1. 서 론
전 세계는 인류의 지속가능한 성장을 위협하고 있는 지구 온난화와 에너지 고갈 등에 많은 관심을 기울이고 있다. 인류는 산업혁명 이후부터 석탄 및 석유 등 화석연료를 과다하게 사용하면서, 석유 자원의 고갈, 기후변화 및 대기오염 등의 환경 문제를 가중시켜 왔다.1) 이러한 문제를 해결하기 위하여, 세계 각국은 화석연료를 대체할 수 있는 재생 에너지의 개발에 많은 투자를 하고 있다. 바이오에너지는 이러한 대체 에너지의 일종으로 에너지화할 수 있는 생물체량을 말한다.
바이오매스는 전분질계 바이오매스(곡물, 감자 등), 목질계 바이오매스(목본, 초본, 볏짚 등 부산물), 당질계 바이오매스(사탕수수, 사탕무 등) 및 동물 단백질계 바이오매스(동물 사체, 미생물 등)로 원료의 종류에 따라 구분하는데, 이 가운데 목질계 바이오매스는 직접 연소, 가스화, 액화 및 에탄올 발효과정을 거쳐, 열, 전기, 가스, 바이오디젤과 바이오에탄올 등으로 에너지화할 수 있다. 특히, 산림바이오매스는 지구 육상 전체 바이오매스의 90%를 차지하고 있어 미래 에너지 자원으로서의 대체자원으로 잠재력이 매우 크다.2)
수목은 수종에 따라서 다르지만, 초기 생장은 빠르고 성목이 되면 생장 속도가 느려진다. 경북 의성에서 낙엽송, 리기다소나무, 잣나무의 생장 연륜폭을 분석한 결과, 식재 후 19년이 지나면서 연년 생장율이 10% 이하로 감소되었다. 상수리나무는 조림 후 17년에 연년 생장율이 10% 이하로 감소되었고, 아까시나무는 연년 생장율이 수령 13년에서 감소되기 시작하여 19년에 도달하여 급격하게 감소되었다.3)
포플러류는 빠른 생장 특성 때문에 탄소흡수원과 대체에너지 자원으로서 전 세계적으로 주목받고 있는 수종이며, 개발도상국에서는 혼농임업에 활용하기도 한다.4,5) 최근 국내에서 포플러류는 기후변화 대응 및 환경정화 수종으로 이용되어 왔으나, 대체에너지의 중요성이 높아지면서 간척지, 수변지 및 유휴지 등을 활용한 단벌기 바이오 순환림 조성의 주요 대상 수종으로 새롭게 주목을 받고 있다.
바이오 순환림은 수목의 생장이 빠른 기간 동안 바이오매스 축적을 유도하고, 생장이 느려지기 시작하면 수확하여 사용하는 것이다.6) 국내에서는 간척지, 수변지 및 유휴지 등에 파티클보드나 중밀도 섬유판의 원료로 공급하기 위하여 바이오 순환림을 조성해 오고 있다. 단벌기 바이오 순환림은 포플러류 및 버드나무류 등의 속성수를 고밀도(ha당 10,000본 기준)로 식재하여, 1-5년 주기로 목질계 바이오매스를 수확하는 단벌기 맹아림(SRC, short rotation coppice)을 말하며, 주요 수확물은 맹아지로서 펠릿 및 바이오에탄올 등 바이오에너지 원료 물질로 사용된다.7) 바이오순환림에서 중요한 것은 조성 환경에 따른 최대 생체량의 수확시기를 결정하는 것이며, 또한 단기간에 최대 생체량을 생산할 수 있는 수종과 품종을 개발하는 것이다. 본 연구에서는 단벌기 집약재배에 적합한 이태리포플러 네 개의 클론을 대규모 재배가 가능한 김포 간척지에 식재하여 클론별 바이오매스 생산 특성 및 만들어진 성분의 화학적 특성과 고체연료화 특성을 비교 분석하고자 한다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
공시재료는 김포 간척지에 식재된 이태리포플러(Populus euramericana Guinir) 네 개 클론(Dorskamp, Venziano, I-476, Eco28)을 대상으로 하였다. 2009년 포플러류를 대상으로 단벌기 목재에너지림 조성을 위한 기초 자료를 수집하기 위하여, 김포 간척지에 이태리포플러 4클론을 지상부 수확기간을 고려하여 식재하였다. 수확기간은 식재 후 1년, 2년으로 구분하였으며, 수확기간별로는 3반복으로 배치하여, 클론별로 총 90개체를 식재하였다. 식재 후 매 1년, 2년마다 지상부의 줄기를 수확하여 생장량을 측정하고자 하였다. 본 시료는 2009년에 수확구별로 식재된 이태리포플러 네 개 클론으로 부터 2014년에 수확한 1년생과 2년생 줄기로부터 얻은 수피와 목부를 사용하였다.
2.2 실험방법
2.2.1 추출물 분석
유기용매 추출물 함량을 측정하기 위하여 아세톤 추출을 진행하였다(TAPPI 204 om-88). 목분 2.0 g을 100 mL 비커에 정량하여 넣은 후 아세톤 50.0 mL을 넣어 아세톤 추출을 실시하였다. 실온에서 7시간 방치 후 여과하여 소수성 추출물 함량을 측정하였다.
친수성 추출물 함량을 측정하기 위해 열수 추출물 함량 측정을 실시하였다(TAPPI 207 om-93). 소수성 추출물이 제거된 목분 2.0 g을 250 mL 삼각플라스크에 넣은 후 증류수 150.0 mL을 첨가하여 한 시간 끓인 후 여과하여 친수성 추출물 함량을 측정하였다.
2.2.2 리그닌 분석
산 불용성 리그닌 분석은 TAPPI 222 om-88에 의거하여 진행하였다. 추출물이 제거된 목분 0.275 g를 100 mL 비커에 정량 후 72.0% 황산 4.5 mL를 첨가하여 30.0°C 한 시간 동안 1차 가수분해 하였다. 가수분해 후 증류수 145 mL를 첨가하여 250 mL 삼각플라스크에 옮겨 담은 후 120.0°C 한 시간 2차 가수분해 하였다. 2차 가수분해 종료 후 12시간 실온에 방치 후 글라스필터로 여과하여 산 불용성 리그닌 함량을 측정하였다.
산 가용성 리그닌은 Tappi useful method UM 250에 의거하여 산 불용성 리그닌 여과 후 여과된 액을 자외선 및 가시광선 분광기(UV-1601, Shimazu, Japan)로 205 nm에서의 흡광도를 측정하여 정량하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 이태리포플러 네 개 클론 수피의 화학 조성
이태리포플러 네 개 클론 수피의 화학 조성 분석 결과(Table 1) 유기용매 추출물을 2.5-4.7%로 클론별 큰 차이를 보였다. 특히 Dorskamp, Venziano 클론의 1년생에서 각각 4.3%와 4.7%로 가장 높은 유기용매 추출물 함량을 나타냈다. 열수 추출물 함량은 15.4-22.8%로 성숙목에 비해 높았다. 이는 광합성에 의해 생산된 포도당 및 기타 저분자 물질을 이동시키는 체관부와 생장에 관여하는 형성층이 수피 부근에 존재하므로 수피를 채취하는 과정에서 채관부와 형성층이 함께 채취되었기 때문에 열수 추출물 함량이 높게 나타난 것으로 판단된다.
Table 1.
Chemical composition of bark of four clones of Populus euramericana Guinir
리그닌 함량은 32.9-38.4%로 일반적으로 알려진 활엽수의 리그닌 함량(20-30%)에 비해 높게 확인 되었다. 리그닌 함량을 측정하는 방법인 Klason 리그닌 정량 법에서 측정하는 목분 내 탄닌이 많을 경우 리그닌 외 탄닌도 함께 Klason 리그닌으로 측정된다. 목재 중 탄닌이 많이 존재하는 수피 부분이기 때문에,8) 리그닌 함량 측정 결과에 탄닌이 포함되어 다른 활엽수에 비해 높은 리그닌 함량이 확인된 것으로 판단된다.
3.2 이태리포플러 네 개 클론 목부의 화학 조성
이태리포플러 네 개 클론 목부의 화학 조성 결과, Table 2에 나타낸 바와 같이 이태리 포플러 네 개 클론 목부의 추출물 함량은 수피에 비해 낮게 나타났고 재배기간이 길어질수록 감소하였다. 열수 추출물은 4.0-10.0%로 클론별, 재배기간별 큰 차이가 나타났으며 특히, Venziano 1년생의 열수 추출물 함량이 가장 높았다.
Table 2.
Chemical composition of woody core of four clones of Populus euramericana Guinir
목부 내 존재하는 리그닌 함량의 경우 24.4-28.7%로 분석되었다. 간척지에 성장한 이태리포플러 네 개 클론을 북미에서 자란 이태리포플러와 비교 했을 때, 북미에서 재배된 이태리포플러의 리그닌 함량은 17.7-23.7%로 간척지에서 성장한 이태리포플러가 북미에서 재배된 성숙한 이태리포플러에 비해 높은 수치를 나타냈다.9) Kim 등10)의 연구에 따르면 이태리 포플러 리그닌 함량이 22.3%라고 보고한 바 있으나 본 연구에서는 네 개 클론의 리그닌 함량이 이 보다 높은 24.3-28.7%로 분석되었다. 이산화탄소 비율이 높은 대기 조건에서 재배된 3년생 이태리포플러의 경우에도 리그닌 함량은 19.9-23.8%임11)을 감안한다면, 재배기간에 의한 리그닌 함량 특성으로 판단 할 수 없다.
식물은 오염 지역이나 양분이 부족한 척박한 환경에서 생장하는 경우, 매우 심한 스트레스를 받게 된다. 식물이 스트레스 환경에 놓여 있을 때, 스트레스를 극복하기 위한 방어기작을 작동시킨다. 식물의 리그닌은 복잡한 유전적 또는 생리적인 조절을 통해 함량을 증가시키거나 화학적 조성을 변화시킨다.12)
본 연구에 사용된 이태리포플러 네 개 클론은 간척지에서 생육하여 염분과 영양원이 부족한 환경에서 생육되었다. 이러한 환경으로 인하여 기존의 연구와 다르게 높은 리그닌 함량을 가진 이태리포플러가 재배된 것으로 판단된다.
3.3 이태리포플러 네 개 클론 수피의 다당류 조성
이태리포플러 네 개 클론 수피의 다당류 함량은 화학 조성 분석결과와 마찬가지로 목부의 다당류 함량에 비해 낮게 측정되었다. 이는 수피에는 목부와 다르게 형성층과 채관부로 인한 높은 추출물 함량과 탄닌 등의 물질로 인해 리그닌 함량이 높기 때문이다.
이태리 포플퍼 네 개 클론의 다당류 조성을 Table 3에서 확인한 결과 셀룰로오스의 원료가 되는 글루칸이 가장 많이 존재하였으며 자일란을 비롯한 헤미셀룰로오스의 원료가 되는 다른 다당류는 클론, 생육기간에 따라 차이가 나타났다. 다당류 조성 중 수피에서는 갈락탄 함량이 일반적인 목부에 존재하는 다당류에 비해 높게 나타났다. 이는 유령목에서 아라비노갈락탄 형태로 존재하기 때문으로 판단된다.13,14)
Table 3.
Polysaccharide composition of bark of four clones of Populus euramericana Guinir
3.4 이태리포플러 네 개 클론 목부의 다당류 조성
Table 4의 이태리포플러 네 개 클론 목부의 탄수화물 조성 분석 결과 셀룰로오스를 구성하고 있는 글루칸 함량이 가장 높게 나타났고, 활엽수의 헤미셀룰로오스를 구성하는 주성분이 자일란임을 알 수 있었다. 생육기간이 증가할수록 다당류 함량이 증가하고 특히 글루칸의 함량의 증가하였다. 셀룰로오스의 주성분이 되는 글루칸 함량이 1년생에서는 낮고, 2년생부터는 비슷하였다.9) 특히 Venziano, ECO28 클론 1년생에서 적게 나타났는데, 두 클론이 간척지 환경에서 스트레스로 인한 생장에 영향을 받기 때문으로 판단된다.
Table 4.
Polysaccharide composition of woody core of four clones of Populus euramericana Guinir
목부의 글루칸과 자일란의 비율은 4-5.5:1로 존재하였다. 하지만 이태리포플러 성숙목의 글루칸과 자일란의 비율을 확인하면, 2:1로 존재하는 것을 알 수 있다. 이러한 특성은 버드나무 유령목 분석결과와 비교 했을 때, 버드나무 유령목의 경우에도 셀룰로오스의 비율에 비해 낮은 자일란이 존재하는 3.6:1에서 크게는 6:1까지 큰 차이를 보이는 것으로 보아15) 생육기간이 짧을 경우 성숙목에 비해 목재 내 헤미셀룰로오스 비율이 낮아지는 것으로 확인 되었다.
3.5 이태리포플러 네 개 클론의 발열량
Table 5에 나타난 바와 같이 이태리포플러 네 개 클론 수피의 발열량은 19.4-20.7 MJ/kg, 목부의 발열량은 18.1-21.0 MJ/kg으로 분석되었다(Table 6). 일반적으로 목재 내 탄소비율이 높은 리그닌 함량이 높을수록 발열량이 높고, 다당류 등의 리그닌에 비해 산소가 많이 존재하는 성분이 많을수록 발열량이 낮다.16) Tables 1, 2에 나타낸 수피와 목부의 화학 조성 분석결과 수피의 리그닌 함량이 높았다. 이로 미루어 보아 리그닌이 많이 존재하는 수피의 발열량이 높은 것이 확인 되었다. 하지만 수피와 목부 리그닌 함량이 약 5-10% 차이를 보이는 것에 비해 큰 차이를 확인하기 어렵다. 리그닌 함량의 차이만큼 발열량이 차이를 보이지 않는 것은 본 연구에서는 회분 함량을 측정하지 않았지만 수피는 목부에 비해 많게는 5% 많은 회분이 존재하고, 이러한 이유로 리그닌 함량에 비해 발열량이 크게 차이나지 않은 것으로 판단된다.17)
Table 5.
Energy content of bark of four clones of Populus euramericana Guinir
| Sample | Heating value (MJ/kg) | |
|---|---|---|
| Dorskamp | 1y | 19.8 |
| 2y | 20.7 | |
| Venziano | 1y | 20.3 |
| 2y | 19.6 | |
| I-476 | 1y | 20.4 |
| 2y | 19.4 | |
| ECO28 | 1y | 19.7 |
| 2y | 19.4 | |
Table 6.
Energy content of woody core of four clones of Populus euramericana Guinir
| Sample | Heating value (MJ/kg) | |
|---|---|---|
| Dorskamp | 1y | 21.0 |
| 2y | 18.8 | |
| Venziano | 1y | 18.4 |
| 2y | 19.0 | |
| I-476 | 1y | 18.8 |
| 2y | 18.1 | |
| ECO28 | 1y | 18.4 |
| 2y | 18.3 | |
이태리포플러 네 개 클론 중 수피의 발열량이 가장 높게 나타난 클론은 Dorskamp로 리그닌 함량이 가장 높지는 않았지만, 추출물 함량이 높은 것이 확인 되었다. Venziano의 경우 4클론 수피 중 가장 낮은 리그닌 함량이 확인 되었음에도, 발열량은 ECO28에 비해 높은 것이 확인 되었다. Venziano는 다른 클론에 비해 유기용매 추출물이 높은데, 유기용매 추출물이 탄소 함량이 높은 물질로 구성되어 이러한 특성이 나타난 것으로 판단된다.
목부의 발열량도 Dorskamp 1년생 에서 가장 높게 나타났고, 그 뒤로 Venziano 2년생의 발열량이 높게 나타났다. 목부의 발열량은 화학 조성 분석에서 나타난 리그닌의 함량의 차이와 비슷한 경향이 확인 되었다. 수피와 다르게 이러한 경향이 나타난 이유는 수피에 비해 목부에서는 추출물 함량이 적어 추출물로 인한 차이가 크게 나타나지 않았기 때문으로 판단된다.
4. 결 론
이태리포플러 4개 클론의 화학적 조성 결과 해양매립지에서 재배한 이태리포플러 4개 클론 모두 리그닌함량이 높았다. 목부와 수피의 비교 결과 리그닌함량과 열수 추출물 함량이 수피에서 더 높았으며, 반면 다당류함량은 수피보다 목부가 높았다.
4개 클론 수피의 화학 조성 분석 결과 추출물 함량과 리그닌 함량은 I-476 2년생에서 가장 높게 나타났고(23.8%, 38.4%), 다당류 함량은 ECO28 1년생에서 가장 높게 확인되었다(45.7%). 목부의 경우에는 추출물 함량은 Venziano 1년생에서 높게 나타났고(11.2%), 리그닌은 Venziano 2년생에서 높게 나타났다(28.7%). 다당류 함량은 I-476 2년생에서 가장 높았다. 이태리포플러 4개 클론의 발열량를 비교한 결과 4개 클론사이에 차이는 없었다.
