농촌진흥청, 버려지는 밀짚을 친환경 소재 원료로 활용 가능성 확인해 밀짚 유래 섬유소 추출 기술 개발, 미생물 발효 영양원으로 활용 가능

농촌진흥청, 버려지는 밀짚을 친환경 소재 원료로 활용 가능성 확인해

밀짚 유래 섬유소 추출 기술 개발, 미생물 발효 영양원으로 활용 가능

밀짚의 셀룰로오스 함량, 기존 32.4%에서 46.6%로 약 14%포인트 높여

 

최근 국내에서 밀 재배가 늘어나면서 부산물인 밀짚 발생량이 ’20년 5,200ha 1만2천톤, ’24년 9,500ha 2만6천톤(출처:한국농촌경제연구원)으로 증가하고 있다.

 

대부분 섬유소로 구성된 밀짚은 환경친화적이고 지속 가능해 바이오플라스틱과 같은 친환경 소재 원료로 활용 가능성이 크지만, 대부분 버려지고 있다.

 

농촌진흥청(청장 이승돈)은 버려지던 밀짚 속 섬유소를 추출해 미생물 발효과정에 필요한 영양원인 당으로 전환하는 기술을 개발, 친환경 소재 원료로서 가능성을 확인했다.

 

밀짚에는 셀룰로오스(포도당(Glucose) 분자가 선형 사슬로 연결된 다당류)가 30〜35%, 헤미셀룰로오스(다양한 복합 당(자일로스, 아라비노스 등)이 짧은 가지 구조로 연결된 다당류)가 20〜25%가 함유돼 있다.

 

이를 산이나 알칼리 촉매로 추출한 뒤 효소 처리로 분해하면 글루코스와 같은 단당류로 전환할 수 있다.

 

이렇게 얻은 당은 미생물 발효과정을 거쳐 바이오플라스틱 원료로 다시 활용(공정단계: 밀짚 → 섬유소 추출 → 당화(단당류) → 미생물 발효 → 바이오소재)할 수 있다.

 

이를 위해서는 밀짚에서 셀룰로오스 같은 섬유소를 추출하는 과정이 중요하다.

 

기존에는 화학약품을 주로 사용했으나, 추출 효율이 낮으며, 한번 사용 후 버려지기 때문에 폐수처리 비용 및 환경 부담이 증가하는 문제가 있었다.

 

이번 연구에서는 콜린클로라이드(비타민 B군의 한 종류로, 소금처럼 생긴 하얀 가루이며 다른 물질과 섞어 친환경 용매를 만들 때 주로 사용됨)와 글리세롤(무색무취의 액체로, 화장품·식품에 널리 쓰이는 안전한 3가 알코올 성분)을 섞은 친환경 공융용매(3.2% 알칼리 첨가) 처리기술을 적용해 밀짚의 셀룰로오스 함량을 기존 32.4%에서 46.6%로 약 14%포인트 높였다.

 

전자현미경에서도 셀룰로오스 구조가 뚜렷하게 관찰됐다.

 

추출한 셀룰로오스가 당으로 전환되는 전환 수율도 기존 14%에서 93%로 높아져 미생물 발효의 주요 영양원으로 활용할 수 있음을 확인했다.

 

공융용매 처리 전후 밀짚의 미세구조 ( 왼쪽 무처리 ,  오른쪽 처리 )( 전자현미경  2000 배 )

 

농촌진흥청은 공융용매 활용 기술인 ‘농업 바이오매스로부터 발효당을 생산하기 위한 공융용매 및 알칼리성 수성촉매의 최적화 전처리 방법 및 이를 이용한 발효당 생산 방법’(10-2024-0188643)‘을 특허출원했다.

 

앞으로 이 기술을 통해 밀짚에서 당을 안정적·경제적으로 생산하는 공정을 확립하고, 농업부산물을 활용한 바이오소재 연구를 확대할 계획이다.

 

농촌진흥청 소득식량작물연구소 한선경 소장은 “이번 연구는 버려지는 농업부산물에서 섬유소를 대량 추출할 수 있는 친환경 기술을 마련한 것”이라며, “이를 활용해 다양한 바이오소재 산업 기반을 구축, 강화할 수 있기를 기대한다”고 전했다.

 

◈ 알칼리 수용액 혼합 심층 공융용매 처리에 따른 특성 평가

 

□ 알칼리 수용액 비율별 성분 함량 비교

 

○ 알칼리 수용액 혼합 비율별(10:0, 9:1ns1, 8:2ns2, 7:3ns3, 6:4ns4, 5:5ns5)에 따른 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌 함량을 조사하였음 .

○ 리그닌 제거 효율은 NaOH 수분함량이 증가함에 따라 공융용매의 희석도가 높아질수록 유의미하게 개선되었음.

○ 본 연구에서 공융용매 전처리 후 밀짚의 고형물 회수율은 86.13%로 나타났으며, 알칼리성 수용액의 첨가로 인해 공융용매가 희석될수록 회수율이 점진적으로 감소하여 최대 51%까지 낮아짐.

○ 20 vol%까지의 수분함량에서는 60% 이상의 고형물 회수율과 각각 95%, 60% 이상의 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스 회수율을 유지함.

 

표1. 공융용매 전처리된 밀짚 샘플의 조성 및 성분 정보

공융용매 및 알칼리 용액 혼합 비율	고형물 회수율 (%)	성분 함량(%)			성분 회수 및 제거율(%)
		셀룰로오스	헤미셀룰로오스	리그닌	셀룰로오스 회수율	헤미셀룰로오스 회수율	리그닌 제거율
Wheat straw	100	32.45±4.25	24.92±4.67	27.62±4.49	-	-	-
DES(공융용매)	86.13	36.81±0.20	30.20±0.07	21.86±0.09	96.09	80.16	20.85
DES-ns1	76.83	40.39±0.10	29.41±0.06	16.69±0.66	95.68	69.64	39.57
DES-ns2	66.76	46.59±0.17	31.53±0.18	14.32±0.20	95.88	64.87	48.15
DES-ns3	57.43	49.84±0.38	32.30±0.59	9.92±0.12	88.25	57.17	64.08
DES-ns4	58.23	51.01±0.09	32.39±0.09	6.59±0.28	91.57	58.13	76.14
DES-ns5	57.30	51.77±0.04	33.41±0.05	7.26±0.03	91.46	59.00	73.71

 

□ 밀짚 원료 및 전처리 고형물의 특성화

 

○ 밀짚 원시료와 순수 공융용매로 처리된 밀짚은 낮은 다공성을 가지며, 비교적 매끄럽고 조밀한 섬유질 구조를 나타냄 .

○ 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스 섬유는 외부 표면의 리그닌층으로 보호되고 덮여있는 형태를 보여줌.

○ 공융용매에 20 vol% 알칼리 수용액을 첨가한 경우, 탈리그닌화가 더욱 촉진되면서 밀짚 구조가 느슨해지고, 순수 및 10 vol%가 추가된 공융용매로 전처리한 밀짚에 비해 다공성이 높은 거친 표면을 형성

 

 

○ 20 vol%까지의 수분함량에서는 60% 이상의 고형물 회수율과 각각 95%, 60% 이상의 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스 회수율을 유지함.

 

그림 1. 공융용매 처리된 밀짚의 구조 확대 이미지

 

□ 공융용매 처리 밀짚의 효소분해 및 전처리조건 최적화

 

○ 순수 DES 전처리 샘플의 경우 글루코스와 자일란의 당화율이 각각 24.63% 및 12.20%로 크게 증가하였으나, 기존 DES 전처리 연구 결과와 비교했을 때, 당화율이 다소 낮은 수준임.

○ 알칼리 수용액으로 희석된 DES로 전처리한 샘플에서는 글루코스 당화율이 최소 71.05%부터 최대 98.20%까지 개선되었으며, 이는 순수 DES 전처리에 비해 3-4배 높은 수준임.

 

그림 2. 공융용매 처리에 따른 포도당(glucose) 및 목당(xylose)

 

□ 공융용매 처리 밀짚의 효소분해 및 전처리 조건 최적화

 

○ 모델의 정확도(Model accuracy)를 설명하는 결정 계수 (R²)는 설계가 유효함을 나타내며 포도당 수율에 대해 얻은 R²는 0.9605로 설계 모델이 실험 데이터의 96.05%의 정확도를 설명할 수 있음.

○ 예측된 최적 조건은 NaOH 농도 3.2%, 반응 시간 102분, 반응 온도 132°C로, 이 조건에서의 최대 예측 수율은 93.01%였으며, 바람직성 값은 1.00으로 매우 높은 수준을 보임.

○ 반응표면분석모델의 예측 정확도를 검증하기 위해 동일한 최적 조건에서 반복 실험을 수행한 결과, 평균 Glucose Yield는 93.47 ± 0.54%로 나타났으며, 이는 예측값과 유의미한 차이(p > 0.05)가 없음을 보여줌.

그림 3. NaOH 농도, 반응 시간, 반응 온도 비율이 포도당 수율에 미치는 결합 효과

<김진일 기자>

 

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