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 옥수수 에탄올(corn ethanol)을 건조시키는 친환경적이고 에너지 효율적인 대체 방법이 퍼듀대학(Purdue University) 연구팀에 의해 개발되었다.
농생물공학 분야의 석좌교수(distinguished professor)인 Michael Ladisch, 퍼듀대학 연구과학자인 김영미(Youngmi Kim)와 식품회사인 아처대니얼스미들랜드(Archer Daniels Midland)의 Ahmad Hilaly는, tapioca pearl이 에탄올에서 수분을 제거하는데 이상적인 모양과 구조를 갖고 있다는 것을 발견하였다. 본 발견은 Industrial & Engineering Chemistry Research지 7월호에 게재된 바 있다.
발효 후 에탄올에는 대략 6 ~ 12%의 수분이 함유되어 있으며, 연료등급의 에탄올로 사용하기 위해서는 수분을 반드시 제거해야 한다. 많은 에탄올 생산공장에서는 수분을 흡수하기 위해 옥수수 가루(corn grit)를 사용하거나, 물 분자만을 포획하는 작은 세공을 지는 실리카 기반의 입자인 분자체(molecular sieves)를 사용하고 있다. Ladisch 와 Kim은 기존의 옥수수 가루 흡수체보다 tapioca pearl의 성능이 더 뛰어나다는 것을 발견하였다.
모든 전분은 물을 흡수하는 성질이 있다. Tapioca pearl은 더 많은 물을 흡수할 수 있는 응집된 카사바 전분(cassava starch) 입자로 구성되어 있다고 Kim은 밝혔다.
실험에 따르면 옥수수의 경우보다 tapioca가 34%의 물을 더 많이 흡수하는 것을 나타났다. 분자체는 비록 효과적이지만 결국 마모됨으로써 폐기해야 하는 폐기물을 만들어 내게 된다. 반면, Tapioca는 건조 후 재사용할 수 있으며, 마모가 되면 에탄올 생산에 사용할 수 있다. Tapioca는 매우 효율적이기 자연에서 구할 수 있는 것이므로 폐기물 문제가 발생하지 않는다. 때문에 더욱 친환경적이라고 Ladisch는 강조하였다.
구형의 Tapioca pearl은 옥수수 가루와 다른 구조를 하고 있다. 옥수수 가루는 고형이고 불규칙한 모양의 입자인 반면, tapioca pearl은 젤라틴 전분을 함유하고 있어서 건조된 전분 입자를 뭉치게 함으로써 표면적을 크게 증가시키는 역할을 하고 있다.
비록 tapioca pearl의 100% 전분이지만, 옥수수 가루는 섬유소, 단백질 및 수분을 흡수하는데 그리 효율적이지 못한 다른 성분들을 포함하고 있다. Tapioca pearl과 같은 전분 기반의 흡수체는 건조 과정에서 발생하는 열을 흡수하며, 건조상(drying bed)을 재생하는 동안 물을 증발하는데 그 열을 재사용할 수 있도록 한다.
옥수수 자루 및 목재 칩을 포함하여 수분 흡수를 최대화하기 위한 몇 가지 실험을 거친 후, 요리 과정에서의 관찰이 영감을 불어 넣어 주었다. 집에서 만든 tapioca 푸딩을 혼합할 때, tapioca pearl이 분자체에서 사용되는 입자와 유사하게 보였던 것이었다. 그리고 전분에 대해 생각하게 되었다고 한다.
Ladisch에 따르면, tapioca pearl이 미국 내 에탄올 설비에서 효과적으로 사용될 수 있지만, 남미 및 아프리카의 공장에서 더욱 중요성을 가질 수 있다고 밝혔다. 연구팀은 다른 알코올류의 수분 제거를 포함하여 tapioca pearl의 사용을 위한 실험을 계속할 계획이다. 또한 원가를 절감하기 위해 더욱 저렴한 재료를 이용하여 전분 기반의 합성 흡수체를 개발할 계획이다.
첨부그림 #1> 흡착 공정의 개략적인 흐름도
첨부그림 #2> 카사바 전분과 옥수수 가루의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy) 사진. (A) 1mm cassava pearl 입자; (B) 2 mm cassava pearl 입자의 표면으로, 전분 입자가 많이 존재하고 있다; (C) 1mm cassava pearl 입자의 표면으로 (a) 건조되어 느슨해진 전분 입자 및 (b) 젤라틴 전분 덩어리; (D) 0.5 mm cassava pearl 입자의 표면으로 젤라틴화된 전분 입자가 광범위하게 존재하고 있다; (E) (F) 1 mm cassava pearl 입자의 내부로, 고도로 젤라틴화된 내부 구조 및 다공성 구조를 나타내고 있다; (G) (H) 옥수수 가루 입자의 표면으로 (c) 평활한 유리 같은 영역과 벌집 같은 구조를 보여주고 있으며, (d) 느슨하게 밀집된 전분 입자로 구성된 불투명 영역이 나타나 있다.
원문> dx.doi.org/10.1021/ie2003297 | Ind. Eng. Chem. Res. 2011, 50, 8678?8685
Cassava Starch Pearls as a Desiccant for Drying Ethanol
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