이탈리안 라이그라스(IRG) 종자용 건조 시험장치 개발

김밝금 ( Balgeum Kim ),임종국 ( Jongguk Lim ),이아영 ( Ahyeong Lee ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

이탈리안 라이그라스(IRG)는 국내 대표 동계 조사료로 ‘05년 500톤, ‘19년에는 약 6,000톤의 규모로 과거 10년 전보다 종자 수요가 10배 이상 급증하고 있는 추세이다. IRG는 가축의 기호성이 우수하고 비육에 효과적인 장점이 있어 가치가 뛰어난 사료 작물로 손꼽힌다. IRG에 대한 종자 수요는 지속적으로 증가하고 있는 것에 반해, IRG 종자 수확 시기와 우리나라 장마 기간이 겹쳐 수확 후 건조 단계에 한계가 있어 충분한 수확량 확보에 어려움을 겪고 있다. IRG 종자는 초기 함수율이 50% 이상으로 수확 후 즉시 건조하지 않으면 높은 함수율과 품온에 의해 종자 부패가 빠르게 진행된다. 따라서 본 연구에서는 IRG 종자용 건조 시험장치를 개발하여 현재 노지 건조에 의존하고 있는 IRG 건조 방법의 한계를 극복하고자 하였다. 현재 IRG 건조 방법인 노지 건조는 종자 건조 두께 증가 시 품온 상승으로 종자 손상 우려가 크다. 종자 품온 상승 방지를 위해 인력에 의한 주기적 교반이 필요하고, 우천 시나 조류 피해 문제로 비닐하우스와 같은 비가림 시설이 필요하다. 건조에 소요되는 공간 및 인적 요소를 줄이기 위해 기존 연속 순환식 곡물 건조기를 이용할 시 수분 함량이 50% 이상인 IRG 종자 수확물의 물성 특성으로 이송부 등 막힘 현상이 발생하고, 기존 곡물과 다르게 공극이 없어 기존 곡물 건조기 사용에도 한계가 있다. 본 연구에서는 IRG 종자용 컨베이어 벨트식 및 진동식 유동층 건조 시험장치를 개발하였다. 컨베이어 벨트식 건조 장치는 종자를 일정 두께로 컨베이어 벨트 위로 공급하여 열풍에 의해 건조되게 설계 및 제작되었다. 인력으로 종자 교반을 해야 하는 문제를 해결하기 위해 건조기 내부에 ‘회전형 교반 장치’를 장착하여 높은 수분에 의한 종자 뭉침을 방지하고 균일 건조가 가능하도록 하였다. 진동식 유동층 건조 장치는 기존 순환식 곡물 건조기를 이용한 건조 시 이송부가 막히는 문제를 해결하고자 밀폐된 챔버 내부에 고압의 열풍을 공급하고, 장치 전체에 진동을 가하는 방식으로 제작되었다. IRG 종자 건조 시험장치를 이용한 추후 종자 적용 시험으로 현재 노지 건조에만 의존하고 있는 현장에서 효율적인 IRG 종자 건조가 가능할 것이라고 생각된다.

이탈리안 라이그라스 종자의 수확 직후 물성

김밝금 ( Balgeum Kim ),임종국 ( Jongguk Lim ),이아영 ( Ahyeong Lee ),서영욱 ( Youngwook Seo ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.2

이탈리안라이그라스(IRG)에 대한 종자수요가 지속적으로 증가하고 있으나 채종 후 높은 함수율 및 까락 등으로 인해 건조 및 정선에 어려움이 있어 안정적인 종자수급에 차질이 발생되고 있다. 따라서 본 연구에서는 IRG 종자의 건조 및 정선 시설 개발의 기초자료로서 활용하기 위해, 수확 직후 및 20% 수준으로 건조된 종자에 대한 물성을 측정하고 차이를 비교하는 것을 목표로 하였다. 시료는 수확 후 경과된 시간에 따라 코윈어리, 그린콜 및 그린콜 2호의 3 품종을 수집하였다. 코윈어리는 수확 당일 측정하였으며, 그린콜은 수확후 2일간 노지건조, 그린콜 2호는 수확 후 1일간 건조된 시료를 측정하여 노지건조 시간에 따른 함수율 변화를 확인하였다. 각각의 시료는 수집 직후 및 열풍건조기로 40℃에서 20%(w.b.) 수준까지 건조 후 측정하여 함수율에 따른 물성을 비교하였다. 함수율은 코윈어리의 경우 39.18%, 그린콜 2호는 27.98%, 그린콜은 19.22%를 나타내, 수확 직후의 종자는 40%수준의 함수율을 보였으며 노지건조 일수에 따라 약 10% 정도 감소하였다. 천립중은 함수율이 높을수록 높게 나타나, 코윈어리의 경우 4.51g 수준으로 나타났으며, 건조 후에는 3.51g 으로 감소하였다. 산물밀도는 함수율이 낮은 시료에서 감소되어, 초기 시료에 비해 건조 후 6∼9% 감소하였다. 전체적인 값은 품종에 따라 차이가 있으나, 함수율 20% 수준에서 310∼350 kg/m3 수준인 것으로 판단되었다. 길이, 폭, 두께는 함수율이 감소됨에 따라 평균적인 값이 2∼7% 정도 감소하는 것으로 나타났으나, 유의미한 차이는 보이지 않았다. 또한 함수율 20% 수준에서 길이, 두께, 폭은 각각 5.7∼6.0mm, 1.4∼1.6mm, 0.9∼1.0mm 정도인 것으로 나타났다.

Digital HACCP Management System for Small Noodle Factories

Giyoung Kim,Ahyeong Lee,Balgeum Kim 한국식품영양과학회 2022 한국식품영양과학회 학술대회발표집 Vol.2022 No.10

지역별 학습 모델을 활용한 타 지역 사과 당도 예측

김밝금 ( Balgeum Kim ),심재승 ( Jaeseung Sim ),이아영 ( Ahyeong Lee ),임종국 ( Jongguk Lim ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.1

최근 ‘당도’가 높은 프리미엄 과일의 수요가 많아지는 추세에 따라 유통 과정에서 비파괴 당도 선별기를 활용한 과일 당도 선별이 더욱 중요해지고 있다. 현재 국내 유통 현장에서 사용하는 비파괴 당도 선별기는 빠르고 간편하게 과일 당도를 선별할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 선별기 관리 측면에서 매 수확기에 해당 지역의 당해 수확 과일로 학습 모델을 구축하지 않으면 당도 예측 성능을 보장할 수 없다는 단점이 있다. 이러한 문제를 일으키는 데에는 다양한 원인이 있지만, 동일 품종의 과일이라도 재배지의 차이에 따라 당도 예측을 위한 학습 과정에서 이질성을 보일 수 있다는 의견이 있다. 본 연구에서는 지도학습 모델링 관점에서 과일 표본(후지 사과)의 재배지(당진, 청송, 장수)에 따른 차이를 확인하고 이를 극복하는 방안을 모색하고자 하였다. 470~1,150 nm의 파장 대역을 가지는 비파괴 당도 선별 시스템을 이용해 사과 당도 스펙트럼을 획득하였으며, 실측한 당도 값의 평균은 당진, 청송, 장수 각각 15.5, 13.5, 12.6이었다. 지역별 학습 모델을 구축하여 동일 지역과 타 지역 사과의 당도를 예측하고 그 수준을 비교한 결과, 1derivative-PLS 모델에서 동일 지역을 예측할 때에 비해(평균 R2=0.821, 평균 RMSEP=0.499) 타 지역을 예측할 경우(평균 R2=0.625, 평균 RMSEP=0.681) 전반적으로 예측 성능이 저하 되었다. 이를 통해 표본의 재배지가 달라지면 동일한 품종과 실험 환경이더라도 검량선의 차이가 발생함을 확인하였다. 그러나 전처리를 적용함에 따른 성능 개선을 확인하였으며, 한 지역의 학습 모델을 활용해 타 지역의 당도를 예측한 결과와 실제 당도 값이 피어슨 상관관계 0.7이상으로 높은 상관관계를 보임을 알 수 있었다. 향후 다양한 전처리 조합과 개선된 모델 구축을 통해 타 지역 표본도 함께 고려하여 당도 예측 모델 구축을 위한 비파괴 당도 선별에 발생 되는 시료의 소비를 줄이는 방안을 고안해 낼 수 있을 것이라 기대된다.

소규모 한과류 가공업체용 디지털 해썹 관리시스템

김기영 ( Giyoung Kim ),김밝금 ( Balgeum Kim ),이아영 ( Ahyeong Lee ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.1

연구의 목적 정부는 높아지는 식품안전에 대한 사회적 요구에 부응하기 위하여 빈발하는 식중독 오염과 같은 식품안전사고를 사전에 예방할 수 있는 제도를 강화하고 있다. 식품안전 향상을 위한 해썹(Hazard analysis critical control point, HACCP)은 적용 품목과 대상이 확대되어, 소규모 영세 업체도 의무적으로 해썹 인증을 받아야만 한다. 한과류 가공업체는 대부분 영세하여, 복잡한 준비 과정과 사후 관리로 노력이 많이 소요되는 해썹 인증 및 운영에 큰 어려움을 겪고 있다. 본 연구는 소규모 한과류 가공업체의 해썹 관리 노력을 줄여줄 수 있는 디지털 해썹 관리시스템의 플랫폼을 설계하기 위하여 수행되었다. 재료 및 방법 한과류 디지털 해썹 관리시스템은 관리의 편리성을 높이기 위해 휴대용 단말기에서 사용할 수 있도록 제작되며, JAVA 언어를 이용하여 구현된다. 관리시스템의 주요 기능은 해썹 인증 신청을 위한 구비서류 입력 자동화와 중요관리점 모니터링 및 각종 일지 작성 같은 인증 후 디지털 관리로 이루어진다. 구비 서류 입력 자동화는 한국식품안전관리인증원에서 발행한 소규모 사업체의 과자류(한과 포함) 해썹 표준기준서를 템플릿으로 사용하여 해당 업체의 특성에 맞게 수정할 수 있도록 한다. 금속검출기나 열탕기 온도 같은 중요관리점 모니터링은 계측값을 수동으로 측정하거나 센서로부터 자동 측정된 값을 동적 데이터베이스를 활용하여 실시간으로 제공한다. 결과 구현된 한과류 디지털 해썹 관리시스템은 업체 특성에 따라 냉장고 온도, 열탕기 온도, 금속검출기 검출 결과 등을 중요관리점으로 설정할 수 있다. 열탕기 온도나 금속검출기 등 중요관리점의 센서 측정값과 점검 사항 입력 데이터는 휴대용 기기에 설치된 관리시스템의 메인 화면에 표시되며, 한계 기준 이탈 시 이에 대한 조치 사항도 작성할 수 있다. 이들 결과는 휴대용 기기에서 열람할 수 있고, 해썹팀에서는 이들 기기를 이용하여 일지 작성, 열람, 상신하면 검토자가 검토 및 결재를 통해 최종 문서를 생성할 수 있다.

미세진동 스크린 방식의 동애등에 유충 탈수 장치 개발

임종국 ( Jongguk Lim ),김밝금 ( Balgeum Kim ),이아영 ( Ahyeong Lee ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

곤충을 이용한 고단백 사료 제품은 동물 사료의 대체제로서 주목받고 있으며 자원 재생을 위한 새로운 대안으로 떠오르고 있다. 곤충 단백질 시장은 ‘19년에는 1억 4,400만 달러에서 ’25년에는 13억 3,600만 달러까지 증가할 것으로 전망한다. 동애등에 유충은 파리목 동애등에과에 속하는 동애등에 곤충의 애벌레로 남은 음식물을 10여 일 동안에 소화하면서 약 20mm 정도의 크기까지 성장한다. 동애등에 유충 5,000마리는 약 10kg의 남은 음식물을 80%까지 분해할 수 있어서 환경 정화용으로 활용 가치가 아주 높은 익충이다. 동애등에 유충이 배출하는 분변토는 함수율이 높아서 기존 메시 구조의 스크린 선별기로는 완벽한 유충 분리가 어려워 대량생산에 어려움을 겪고 있다. 따라서 본 연구에서는 동애등에 유충과 분변토의 혼합물 침전수에서 분변토를 분리하고 유충 표면에 남아있는 물기를 제거하기 위해서 미세진동 스크린 방식이 적용된 동애등에 유충 탈수 장치를 개발하였다. 동애등에 유충 탈수 장치는 동애등에 유충과 분변토가 혼합된 침전수를 공급하기 위한 직경φ50mm의 투입 배관, 미세진동을 발생시키기 위한 출력 0.4kW의 진동모터, 와이어의 두께가 0.5mm이고 메시(mesh)가 #30인 폭과 길이가 600mm × 1,600mm으로 제작된 스크린, 본체의 진동 발생을 최소화하기 위한 4개의 방진 스프링, 탈수된 물이 배출되는 배수관, 제어 장치 등으로 구성되어 있다. 작동 방식은 상부로 투입되는 동애등에 유충과 분변토가 혼합된 침전수가 상부 투입 배관을 통해 미세진동이 발생하는 스크린에 투입된다. 스크린 상부에 투입된 침전수는 스크린 하부로 대부분 떨어진다. 진동모터에 의해 발생한 미세진동은 동애등에 유충을 스크린의 앞부분에서 뒷부분으로 진동과 함께 1,600mm의 길이 방향으로 전진시키면서 표면의 물기를 제거한다. 미세진동을 이용한 탈수 방식은 기존 원심 분리식이나 진동 방식과 비교할 때 동애등에 유충에 대한 손상을 최소화할 수 있어 대량으로 유충을 생산하는 공정에 투입되면 생산성을 향상할 수 있을 것으로 기대된다.

근적외선 분광분석을 이용한 사과 당도 예측 PLS 모델의 최소 표본 규모 설정에 관한 연구

심재승 ( Jaeseung Shim ),김밝금 ( Balgeum Kim ),임종국 ( Jongguk Lim ),이아영 ( Ahyeong Lee ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.1

근적외선(NIR) 분광분석은 과일의 당도를 비파괴적으로 측정하는 방식으로 오랜 기간 실무에서 활용되고 있다. NIR을 이용한 과일 당도 예측 모델개발에는 과일의 근적외선 스펙트럼 데이터와 실측 당도(Brix)가 활용되며 이 과정에서 적지 않은 과일이 소모된다. 하지만 모델 개발에 필요한 과일의 최소 규모에 대해서는 이론적으로 명확히 밝혀진 바는 없다. 이에 본 연구에서는 일정 수준(RMSEP 0.5이하)의 NIR 과일 당도 예측 모델 구축에 필요한 최소 과일(표본) 소모량을 확인하고 표본 규모에 따라 달라지는 성능의 변화를 살펴보고자 했다. 실험에는 청송, 장수, 당진 지역 후지 사과의 NIR 스펙트럼 데이터와 실측 당도가 활용되었으며, 표본 규모별 교정모델들이 지역별로 각각 구축되었다. 모델 구축 과정에서 SNV전처리, PLS모델, 5겹 교차검증, 격자탐색이 활용되었으며, 미리 할당된 테스트 데이터로 교정모델의 성능을 검증하며 RMSEP 0.5이하의 성능에 도달하기까지 필요한 표본의 최소 수량을 탐색하였다. 그 결과 청송 지역은 103개, 당진 지역은 95개, 장수지역은 60개이상의 표본을 구축할 경우 일정 수준의 예측 성능이 확보되는 것으로 확인되었으며, 지역을 통합하여 모델을 개발할 경우 최소 213개의 표본이 필요함을 확인하였다. 또한 데이터 증가에 따른 예측 성능의 개선은 표본 규모 약 100개 미만일 때 급격하게 증가하고 이후로는 서서히 증가폭이 둔화됨을 확인하였다. 이번 연구는 당도 예측 모델 구축용 과일의 최소 소모량과 표본 규모에 따른 모델의 예측 성능 수준을 여러 지역의 사례로 산출해냈다는 점에서 의의가 있다. 향후 지역별 표본 규모의 차이를 발생하는 외란 요소의 탐색과 통제 방법에 관한 연구를 수행하여 교정모델 구축 효율화 수준을 한 층 높이는 기반 정보로 활용할 수 있을 것이라 기대된다.

남은 음식물로 사육되는 동애등에 유충과 혼합물의 표준체 선별

임종국 ( Jongguk Lim ),김밝금 ( Balgeum Kim ),이아영 ( Ahyeong Lee ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.1

한국환경공단의 2019년도 전국 폐기물 발생 및 처리 현황에 따르면 생활폐기물 중 음식물류의 폐기물(남은 음식물)은 하루 14,314톤이 배출되어 24.7%의 비중을 차지하고 있다. 연간으로는 5,224천톤이며 처리 비용만 2조원 가까이 되어 남은 음식물의 자원화에 대한 중요성이 더욱 부각되고 있다. 남은 음식물들은 소각되거나, 반죽 형태로 제조되어 가축의 사료로 사용되는데 소각시에는 냄새로 인한 문제가 발생되고 있으며 가축의 사료로 사용되는 경우에도 다양한 문제들이 야기될 수 있어 완전한 대안은 아니라고 볼 수 있다. 최근에는 파리목 동애등에과에 속하는 동애등에 곤충의 유충을 이용하여 남은 음식물 처리하기 위한 사료용 곤충의 대규모 사육 공정이 개발되어 점차 확대되고 있다. 동애등에 유충은 사육 환경에 따라 함수율이 높은 상태로 잔존해 있는 음식물과 분변토를 분리하는 과정에서 기존 진동 선별기로는 선별 효율이 낮아 생산 현장에서의 어려움이 커지고 있다. 따라서 본 연구에서는 함수율이 높은 혼합물로부터 동애등에 유충을 효율적으로 분리할 수 있는 분리장치를 개발하기 위해 표준체를 이용하여 사전 분리 정도 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 시료는 4개의 대형 사육 트레이에서 수집한 4개의 혼합물을 사용하였으며 표준체는 체눈의 크기가 각각 6.35㎜, 4.00㎜, 2.80㎜. 2.00㎜, 1.40㎜의 5종을 사용하였으면 체진동기를 사용하여 1분 동안 크기 분리를 실시하였다. 동애등에 유충의 밀집도나 혼합물의 함수율 상태에 따라 크기 선별 결과에서 차이가 발생하였다. 대부분의 유충은 2.80㎜체를 기준으로 걸러졌으며 4.00㎜체와 2.00㎜체에도 일부 유충들이 남아있었다. 다만 4.0㎜ 체에는 유충과 함께 유충이 다 분해하지 못한 혼합물이 남아있었고 2.0㎜체에는 크기가 작은 동애등에 유충과 분변토가 혼합되어 재선별이 필요했다. 이번 사전 실험 결과는 추후 동애등에 유충의 분리장치 개발에 있어 체망의 크기 선택, 진동 방식 결정 등의 기초자료로 활용할 수 있을 것이다.

초분광 영상을 이용한 사과 외부 결함 검출 알고리즘 연구

이아영(Ahyeong Lee),김기영(Giyoung Kim),김밝금(Balgeum Kim) 한국비파괴검사학회 2022 한국비파괴검사학회 춘계학술대회 초록집 Vol.2022 No.5

초분광 분석을 이용한 5령 3일 누에 판별 모델 개발

이아영 ( Ahyeong Lee ),임종국 ( Jongguk Lim ),김밝금 ( Balgeum Kim ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

누에는 알에서 부화하여 고치가 될 때까지 총 4번의 탈피과정을 거친다. 5령 누에는 4번의 탈피과정을 겪은 누에를 말하며 탈피 후 이틀이 지난 누에를 5령 3일 누에라고 한다. 5령 3일 건조 누에는 혈당 강하에 효과를 주는 것으로 알려져 있어 누에 가루나 환 등의 기능성 식품 제작에 사용되고 있다. 5령 4일 이 후에는 실크를 만드는 중부 실샘이 비대해지고 체내가 액체상태의 실크로 점점 차오르기 때문에 건조시 섭취가 어려울 뿐만 아니라 소화불량을 동반한다. 따라서 실샘이 발달하기 직전인 5령 3일 누에를 선별해 건조하는 것이 중요하다. 현재 잠작 관리 및 선별 작업은 모두 수작업으로 이루어지고 있으며 노동력 부족에 따라 관리에 어려움을 겪고 있다. 본 연구에서는 초분광 시스템을 이용하여 5령 3일 누에와 다른 일자 누에를 비파괴적으로 판별 가능한지 확인하고자 하였다. 400nm ~ 1000nm 파장 대역의 초분광 영상 시스템을 이용하여 한생잠 72마리에 대해 5령 1일부터 5령 5일까지 5일간 초분광 영상을 측정하였다. 평균 반사 스펙트럼은 누에의 견사 단백질이 분비되는 부분인 후사견사샘을 관심영역으로 정하여 획득하였고, 평균 스펙트럼에 대해 9가지 전처리를 수행하였다. 5령 3일 누에를 판별하기 위해서 5령 1일, 2일 누에를 한 그룹, 5령 3일, 4일, 5일 누에를 한 그룹으로 나눈 후 주성분분석(Principal Component Analysis, PCA)과 부분최소제곱 판별분석(Partial Least Squares regression Discriminant Analysis, PLS-DA)을 실시하였다. 학습 데이터와 검증 데이터는 4:1 비율로 무작위 선정하였다. 주성분분석을 통해 5령 3일 누에 판별 가능성을 확인하였으며 부분최소제곱 판별분석을 이용하여 판별 모델을 개발하고 성능을 검증하였다. 그 결과, Mean normalization 전처리를 수행한 모델이 학습데이터 92.09 %, 검증데이터 96.84 %로 가장 높은 판별 정확도를 나타냈다. 이를 통해, 분광분석법을 이용하여 5령 3일 누에를 비파괴적으로 선별할 수 있으며 5령 3일 건조 누에를 이용한 기능성 식품의 품질 및 신뢰도 향상에 도움을 줄 것으로 기대된다.