룰로오스계 바이오매스'라 칭하며, 상기 바이오매스는 재배된 후 흙과 같은 이물질을 제거하고 풍건한 후 파쇄 혹은 분쇄하여 사용될 수 있다.
상기 바이오매스 파쇄물 또는 분쇄물은 통상적으로 양지 혹은 음지에서 자연적으로 풍건한 다음 통상적인 방법으로 파쇄하거나 분쇄하여 제조된다. 또한, 균일한 강도의 펠릿을 제조하기 위해, 압축 성형하기 직전의 수분함량이 8 내지 12%가 되도록 조절될 수 있으며, 필요한 경우 건조공기나 열풍을 이용하여 추가로 건조될 수 있다.
본 발명의 펠릿의 제조를 위한 바이오매스 파쇄물 또는 분쇄물은 입경이 작을수록 펠릿 모양으로 성형하기 쉽지만 분쇄과정에서 소요되는 제반 비용 및 성형 후 마찰에 의해 발생할 수 있는 분진을 고려할 때 거칠게 분쇄하는 것이 바람직하다. 파쇄물 또는 분쇄물의 최대 입경은 사용되는 바이오매스의 종류에 따라서 달라질 수 있지만, 펠릿의 직경보다 작은 것이 바람직하며, 예컨대 직경 7 mm의 펠릿을 제조시, 상기 파쇄물 또는 분쇄물은 6 mm 이내의 입경이 되도록 분쇄하여도 압축 성형에 큰 지장이 없다.
본 발명에 따른 펠릿의 주원료로 상기 설명한 바와 같이 한 가지 종류의 바이오매스가 사용될 수도 있지만, 종류가 다른 바이오매스를 혼합하여 사용할 수도 있으므로 원료의 조합에 특별히 제한을 두지는 않는다.
본 발명의 펠릿은 접착제로서 탈지된 단백질계 천연물질 또는 바이오매스의 전처리와 당화 후 잔사로 남는 리그닌계 접착성 물질을 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 펠릿의 제조에 접착제로서 사용되는 탈지된 단백질계 천연물질은 펠릿의 강도 저하의 원인이 될 수 있는 지방을 거의 함유하지 않으면서 동시에 천연 단백질을 다량 함유한 물질로서, 단백질 함량이 건조중량의 20% 이상인 경우 그 종류에는 특별히 제한되지 않는다. 단백질계 천연물질의 대표적인 예로는 기름을 짜거나 추출하고 남은 유박(깻묵)을 들 수 있으며, 상기 유박의 예로는 해바라기 유박, 유채종자 유박(유채박), 아주까리 유박 및 대두박 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 펠릿의 제조에 접착제로서 사용되는 바이오매스의 전처리와 당화 후 잔사로 남는 리그닌계 접착성 물질은 천연 리그닌을 다량 함유하는 물질로서, 리그닌 함량이 건조중량의 50% 이상인 경우 그 종류에는 특별히 제한되지 않는다, 상기 리그닌계 접착성 물질의 대표적인 예로는 바이오매스를 열수 전처리(autohydrolysis), 암모니아 전처리(ammonia pretreatment) 혹은 증기폭쇄(steam explosion) 등으로 전처리하고 화학약품을 제거한 다음, 효소당화에 의해 당용액을 제조하는 과정에서 부산물로 얻어지는 '당화 잔사'(이하 '당화 잔사'라 함)와, 상기 전처리 후 동시당화발효에 의해 얻어지는 '발효 잔사'(이하'발효 잔사'라 함)를 들 수 있다.
본 발명의 펠릿에 사용되는 상기 접착제는 바이오매스 파쇄물 또는 분쇄물과 혼합된 채로 펠릿으로 성형되며, 이때 고온과 고압에서 상호 가교를 형성함으로써 접착제 역할을 하게 되므로, 밀도가 낮아 무르고 압축 후 복원력이 큰 리그노셀룰로오스 바이오매스를 접합하여 펠릿으로 형성시킬 수 있다. 특히, 본 발명의 펠릿 제조에 접착제로서 당화 잔사 또는 발효 잔사가 사용되는 경우, 제조된 펠릿은 탄소의 비율이 상대적으로 높은 리그닌이 더 높은 농도로 함유되어 있으므로 통상의 펠릿에 비해 비중이 크고 연소시 더 많은 열량을 낼 수 있어 연료용 펠릿으로서 더 유용하다.
본 발명의 펠릿에서, 주원료인 리그노셀룰로오스계 바이오매스 파쇄물 또는 분쇄물과 접착제인 단백질계 천연물질 또는 리그닌계 접착성 물질의 혼합 비율은 주원료인 바이오매스의 종류와 분말도에 따라 달라질 수 있지만 9 : 1 내지 999 : 1의 중량비(건물중)로 혼합되는 것이 바람직하다.
상기 성분 이외에도, 곡물가루 등의 전분성 재료, 혹은 콩 등의 단백질성 천연 재료가 추가로 사용될 수 있으며, 그 첨가 비율은 펠릿의 강도를 떨어뜨리지 않는 한 크게 제한되지는 않는다.
본 발명에 따른 연료용 또는 사료용 펠릿은 당 분야에 공지된 임의의 형태, 예를 들면, 펠릿 또는 브리켓 형태로 성형될 수 있다. 상기 펠릿의 크기는 특별한 제한이 없으며, 그 예로써 직경 6-8 mm 및 길이 40 mm 미만의 실린더 모양일 수 있다.
한편, 본 발명은 1) 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 분쇄 또는 파쇄시키는 단계; 2) 상기 분쇄물 또는 파쇄물에 탈지된 단백질계 천연물질 또는 바이오매스의 전처리와 당화 후 잔사로 남는 리그닌계 접착성 물질을 첨가하는 단계; 및 3) 상기 혼합물을 고온에서 압축 성형하여 펠릿 형태로 제조하는 단계를 포함하는, 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터 펠릿을 제조하는 방법을 제공한다.
상기 단계 1 및 단계 2는 위에서 설명한 바와 같다. 상기 단계 3은 단계 1 및 2를 통해 얻어진 혼합물을 압축 성형기에 투입하여 고온과 고압으로 성형하는 단계이다. 이때 성형기에 부과하는 압축력과 성형 온도는 바이오매스의 종류와 접착성 물질의 혼합 비율에 따라 달라질 수 있으며, 압축력과 성형 온도는 서로 상보적인 관계에 있으므로 일정한 범위 내에서 조절이 가능하다. 본 발명의 일 구체예에서, 상기 압축과 성형은 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 소성과 단백질계 천연물질 또는 리그닌계 접착성 물질의 가교형성 반응이 충분히 일어날 수 있는 온도와 압력 하에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 150 내지 250℃의 온도 및 500 내지 3000kgf/cm2 의 압력 하에서 수행될 수 있다. 이러한 조건에서 압축 성형된 펠릿은 비중이 크고 단단하므로 제조, 운송 및 취급 과정에서 분진의 발생이 적은 동시에 연소시 열량이 매우 높다.
이하 본 발명을 하기 실시예 및 시험예에 의거하여 좀더 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예 및 시험예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 해바라기 줄기를 이용한 펠릿의 제조 (1)
<1-1> 리그노셀룰로오스계 바이오매스 분쇄물의 제조
해바라기의 잎을 제거하고 줄기를 골절기를 이용하여 2 cm 내외의 길이로 자른 다음, 1개월 가량 자연 건조하였다. 분쇄기(cutting mill)를 사용하여 직경 5 mm 이하 혹은 20 메쉬(0.85 mm) 이하로 분쇄한 다음, 수분 함량이 10% 내외가 될 때까지 건조하여 초본류 바이오매스 분쇄물(이하, 각각 해바라기 줄기 분쇄물)을 제조하였다.
<1-2> 해바라기 유박의 제조
유지용 해바라기 종자의 종피를 제거하고 유발로 분쇄한 다음 속시렛(soxhlet) 추출기를 이용하여 헥산으로 유분을 추출 제거하였다. 이를 상온에서 건조한 다음 20 메쉬 이하의 분말로 분쇄하였다. 상기 분쇄물을 수분함량이 10% 내외가 되도록 40도 열풍건조기로 건조하여 해바라기 유박을 제조하였다. 대한민국 식품공전에 의거하여 수분함량과 단백질 함량을 측정한 결과, 각각 10% 및 49%였다.
<1-3> 펠릿의 제조
상기 실시예 <1-1>의 해바라기 줄기 분쇄물 98 g과 상기 실시예 <1-2>의 해바라기 유박 2 g을 혼합하고 단일펠릿제조기(single pellet press unit; 자체 제작)를 이용하여 온도 180℃, 압력 1500 kgf/cm2으로 압축한 후 3분간 머무르게 하였다가 배출함으로써 직경 7 mm 및 길이 15 mm의 펠릿을 제조하였다.
실시예 2: 해바라기 줄기를 이용한 펠릿의 제조 (2)
상기 실시예 <1-2>의 해바라기 유박 대신에 하기 <2-2>에서 제조된 대두박을 사용하는 것을 제외하고, 실시예 1을 반복하여 펠릿을 제조하였다.
<2-2> 대두박 분말의 제조
시중에서 구입한 메주콩(품종명: 황금콩)을 구입하고 조분쇄하였다. 속시렛(soxhlet) 추출기를 이용하여 헥산으로 유분을 추출 제거하고 20 메쉬 이하로 분쇄하여 대두박을 제조하였다. 대한민국 식품공전에 의거하여 수분함량과 단백질 함량을 측정한 결과, 각각 10% 및 51%였다.
실시예 3: 해바라기 줄기를 이용한 펠릿의 제조 (3)
상기 실시예 <1-2>의 해바라기 유박 대신에 하기 <3-2>에서 제조된 해바라기 줄기 당화 잔사를 사용하는 것을 제외하고, 실시예 1을 반복하여 펠릿을 제조하였다.
<3-2> 해바라기 줄기 당화 잔사의 제조
상기 실시예 <1-1>의 20 메쉬 이하로 분쇄한 해바라기 줄기 분쇄물 120 g을 고압반응기(Parr 4526 Bench Top Reactor, Parr Instrument Company, 미국)에 넣고 물 1,380 mL를 가한 다음 혼합하였다. 이를 180℃까지 가열하고 30분간 유지하여 열수 전처리(autohydrolysis 혹은 hydrothermolysis)하였다. 상기 전처리물을 발효기 용기에 옮기고 수산화나트륨을 가하면서 산도를 5.0 내외로 조정한 다음, 오토클레이브에 넣어 멸균하였다. 상온으로 식힌 다음 클린벤치에 넣고 공업용 셀루라아제 칵테일(Cellic CTec2, 미국 Novozymes 제품) 60 mL를 가하였다. 이후, 발효기에 장착하고 산도를 5.0으로 조정한 다음 분당 250 회의 속도로 교반하면서 당화하였다. 당화 24시간 후 내용물을 여과하고 잔사를 20 L의 물로 세척하였다. 상기 세척된 잔사를 40℃에서 3일간 동안 건조하고 가정용 커피믹서로 분쇄하여 본 발명의 리그닌계 접착성 물질인 당화 잔사를 제조하였다. 상기 당화 잔사의 리그닌 함량과 단백질 함량을 각각 미국 NREL의 표준분석법과 대한민국 식품공전에 의거하여 측정한 결과 약 10% 및 약 80%였다.
실시예 4: 해바라기 줄기를 이용한 펠릿의 제조 (4)
상기 실시예 <1-2>의 해바라기 유박 대신에 상기 <3-2>에서 제조된 해바라기 줄기 당화 잔사를 사용하고, 상기 실시예 3의 해바라기 줄기 당화 잔사를 해바라기 줄기 분쇄물과 혼합시 2 g 대신에 1 g을 사용하는 것을 제외하고, 실시예 1을 반복하여 펠릿을 제조하였다.
실시예 5: 갈대 줄기를 이용한 펠릿의 제조 (1)
상기 실시예 <1-1>의 해바라기 줄기 대신에 갈대 줄기를 사용하는 것을 제외하고, 실시예 1을 반복하여 갈대 줄기 분쇄물을 이용한 펠릿을 제조하였다.
실시예 6: 갈대 줄기를 이용한 펠릿의 제조 (2)
상기 실시예 2의 해바라기 줄기 대신에 갈대 줄기를 사용하는 것을 제외하고, 실시예 2를 반복하여 갈대 줄기 분쇄물을 이용한 펠릿을 제조하였다.
실시예 7: 갈대 줄기를 이용한 펠릿의 제조 (3)
상기 실시예 3의 해바라기 줄기 대신에 갈대 줄기를 사용하는 것을 제외하고, 실시예 3을 반복하여 갈대 줄기 분쇄물을 이용한 펠릿을 제조하였다.
실시예 8: 갈대 줄기를 이용한 펠릿의 제조 (4)
상기 실시예 4의 해바라기 줄기 대신에 갈대 줄기를 사용하는 것을 제외하고, 실시예 4를 반복하여 갈대 줄기 분쇄물을 이용한 펠릿을 제조하였다.
비교예 1 : 대조용 시판 목재 펠릿
본 발명의 초본류 펠릿과의 비교를 위하여, 시중에 유통 중인 한나모목재펠릿 1급(산림조합중앙회 목재유통센터)을 구입하였다. 상기 펠릿의 가비중은 0.64이고, 수분은 10% 이하이며 회분은 0.7% 이하였다.
비교예 2 : 해바라기 줄기를 이용한 펠렛
실시예 1에서 접착제를 사용하지 않고 해바라기 줄기 분쇄물만을 이용하여 페릿을 제조하였다.
비교예 3 : 갈대 줄기를 이용한 펠렛
실시예 5에서 접착제를 사용하지 않고 갈대 줄기 분쇄물만을 이용하여 페릿을 제조하였다.
시험예 1 : 펠릿의 굴곡강도 측정
상업적으로 유통될 수 있는 연료용 펠릿은 제조 후 소비자가 사용할 때까지 유통과정에서 분진이 많이 발생하지 않아야 하며, 이는 일반적으로 내마모성의 측정을 통해 확인할 수 있다. 그러나 본 발명에서는 이를 대신하여 펠릿의 강도를 간접적으로 나타내는 굴곡강도를 측정하였다. 상기 실시예 1 내지 4에서 제조한 본 발명의 펠릿과 비교예 1 및 2의 펠릿의 굴곡강도를 유니버셜 시험기구(Universal Testing Machine; 모델명 4482, 미국 Instron사)로 측정하였으며, 이때 교차 헤드 스피드(cross head speed)는 3 mm/분, 풀 스케일 로드 범위(full scale load range)는 100kgf였다. 굴곡강도 측정은 5회 반복하여 수행하였고, 결과를 평균치와 표준편차로서 표 1에 나타내었다.
펠릿 종류 조성 굴곡강도(kgf)
실시예 1 해바라기 줄기 98 g+ 해바라기 유박 2 g 5.1±0.7
실시예 2 해바라기 줄기 98 g+ 대두박 2 g 5.0±1.3
실시예 3 해바라기 줄기 98 g + 당화 잔사 2 g 4.8±1.9
실시예 4 해바라기 줄기 99 g + 당화 잔사 1 g 4.7±0.8
비교예 1 목재 4.0±1.8
비교예 2 해바라기 줄기 100 g 3.9±1.2
시험예 2 : 펠릿의 굴곡강도 측정
상기 실시예 5 내지 8에서 제조한 갈대 분쇄물을 이용한 펠릿과 비교예 1 및 3의 펠릿의 굴곡강도를 시험예 1과 동일한 방법으로 측정하였다. 측정 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
펠릿 종류 조성 굴곡강도(kgf)
실시예 5 갈대 줄기 98 g+ 해바라기 유박 2 g 5.1±1.1
실시예 6 갈대 줄기 98 g+ 대두박 2 g 4.9±1.0
실시예 7 갈대 줄기 98 g + 당화 잔사 2 g 4.7±1.3
실시예 8 갈대 줄기 99 g + 당화 잔사 1 g 4.7±0.8
비교예 1 목재 4.0±1.8
비교예 3 갈대 줄기 100 g 3.7±1.5
상기 표 1 및 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 해바라기 줄기 또는 갈대 줄기만을 사용하여 제조한 펠릿은 시판 목재 펠릿보다 굴곡강도가 약하였다. 이는 초본류 자체가 가비중이 작고 단단하지 않기 때문이다. 반면에, 접착제로서, 해바라기 유박, 대두박, 및 바이오매스 열수 전처리 후 효소당화로 제조한 당화 잔사를 첨가한 펠릿은 굴곡강도가 현저하게 증가하였으며, 그 강도가 시판 목재 펠릿보다 큰 것으로 나타났다.
상기 결과는 해바라기 줄기, 억새 줄기 및 갈대 줄기 등의 초본계 바이오매스를 원료로 하는 원료용 또는 사료용 펠릿의 제조시, 대두박, 해바라기 유박 등의 단백질계 천연물질이나 바이오매스를 열수 전처리, 암모니아 전처리 및 증기폭쇄 전처리한 후 효소당화하여 당용액을 제조하는 과정에서 부산물로 얻게 되는 당화 잔사 등을 첨가하면 통상의 시판 목제 펠릿보다 높은 강도를 갖는 펠릿을 제조할 수 있음을 보여준다.

Claims (10)

  1. (1) 주원료로서, 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 파쇄물 또는 분쇄물; 및
    (2) 접착제로서, 탈지된 단백질계 천연물질 또는 바이오매스의 당화 후 잔사로 남는 리그닌계 접착성 물질
    을 포함하는 펠릿.
  2. 제1항에 있어서, 상기 리그노셀룰로오스계 바이오매스가 초본류인 것을 특징으로 하는 펠릿.
  3. 제2항에 있어서, 상기 초본류가 해바라기, 대마, 아주까리, 유채, 갈대, 억새, 보리짚, 밀짚 및 볏짚으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 펠릿.
  4. 제3항에 있어서, 상기 초본류가 해바라기 줄기, 억새 줄기, 갈대 줄기, 및 이의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 펠릿.
  5. 제1항에 있어서, 상기 탈지된 단백질계 천연물질이 유박인 것을 특징으로 하는 펠릿.
  6. 제5항에 있어서, 상기 유박이 대두박, 유채박, 아주까리 유박 및 해바라기 유박으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 펠릿.
  7. 제1항에 있어서, 상기 바이오매스의 당화 후 잔사로 남는 리그닌계 접착성 물질이 바이오스매스를 전처리한 후 효소 당화하는 과정에서 생성되는 부산물인 당화 잔사 또는 바이오스매스를 전처리한 후 동시당화발효하는 과정에서 생성되는 부산물인 발효 잔사인 것을 특징으로 하는 펠릿.
  8. 제7항에 있어서, 상기 전처리가 열수 전처리, 암모니아 전처리 또는 폭쇄 전처리인 것을 특징으로 하는 펠릿.
  9. 제1항에 있어서, 상기 주원료와 접착제의 혼합 비율이 9 : 1 내지 999 : 1의 중량비인 것을 특징으로 하는 펠릿.
  10. 1) 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 분쇄 또는 파쇄시키는 단계;
    2) 상기 분쇄물 또는 파쇄물에 탈지된 단백질계 천연물질 또는 바이오매스의 당화 후 잔사로 남는 리그닌계 접착성 물질을 첨가하는 단계; 및
    3) 얻어진 혼합물을 고온에서 압축 성형하여 펠릿 형태로 제조하는 단계
    를 포함하는 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터 펠릿을 제조하는 방법.
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