Production of Cellulose From Different Species of Banana (Musa Paradisiaca) Mid Rib Waste: A Sustainable Raw Material for Industrial Applications

기술 요약: 바나나 중륵(Mid Rib) 폐기물을 이용한 셀룰로오스 생산

문제 제기
글로벌 제지 및 펄프 산업은 역사적으로 셀룰로오스 생산의 주요 원료로서 목재 섬유에 의존해 왔습니다. 이러한 의존도는 삼림 벌채를 가속화하고 셀룰로오스 비용을 상승시켰으며, 산업 공정을 위한 화석 연료 연소는 온실가스 배출을 심화시켰습니다. 이와 동시에, 나이지리아와 같은 개발도상국에서는 농업 잔류물, 특히 농업 폐기물이 제대로 활용되지 못해 환경 및 보건 문제를 야기하고 있습니다. 바나나 가식경(pseudo-stem)을 이용한 셀룰로오스 추출에 대한 연구는 진행되어 왔으나, 지속 가능한 산업적 응용을 위한 데로 다른 현지 종(Musa paradisiaca)의 바나나 중륵 폐기물의 잠재력에 관한 구체적인 연구 공백이 존재합니다.

방법론
본 연구는 나이지리아에서 흔히 발견되는 네 가지 서로 다른 바나나 중륵 폐기물 종인 Ibo banana, Saro, Paranta, Ogede omini를 조사하였습니다. 연구는 다음과 같은 구조화된 실험 프로토콜을 따랐습니다:

• 시료 준비: 중륵을 잎에서 분리한 후 직경 0.05 m 크기로 절단하였습니다.
• 증해 공정(Pulping Process): 알칼리성 아황산염 화학 증해법을 채택하였습니다. 시료(250 g)를 수산화나트륨(NaOH)과 아황산수소나트륨(NaHSO3)이 1:1 비율로 혼합된 백액(white liquor) 용액으로 처리하였습니다. 반응은 오토클레이브 내에서 0.14–0.165 MPa의 압력 하에 90분 동안 진행되었습니다.
• 화학적 특성 분석:
  • 추출물(Extractives): 에탄올/아세톤 혼합물(1:2)을 이용한 속층 추출법(Soxhlet extraction)을 통해 결정하였습니다.
  • 리그닌(Lignin): 72% H2SO4법을 사용한 후 희석 및 환류 과정을 거쳐 정량하였습니다.
  • 홀로셀룰로오스(Holocellulose): 아황산나트륨(NaClO2)과 빙초를 이용해 수조(70–80°C)에서 분리하였습니다.
  • 알파 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스: 알파 셀룰로오스는 17.5% NaOH를 사용하여 분리하였으며, 헤미셀룰로오스 함량은 홀로셀룰로오스에서 알파 셀룰로오스를 빼서 계산하였습니다.
  • 용해도 테스트: 1% NaOH, 냉수, 온수에 대한 용해도를 실시하였습니다.
• 형태학적 분석: 광학 디지털 현미경을 사용하여 섬유 치수(길이, 직경, 루멘 너비, 세포벽 두께) 및 파생 비율(Runkel, 유연성, 세장비, 강성 계수)을 측정하였습니다. 표면 형태는 주사 전자 현미경(SEM)을 통해 추가로 분석되었습니다.
• 화학적 정체: 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)을 사용하여 추출된 셀룰로오스의 화학적 작용기를 확인하였습니다.

주요 결과
본 연구는 셀룰로오스 추출 효율과 섬유의 물리적 특성에 대한 정량적 데이터를 산출하였습니다:

• 셀룰로오스 수율: 증해 공정 결과 셀룰로오스 수율은 30.20%에서 40.10% 사이로 나타났습니다.
  • M. paradisiaca (Paranta)가 **40.10%**로 가장 높은 수율을 기록했습니다.
  • M. paradisiaca (Ogede omini)와 M. paradisiaca (Ibo banana)는 각각 약 **35.30%**와 **35.25%**의 수율을 보였습니다.
  • M. paradisiaca (Saro)는 **30.20%**로 가장 낮은 수율을 기록했습니다.
• 홀로셀로오스 및 알파 셀룰로오스: 홀로셀로오스 함량은 71.01%에서 80.00% 사이였으며, Paranta가 가장 높은 값을 보였습니다. 알파 셀룰로오스 함량은 모든 종에서 약 **30%**였으며, Paranta, Ibo, Ogede omini는 약 30.00–30.01%에 도달했습니다.
• 섬유 형태:
  • 섬유 길이: 1.63 mm에서 2.86 mm 사이였습니다. Paranta는 2.86 mm의 가장 긴 섬유를 나타냈는데, 이는 나이지리아의 18개 목재 종에서 전형적으로 나타나는 1.05–1.36 mm 범위보다 유의미하게 높은 수치입니다.
  • 섬유 직경: 19.13 µm에서 21.51 µm 사이로, M. excelsa 목재에서 관찰된 15.22 µm를 초과했습니다.
  • 루멘 너비: 10.05 µm에서 12.64 µm 사이로, M. excelsa의 최소 기록인 8.89 µm보다 우수했습니다.
  • 비율: Runkel, 유연성, 세장비는 해당 섬유가 높은 인장 강도와 우수한 시트 형성 능력을 갖추기에 적합한 특성을 보유하고 있음을 나타냈습니다.
• 분광학적 확인: FTIR 분석은 히드록실(3272.6 cm⁻¹), 메톡실 및 카르보닐 그룹을 포함한 특징적인 셀룰로오스 작용기의 존재를 확인하여, 추출된 물질의 화학적 정체를 검증하였습니다.
• SEM 분석: 마이크로그래프는 셀룰로오스 섬유의 적절한 정렬을 보여주었으며, 이를 통해 산업적 사용을 위한 구조적 무결성을 확인하였습니다.

의의 및 주장
저자들은 바나나 중륵 폐기물이 목재 섬유를 대체할 수 있는 실행 가능하고 지속 가능하며 저비용인 대안이라고 주장합니다. 본 연구의 결론은 다음과 같습니다:

1. 산업적 타당성: 추출된 셀룰로오스의 형태학적 특성(긴 섬유 길이, 적절한 직경, 유리한 강성 계수)은 목재 셀룰로오스와 유리하게 비교되며, 이는 펄프 및 제지 생산뿐만 아니라 높은 인장 강도를 요구하는 다른 산업적 응용 분야에도 적합함을 의미합니다.
2. 환경적 영향: 풍부한 농업 폐기물을 활용하는 것은 나이지리아 내 미활용 바이오매스 문제를 해결하여, 폐기물 처리에 따른 환경 오염을 줄이고 산림 자원에 대한 압박을 완화할 수 있습니다.
3. 경제적 잠재력: 이 공정은 현재 버려지고 있는 폐기물로부터 부가가치를 창출하는 경로를 제공하며, 바이오 경제를 위한 저렴한 생물 자원을 제공합니다.

본 논문은 테스트된 특정 증해 공정 및 특성 분석의 범위를 넘어 새로운 실험 방법이나 미래의 응용 분야를 제안하지 않으며, 현재의 특정 바나나 종을 원료로서 검증하는 데 집중하며 본래의 목적을 유지하고 있습니다.