목초액의 특성 및 이용법

글·사진 / 안병준(국립산림과학원 화학미생물과)

목초액에 관한 일반인들의 이해 부족과 무분별하게 유통되는 불량 목초액 등으로 인해 피해가 우려되는 실정이다. 따라서 본고에서는 목초액에 대한 기본적인 특성과 이용법에 대하여 소개함으로써 소비자의 이해를 돕고자 한다. 현대인들의 환경과 건강에 대한 관심이 고조되면서 친환경적 열분해 산물인 목초액이 새롭게 주목을 받고 있다. 그러나 목초액에 관한 일반인들의 이해 부족과 무분별하게 유통되는 불량 목초액 등으로 인해 피해가 우려되는 실정이다. 따라서 본고에서는 목초액에 대한 기본적인 특성과 이용법에 대하여 소개함으로써 소비자의 이해를 돕고자 한다. 목재의 열분해 과정으로부터 생성되는 목초액 목초액의 원료가 되는 목재는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌이라는 3가지 성분이 95% 이상을 차지하고 있다. 이러한 목재를 공기 중에서 가열하면 타서 재 형태로 변하지만, 숯가마와 같이 공기가 부족한 공간에서 가열하면 열분해가 일어나게 된다. 대개 목재 주요성분 중 헤미셀룰로오스는 180℃ 전후, 셀룰로오스는 240~270℃, 리그닌은 280~400℃ 사이에서 열분해가 일어난다. 목재가 열분해하기 시작하면서 발생되는 연기를 목가스라 하고, 공기 중에서 냉각하거나 물을 사용하여 냉각하게 되면 액체생성물이 생성된다. 액체생성물을 정치하면 두 개의 층으로 분리되는데, 상층의 적자색 수용액은 조목초액이고, 하층의 흑색 점성 유상물이 목타르 또는 침강타르이다. 현재와 같이 측정 장비가 없던 시대에는 이러한 열분해 과정을 연기 모양을 통해 확인하였다. 열분해 초기에는 수증기가 많고 축축한 연기가 올라오게 되며, 온도가 상승하여 헤미셀룰로오스의 열분해가 시작되면 탄 내가 나고 코를 자극하는 백색의 연기로 변하게 된다. 솜 모양의 연기가 끝나는 시점에서는 묽은 황갈색의 연기가 섞이게 된다. 이 흰 연기는 가마 안에서 탄화가 시작된다는 신호이며, 그 후는 탄재의 폐열로 열분해가 진행되므로 연료는 불필요하게 된다. 이때의 발열량은 탄재 1g당 약 100cal나 되는 것으로 계산되고 있다. 이 단계에서 작은 공기구멍만을 남기고 가마 입구를 닫는데, 온도가 더 상승하여 리그닌의 열분해가 시작되면 연기색은 담배연기와 같은 색으로 바뀌고 드디어 탄화가 끝나게 된다. 목초액은 이 연기가 공기 중에서 자연히 냉각되어 액상이 된 것을 회수한 것이다. 그런데 목초액은 채취할 때의 연기의 종류에 따라 그 성분과 성상에 큰 차이가 있다. 처음에 나오는 연기는 수분이 많고 비중이 가벼워 목초액으로서는 사용하지 못한다. 또 리그닌이 열분해할 때 나오는 파란 연기는 끈적끈적한 유성의 연기로 타르분이 많으므로 취급하기 어렵고 발암성 물질인 벤조피렌 같은 유해물질이 검출된다. 한편 목초액에 대한 활용도가 급증하면서 목초액을 주 생산품으로 하는 기계식 탄화로가 개발되어 목재 칩을 주 원료로 다량의 목초액을 생산할 수 있게 되었다. 목초액의 특성 전술한 바와 같이 목재를 열분해하면 목가스와 이를 응축한 액체생성물인 목초액이 생성된다. 목가스의 성분은 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 수소 및 에틸렌 등의 저분자 탄화수소이다. 수소는 주로 500~1000℃의 고온에서 목재의 주요성분(셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌)의 탄화과정에서 방출되며, 이 과정을 통해 목탄이 생성되게 된다. 목초액 성분 중, 초산, 프로피온산 등의 유기산, 메탄올, 아세토인, 사이클로덴 등의 알코올류, 아세톤, 푸르프랄 등의 중성물질은 주로 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스에서 생성되고, 페놀, 크레졸 등의 페놀성분은 주로 리그닌이 분해되어 생성된다. 목초액의 주성분인 초산은 목재 중의 아세틸기에서, 메탄올은 메톡실기에서 주로 생성된다. 목초액의 수득량은 탄화원료의 종류, 탄화원료의 수분함유량 및 탄화방법에 따라 상당한 차이를 나타낸다. 또한 목탄과 탄화부산물(목초액, 목타르 등)의 수율은 탄화온도에 따라서도 크게 다르다. 온도가 상승함에 따라 탄화부산물의 수율은 높아지지만, 반대로 목탄수율은 낮아진다. 탄화로에 의한 목초액 수율은 목탄수율과 유사하거나 다소 낮지만(10~20% 전후) 포집조건에 따라서도 큰 차이를 나타낸다. 한편 목초액 수율은 공기 중 냉각방식일 경우 기온에 크게 좌우된다. 즉, 기온이 높은 여름철에는 연통에 의한 냉각효과가 낮아 목초액을 거의 포집할 수 없는 경우도 있다. 이러한 경우에는 물로 냉각시킬 수 있는 장치가 필요하다. 건류법에 의한 목초액 수율은 탄화로에 의한 경우보다 높고, 통상 25~40%이다. 목초액 물성은 제법에 따라서도 상이하여 건류로나 평로에서 제조된 목초액은 탄화로에 의한 것보다 비중이 높고, 용해타르 함유량이 높다. 목초액은 초산을 주성분으로 하는 산성의 액체로 식초와 아주 비슷하지만 각각 다른 제법으로 만들어지고 있다. 식초는 곡물의 전분 등 당류(탄수화물)를 효소로 분해하여 만드는 데 비해 목초액은 탄재(원목)의 성분을 열로 분해(건류)하여 만든 액체이다. 목초액의 원료인 목재에는 셀룰로오스류 외에 탄화수소의 일종인 리그닌이라는 성분이 20% 이상 포함되어 있다. 그 때문에 목초액에도 리그닌이 열분해되어 만들어진 페놀이라는 성분이 녹아 있다. 이러한 페놀 성분 안에는 에칠구아이아콜, 크레오소트 같은 귀중한 약효성분도 많이 포함되어 있지만 벤조피렌, 지벤스안트라센, 메칠코란스렌 등의 발암성 물질과 크레졸 같은 유해성분도 극히 미량이긴 하지만 포함되어 있다. 이것이 식초와 다른 중요한 차이이며, 특별히 유해성분을 제거하는 공정을 거치지 않고는 식용으로 사용하지 못하는 이유이기도 하다. 목초액의 정제방법 목초액은 많은 성분을 함유하고 있으며, 성분 중에는 중합하기 쉬운 것, 산화하기 쉬운 것, 변색하기 쉬운 것 등을 함유하고 있다. 따라서 제탄가마에서 막 채취한 담적색의 투명한 목초액은 시간이 갈수록 검은색을 띠어 밑으로 목타르가 가라앉고 용기 벽면에는 피치가 부착하고 용액 중에는 검고 작은 미립자가 부유하게 된다. 이것은 목초액 성분이 산화 또는 중합하기 때문이다. 이같은 산화 중합물 외에 목초액에는 유성의 타르가 표면으로 부유하거나 피치성분이 침전하기 때문에 사용하기 전에 반드시 정제가 필요하다. 목초액의 정제에는 다음과 같은 방법들이 있다. ■ 정치법 가장 간편한 목초액 정제방법이면서도 정제효과가 크다. 조목초액을 용기에 넣고, 수주에서 수년간 정치한다. 이 기간에 목초액 중의 불안정한 성분은 산화ㆍ중합, 침전 및 용기에 부착한다. 표면에 떠 있는 얇은 유성부분은 버리고 용기 내부의 투명한 액체부분을 채취하여 이용한다. 채취한 투명한 부분을 다시 정치, 정제를 반복하면 한층 안정된 목초액이 된다. 강산성의 목초액을 장시간 정치하기 때문에 용기는 산에 의한 부식에 견딜 수 있는 자재가 필요하다. 정치법은 장시간을 요하는 것이 결점이나 피치분이 침강하여 정제가 확실하게 진행된다. ■ 여과법 소규모의 경우에는 여과지나 필터에 의한 여과가 가능하지만 목초액 표면의 유분이 여과지나 필터를 막기 쉬우므로 주의를 요한다. 흡착제를 이용한 여과도 많이 이루어지고 있다. 흡착제에 의한 방법은 탈색도 겸할 수 있으나 회수율이 낮고 활성부분이 흡착되어 버릴 우려가 있다. 활성탄을 사용할 경우에는 흡착능력이 우수해서 목초액 내의 유효한 성분까지 흡착할 우려가 있기 때문에 활성탄 사용량의 적정한 조절이 필요하다. ■ 증류법 비점 차이로 혼합물 중의 성분을 분리ㆍ정제하는 방법이다. 혼합성분의 비점차가 큰 경우에는 효율적으로 목적성분을 정제할 수 있지만, 목초액처럼 수분이 80~90%를 차지하고 나머지 10~20%만이 유기물이고 또한 비점이 비슷한 성분이 혼합되어 있는 경우에는 단일성분을 분리하기가 거의 불가능하다. 그러나 저비점부, 고비점부 등으로 혼합물인 채로 분획하는 방법으로는 효과적이다. 첫째, 상압증류 방법으로써 이는 대기압에서 증류하는 방법으로 증류장치의 일부는 대기압에 개방되어 있다. 간이증류로서 다음에 언급할 감압증류법에 비해 숙련을 필요로 하지 않는다. 60~80℃ 정도에서 초류가 나오기 시작하는데, 이 분획물은 목초액이 나오기 시작한 때에 보이는 짙은 노랑에 가까운 색을 띤다. 다음으로 100℃ 정도에서 초산 및 초산과 유사한 비점을 가진 성분이 다량의 물과 함께 유출된다. 그 후 페놀류를 포함한 고비점 성분이 유출된다. 둘째, 감압증류 방법으로써 이는 감압에 의해 성분의 증기압이 내려가고, 상압의 경우보다도 저온에서 증류가 가능하기 때문에 열에 불안정한 성분을 분리·정제하는 데 적합하다. 압력이 대기압으로 일정한 상압증류와는 달리 감압의 정도, 가열수조의 온도를 조절할 수 있기 때문에 목적하는 성분의 유출을 촉진할 수 있다. 그러나 감압정도와 온도조정이 필요하다. 충진물이나 정류탑을 사용하면 혼합물 분리가 용이해진다. 식물정유 분리·정제에는 정류탑을 갖춘 정밀증류탑을 통상적으로 이용하지만 대량의 물을 함유하고 있는 목초액의 경우, 용해타르나 고비점 성분을 제거하기에는 상압증류로 충분하다. ■ 분획법 목초액의 액성을 변화시켜 산성성분, 중성성분, 염기성성분으로 나누는 방법이다. 원리는 거의 같지만 몇 가지의 분획법이 있다. 분획법은 어떠한 방법에 의해서도 그 분획에 함유되는 성분이 동일 그룹에 속하는 분획물뿐만 아니라 다른 분획에 속해야 할 성분이 다소 혼입되어 있는 것이 보통이다. 즉 카르본산 분획에 소량의 페놀성분이 혼입되어 있다든지, 역으로 페놀 분획분에 카르본산이 다소 함유되어 있는 것이 보통이다. 따라서 분획법은 목초액 상 분리라 할 수 있는데 목초액에 함유된 성분의 종류를 개략적으로 파악하고자 할 경우에는 필수적인 방법이다. 목초액의 산업적 이용사례 토양 개량재로써 유용미생물의 증식에 의한 지력증진 및 토양개량에 효과가 있다. 토양 소독에도 이용되는데 묘포 등의 소독을 통한 입고병 방제에 효과가 있다. 벼, 보리, 야채 등의 발근, 발아 촉진 등의 식물 활성에 효과가 있다. 소취 및 탈취로써 축산분뇨 등의 악취제거 및 산업적 탈취(황화수소 제거 등)에 효과가 있다. 사료첨가재로 이용되는데 목탄과 함께 사용하여 가축과 양식어의 육질, 어질 개선 및 활력 증진을 도모한다. 기피제로써 진드기, 개미 등의 기피에 효과가 있다. 식품에도 이용되는데 항산화성, 항균성을 이용한 식품첨가제 이용 및 훈제용 스모그 향에 이용된다. 또한 작업복과 목재 등의 염색제로도 이용되고 김 양식장의 잡조제거 등에도 효과가 있다.

기계식 탄화로의 목초액 정제시설 기계식 탄화로에서 칩을 원료로 탄화하는 장면 전통식 숯가마에서 재를 이용한 정련 장면 전통식 숯가마에서 숯을 꺼내는 장면