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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.54 No.4 pp.101-109
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2020.54.4.101

Development of an Integrated Preprocessing System for Korean Giant miscanthus in Field

Dong-Hoon Lee1, Goo-Bum Kwon2, Yong-Jin Cho3,4*
1Department of Biosystems Engineering, Chungbuk National
University, 28644, Cheongju, Korea
2Food & Biological Resources Examination Division, Korean
Intellectual Property Office, 35208, Daejeon, Korea
3Department of Bio-industrial Machinery Engineering, Jeonbuk
National University, 54896, Jeonju, Korea
4Institute for Agricultural Machinery & ICT Convergence,
Jeonbuk National University, 54896, Jeonju, Korea
*Corresponding author: Yong-Jin Cho Tel:
+82-63-270-2613 Fax: +82-63-270-2620 E-mail:
choyj@jbnu.ac.kr
July 10, 2020 August 9, 2020 August 10, 2020

Abstract

In the aspect of physical properties, the density of the Korean giant miscanthus was not sufficiently optimized for immediate transport with a proper budget. Thus, to save the additional expenses due to the low density of that without preprocessing, machinery aided operation in the field should be developed to increase the density of that. In this research, two types of machinery were developed to increase the density of raw crops of the Korean giant miscanthus by maximizing the performance of crushing, grinding, and compressing in the field. Both types of machinery are to be operated by the power source of electricity or power take-off from the tractor. As a result, the developed crushing machine could process more than 1 ton per hour with simultaneous processing of grinding. The developed grinding and compressing machine could process the ground material into a highly compressed crop which has a density of over 240 g/L. The developed machinery systems could provide various utilization of the Korean giant miscanthus by increasing the economical benefits in distribution.

거대억새 현장 전처리 통합작업기 개발

이 동훈1, 권 구범2, 조 용진3,4*
1충북대학교 바이오시스템공학과
2특허청 식품생물자원심사과
3전북대학교 생물산업기계공학과
4전북대학교 농업기계ICT융합연구소

초록


거대억새의 수확물은 물리적 특성상 밀도가 낮아 바로 운송하기에 경제적으로 적합하지 않다. 그러므로 현장에서 바로 전처리 작업을 통하여 거대억새
수확물의 밀도를 높여줄 수 있는 기계 개발이 필요하다. 본 연구에서는 현장에서 절단, 분쇄, 압축 성능을 극대화하여 거대억새 분쇄물의 압축밀도를
높여줄 수 있는 두 가지 형태의 기계를 개발하였다. 필드에서 사용할 수 있도록 두 가지 형태의 기계는 동력원으로 전기 혹은 트랙터 동력취출장치인
PTO로 작동되도록 하였다. 결과적으로 개발된 절단 및 분쇄 통합시스템은 분쇄 및 절단을 동시에 처리하여 시간당 1 ton 이상 처리가
가능하였다. 또한, 개발된 압착기는 압축된 분쇄물이 240 g/L 이상 밀도로 압축할 수 있었다. 개발된 거대억새 전처리 가공 기계들은 유통상
경제적 이점을 증가시킴으로써 다양하게 활용할 수 있다.



    Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs
    320018-2

    서론

    국제 유가의 불안정과 온실가스 감축 의무 등에 따라 세계적으로 바이오 에너지에 대한 투자와 연구가 급증하고 있다. 거대억새는 미국 및 유럽을 중심으로 연구 중인 바이오에너지 작물로서 바이오 에탄올로 활용하기 위한 연구가 수행되고 있다(Boonmanumsin et al., 2012;Sørensen et al., 2008). 유럽지역에서는 억새는 5-10년 다품종 바이오 에너지 작물로서 재배하고 있고, 억새 수확 시 평균 8t/ha 생산된다고 보고하였다(Scurlock, 1999). 국내에서는 거대 억새를 생산할 수 있는 대규모 간척지가 조성되어 생산 중이다. Mathanker & Hansen (2015)는 모어컨디셔너와 사각 베일 타입 의 거대억새 수확기의 수확 비용 및 연료 소비량을 분석하였다. 모어컨디셔너와 사각 베일러의 필요 용량은 각각 1.8 ha/h, 1.4 ha/h이었으며, 연료 소비량은 각각 19.2 L/ha, 19.7 L/ha이었으며, 수확 비용은 각각 4.8 $/Mg, 6.8 $/Mg가 발생하였다. 한편 국내에 서는 바이오매스 확보 및 수거 체계에 대한 정보가 확립되지 않았 으며, 거대억새 원형 그대로 운송 시 부피당 운송비용이 높아 경제 성 확보를 위한 방안이 필요하다.

    거대억새의 전처리 과정은 원형 베일, 분쇄, 압착으로 구성되며, 수확 현장에서 압착물의 부피 절감 등 효율적인 전처리를 통하여 추후 이용과정을 쉽게 하기 위한 작업 기계 개발이 절실하다. do Canto et al. (2011)는 바이오매스용 작물을 수확하기 위하여 작물 분쇄, 압착, 원형 베일 생성까지 일관화할 수 있는 라운드 베일링 시스템을 개발하였다. Mathanker et al. (2014)는 사각 베일용 억새 수확 시스템의 수확량을 최대화하기 위하여 지상 속도에 따른 바이 오매스 부피 측정 센서를 부착하여 처리 속도를 최대화하는 연구를 수행하였다. 개발된 시스템에서 바이오매스 수율과 억새 부피 간의 상관관계는 r2=0.76으로 나타났다. 바이오매스용으로 사용되기 위 해서는 거대억새는 절단 및 분쇄과정을 거친 후에 압착된 분쇄물 형태로 가공되어야 한다. 대부분 거대억새 원형 베일 그대로 가공공 장으로 이송 후에 가공작업을 실시하고 있으나 원형 베일 이송과정 중에 부피 절감을 위하여 절단기, 분쇄기, 압착기를 투입하여 전처 리 작업을 하고 있다. 하지만 절단기, 분쇄기, 압착기 등 다양한 작업기들을 현장으로 이송하기에 어려움이 많으며 각 작업 간의 소요 시간을 단축할 수 있도록 통합 일관화 기계 개발이 필요하다.

    본 연구는 바이오매스 활용 가치와 경제성을 극대화하고 거대억 새의 물류비 절감을 위하여 현장에서 거대억새 원형 베일의 절단, 분쇄, 압착을 일관화할 수 있는 통합작업기 개발을 위해 수행되었다.

    재료 및 방법

    1. 바이오메스용 거대억새 현장 전처리 작업 분석 및 통합작업기 설계 방향

    관행 거대억새의 수확 후 전처리 과정은 Fig. 1과 같이 원형 베일의 절단, 절단물의 분쇄, 분쇄물의 압착으로 구성되며, 이러한 작업은 재배지 현장으로부터 작업 기계가 설치된 바이오매스 가공 현장에 이송이 된 후 이루어져 왔다. 수확 현장에서 거대억새 전처 리 작업을 하기 위해선 독자적인 동력원 또는 트랙터의 동력을 이용한 작업기가 필요하며 Fig. 2와 같이 현장 전처리 작업체계로 구성할 수 있다. 단위 시간당 1,000 kg의 거대억새 처리가 가능한 원형 베일의 절단 기계와 절단물의 분쇄기 계를 통합할 수 있는 작업 시스템을 개발할 필요성이 있다.

    해머를 이용한 압착기의 경우 상대적으로 매우 하중이 크기 때 문에 트랙터를 이용한 견인형 작업기의 형태로 거대억새 생산지에 투입이 되기 어려운 단점이 있다. 따라서 압착물의 최소 밀도를 200 g/L로 작업이 가능한 이중 구조의 롤러를 이용한 압축기를 선정하였다. 트랙터 동력원 구동 억새 원형 베일의 절단기 설계에 있어 분쇄기의 기계요소인 스크린 설치를 통하여 크기가 5 mm 이하인 분쇄물을 얻어 낼 수 있도록 설계하였다.

    2. 바이오매스용 거대억새 절단 및 분쇄 통합장치

    2.1. 바이오매스용 거대억새 절단 및 분쇄 통합장치 개요

    종래의 억새 분쇄기는 유압을 이용한 대형 커터를 이용한 방식 으로써 절단 후 산출물의 길이가 100 mm 정도로서, 후처리 과정인 압축 혹은 펠릿화를 위해 절단물을 길이 5 mm 이하로 분쇄하는 작업을 필요로 한다. 종래의 방식을 이용할 경우 분쇄과정이 연속 적으로 이루어지지 않으며 산출물의 경우 분쇄물의 크기가 고르지 않은 문제가 발생하여 추후 작업 기계에 성능에 따라서 작업이 단절되는 단점이 있다. 본 연구에서는 거대억새 투입량을 조절해주 는 시스템과 절단물의 크기 조절이 가능한 선별망 간격 조절 시스 템을 설계하였다.

    2.2. 바이오매스 수확물 회전식 절단 장치 및 선별망 설계

    Fig. 3은 길이가 1 m 이상인 바이오매스의 절단을 위한 회전식 절단 장치의 개념도로서 각 번호에 대한 명칭 및 작용 원리는 다음 과 같다. 거대억새 투입구(①)는 원주 형태로 설계하여 다양한 형태 의 거대억새 투입이 가능하도록 하였다. 1차 원형 칼날(②)은 투입 된 거대억새를 1차로 절단하며 2차 절단 장치로 절단물 이송이 가능하도록 설계하였다. 지속적인 절단 및 이송을 할 수 있도록 커터를 반시계방향으로 회전시켰다. 2차 원형 칼날(③)은 절단물을 추가로 절단하는 2차 절단 및 배출 장치로서 기능을 수행하도록 설계하였다. 선별망(④)은 이중 구조로 설계하여 최종적인 절단물 크기가 3 mm부터 12 mm까지 조절할 수 있도록 하였다. 절단물 배출구(⑤)는 선별망을 통과한 최종 절단물을 외부로 배출하도록 하였다. 미배출 절단물 우회 유도판(⑥)은 선별망을 통과하지 못한 미배출 절단물을 1차 절단 장치로 다시 이송되도록 설계하였다. 선형/회전형 포텐시오미터(⑦)를 설치하여 미배출 절단물의 중량 을 측정하도록 설계하였다. 투입량 조절판(⑧)으로서 미배출 중량 측정 장치(⑦)에서 미배출 절단물의 양에 따라 투입구 입구의 크기 를 조절하여 투입량 조절 기능을 수행할 수 있도록 설계하였다.

    이중 구조 선별망을 이용한 배출물 크기 조절 메커니즘은 Fig. 4와 같다. 지름 12mm의 사각 구멍을 가진 선별망 두 개(①과 ②) 를 이용하여 두 개의 선별망을 완전히 겹칠 때(③) 절단물의 최대 선별 크기는 12 mm이다. ④와 같이 두 개의 선별망을 서로 교차시 킬 경우 절단물의 최대 선별 크기는 약 3 mm이다. 따라서 절단물 의 크기를 최소 3 mm부터 최대 12 mm까지 조절할 수 있는 가변 형 스크리너를 고안하였다. 선별망은 충돌하는 절단물의 충격에 장시간 견딜 수 있도록 열에 강하고 탄성이 큰 소재인 강화플라스 틱 및 고무를 사용하였다.

    2.3. 바이오매스 수확물 분쇄 장치 설계

    바이오매스 절단물을 추가인 분쇄를 하고자 해머, 전단판, 라이 저, 스크리너를 이용하여 통합장치 내에 추가할 수 있는 형태의 분쇄 장치를 Fig. 5와 같이 설계하였다. 분쇄 장치의 동력원은 절단 장치와 같게 트랙터 PTO를 이용하여 구동되는 방식으로 설계하였 다. 분쇄 장치는 1437×834×923 (길이×폭×높이) mm의 크기로 직날 형태의 해머가 장착되어 PTO 회전동력에 의하여 절단된 억 새를 추가로 분쇄할 수 있도록 설계하였다. 절단된 바이오매스 배 출물이 낙하하는 지점(Fig. 3의 배출구(⑤) 하단)에 설치하여 절단 작업 후 분쇄를 연속적으로 수행할 수 있도록 하였다.

    3. 거대억새 분쇄물 압착기 요인 실험 장치

    종래의 억새 분쇄물 압착기는 유압 동력을 이용하여 해머를 이용 한 압축 방식으로 밀도 상승을 극대화할 수 있는 장점이 있으나, 유압펌프와 탱크 등 부가적인 장치로 인하여 고정된 시설에서만 사 용해야 하는 단점이 있다. 본 연구에서는 하중을 최소화하여 이동할 수 있도록 롤러 방식을 채택하여 Fig. 6과 같이 설계하였다. 분쇄된 억새의 압축밀도를 높이고자 이중 구조의 롤러구조로 설계하였다. 롤러 사이로 인입되는 분쇄물의 슬립 현상을 최소화하고자 표면의 형상을 비틀림각 15˚인 헬리컬 기어 형상으로 설계하였다. 분쇄물 압축 프로세스를 Fig. 7과 같이 순서대로 정리하면 다음과 같다.

    거대억새 분쇄물은 투입구(①)를 통하여 투입하게 된다. 1차 롤 러 구동 기어(②)는 1차 롤러의 중동 기어(③)에 맞물려 동력이 전달되며 구동 기어와 중동 기어비는 1:2로 하였다. 1차 구동 롤러 와 중동 롤러 간의 간격은 5 mm로 하였다. 구동 기어와 중동 기어 간의 회전수가 다르므로 분쇄물 표면에서 전단파괴가 발생한다. 롤러의 축 방향에 대하여 15도로 헬리컬 기어 표면에 5 mm 깊이로 홈(⑥)이 가공되어 있어 5 mm 이상의 분쇄물에 대한 추가적인 절단/분쇄 작업이 일어난다. 2차 롤러의 구동 기어(④)와 2차 롤러 의 종종 기어(⑤)의 기어비는 1:1로 하였으며, 2차 구동 롤러와 중동 롤러(⑦) 간의 간격은 4 mm로 하였다. 1차 롤러 간에 비하여 좁아진 2차 롤러 간의 간극은 분쇄물의 압축 효과를 발생시킨다.

    거대억새 분쇄물 압착기 요인 실험 장치의 설계도면(Fig. 8)이 며 제작된 실험 장치는 Fig. 9와 같다. 압착기는 트랙터의 PTO 혹은 전기모터의 회전동력원으로 구동되며 요인 실험에서는 전기 모터를 동력원으로 사용하였다. 모터 회전속도에 따른 압축 성능을 평가하고자 회전속도를 조절할 수 있는 인버터를 사용하였다. 인버 터의 입력 전원 주파수(Hz)에 따라 조정된 전압은 롤러와 연결된 모터의 속도 및 방향 조절이 가능하다. 거대억새 분쇄물의 압축 성능을 평가하고자 함수율과 롤러의 회전 속도별 성능실험을 시행 하였다. 분쇄물 시료는 두 가지 함수율(5% 및 12%)의 공시재료를 준비하였으며, 롤러의 회전속도 rpm은 7, 14, 20, 27, 34, 39로 6수준으로 성능실험을 하였다. 시료의 부피와 무게를 측정하여 압 축된 분쇄물의 밀도를 계산하였다(Fig. 10). Fig. 10a은 압축기 요인 실험 장치에 분쇄물을 투입구에 넣는 모습이며, Fig. 10b은 압축된 분쇄물을 보여주고 있다. 압축된 분쇄물의 부피를 Fig. 10c 과 같이 측정하고 무게를 Fig. 10d과 같이 측정하여 압축된 분쇄물 의 밀도를 계산할 수 있다. 분쇄물의 함수율별 압축 성능 실험하기 위하여 초기함수율(5% 및 12%)인 분쇄물들을 준비하고 수분을 추가하여 공시재료를 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%의 6수준 의 시료와 12%, 15%, 20%, 25%, 30%의 5수준의 시료를 각각 준비하였다. 분쇄물의 압착성능실험 반복 횟수는 3회를 수행하였 으며, 결과들의 평균값을 사용하였다. 재투입에 대한 압착성능 효 과를 검증하고자 압착된 분쇄물의 밀도를 계산하고 다시 투입한 분쇄물의 밀도를 비교하였다.

    결과 및 고찰

    1. 바이오매스용 거대억새 절단 및 분쇄 통합장치

    1.1. 바이오매스용 거대억새 절단 및 분쇄 통합 시작기 제작

    요인 설계를 바탕으로 바이오매스 수확물 절단 및 분쇄 통합 시작기의 설계도면은 Fig. 11과 같으며 제작된 모습은 Fig. 12와 같다. 제작된 통합 시작기의 성능평가를 위하여 트랙터와 연결하여 PTO 동력 및 유압 동력을 이용하였다. 기존의 생산시설에서 이용 되던 바이오매스 처리 장치의 성능에 부합하여 개발하고자 하는 현장 전처리 작업 기계에 필요한 최소 동력 사양은 Table 1과 같다. 성능평가를 위하여 사용한 트랙터는 70마력급 트랙터와 100마력 급 트랙터이며 시간당 처리량과 분쇄 스크린 망의 간격에 따른 분쇄 입도를 분석하였다.

    1.2. 바이오매스용 거대억새 절단 및 분쇄 통합 시작기 성능평가

    시작기 성능 분석은 Table 2와 같이 분쇄기의 경우 모든 실험 조건에서 시간당 2.5 ton 이상의 처리량이 관찰된다. 분쇄 작업의 경우 스크린 크기를 작게 할수록 분쇄물의 길이가 짧아짐에 따라 분쇄 입도 향상 효과를 얻을 수 있다. 본 통합장치의 스크린 크기 3 mm로 설정하였을 때, 시간당 1.5에서 1.8 ton에 해당하는 거대 억새를 평균 4 mm 이하의 입자크기로 절단 및 분쇄를 할 수 있다 (Table 3).

    2. 거대억새 분쇄물 압착기 요인 실험 장치 성능평가

    Fig. 13은 입력 전원의 주파수에 대한 롤러의 회전속도를 측정한 실험 결과이다. 입력 전원의 인가 주파수(Hz)에 따라 롤러가 한 바퀴 회전 시 소요 시간을 Fig. 13a과 같이 측정하였다. 회전 당 소요 시간을 RPM으로 환산하여 도시한 그래프를 보면 입력 전원의 인가 주파수와 높은 선형 관계 (r2=0.99)를 Fig. 13b과 같이 이루고 있다. 입력 전원과 회전속도 간의 관계를 이용하여 거대억새 분쇄물의 압 착기 실험 시 롤러의 회전속도 변이 조건으로 설정하였다.

    Fig. 14a는 롤러의 회전속도 변화에 따른 초기함수율 5%인 시 료의 밀도변화를 나타내고 있다. 1회 실험한 결과 34 RPM에서는 밀도 240 g/L 이상이 되었지만, 다른 RPM에서는 240 g/L 이하였 다. 2회 실험 시 압축 롤러의 모든 회전속도 구간에서 240 g/L을 초과하였다. Fig. 14b는 롤러의 회전속도(RPM) 변화에 따른 초기 함수율 12%인 시료의 밀도변화를 보여주고 있다. 1회 실험한 결과 모든 구간에서 240 g/L 이하였으며, 2회 실험한 결과 20 RPM에서 만 밀도가 240 g/L을 초과하였다. 함수율이 낮을수록 결과물의 밀도가 높게 되는 것을 확인할 수 있었으며, 거대억새의 수분함량 이 5%와 12%에서는 롤러의 회전속도는 20 RPM일 때 밀도 성능 이 가장 높은 것으로 나타났다.

    Fig. 15a는 초기함수율 5%인 시료를 밀도 성능이 높았던 20 RPM을 고정하고 거대억새의 함수율 변화에 따른 밀도변화를 나타 내고 있다. 1차 실험 시 함수율이 5%일 때는 밀도가 240 g/L 이상 이 되었지만 다른 함수율에서는 240 g/L 이하의 결과로 나타났다. 2차 반복 실험 시 5%, 10%, 15%에서 밀도가 240 g/L 이상이 되었다. 함수율이 증가할수록 밀도가 낮아지는 경향을 보임을 알 수 있다. Fig. 15b는 초기함수율 12%인 시료를 20 RPM을 고정하 고 함수율 변화에 따른 밀도변화를 나타내고 있다. 1차 실험 시 전 구간에서 밀도가 240 g/L 이하였으며, 2차 반복 실험 시 12%, 15%, 20%에서 밀도 240 g/L 이상을 나타내었다. 초기함수율 5% 와 같이 함수율이 증가할수록 밀도가 낮아지는 경향을 보인다.

    본 연구는 바이오매스용 거대억새를 현장에서 절단, 분쇄, 압착 을 일관화할 수 있는 통합 작업기 개발을 하고자 하였다. 거대억새 절단 및 분쇄 통합 시작기와 분쇄물 압착기를 설계 제작하여 요인 성능실험을 하였다.

    거대억새 절단 및 분쇄 통합 시작기에는 거대억새 투입량을 조절 해주는 장치와 선별망 간격 조절 시스템이 설치되어 있다. 통합 시작 기는 선별망 간격을 3 mm로 설정하였을 때 시간당 1.5에서 1.8 ton 에 해당하는 절단 및 분쇄 작업성능이 관찰되었다. 거대억새 절단 및 분쇄 통합 시작기는 관행 방식인 절단 작업과 분쇄 작업을 별개 로 따로 처리해야 하는 작업 과정을 하나로 통합함으로서 투입에너 지 및 비용 경감에 효과가 있다고 판단된다.

    분쇄물 압착기를 설계 및 제작하여 성능실험을 롤러의 회전 속 도별 시료의 수분 함량별로 실시하였으며 함수율이 낮을수록 결과 물의 밀도가 높게 형성되었다. 재투입 시 시료의 수분함량과 관계 없이 결과물의 밀도가 대부분 240 g/L보다 높아졌다. 하지만 최적 인 조건을 찾기 위해서는 추가로 수분 함량별 및 롤러의 회전 속도 별 압착성능 실험을 현장에서 실시하고 이를 검증할 필요가 있다.

    감사의 글

    본 결과물은 농림축산식품부의 재원으로 농림식품기술기획평가 원의 첨단생산기술개발사업의 지원을 받아 연구되었음(320018-2)

    Figure

    JALS-54-4-101_F1.gif

    Conventional processing system for Korean giant miscanthus.

    JALS-54-4-101_F2.gif

    Flow of the integrated preprocessing system and output from each processing step with Korean giant miscanthus.

    JALS-54-4-101_F3.gif

    Schematic design of biomass chipper.

    JALS-54-4-101_F4.gif

    Schematic design of duplicated screener.

    JALS-54-4-101_F5.gif

    CAD for the prototype of biomass crusher.

    JALS-54-4-101_F6.gif

    CAD for grinder prototype using double layered roller.

    JALS-54-4-101_F7.gif

    Description of biomass grinder using double layered roller.

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    CAD of roll grinder prototype.

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    Grinder prototype for giant miscanthus.

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    The method of performance test for the grinder. (a) the view of the inlet of grinder, (b) the view of output from the grinder, (c) the measurement for volume of the ground miscanthus, and (d) the measurement for the weight of the ground miscanthus.

    JALS-54-4-101_F11.gif

    CAD for biomass chipper.

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    Scene of PTO connected the prototype for crushing biomass.

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    (a) Result of calibration test relating the Hz and time and (b) result of calibration test relating the Hz and RPM.

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    Result of density elevation corresponding to RPM at (a) 5% water content of miscanthus and (b) 10% water content of miscanthus.

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    Result of density elevation corresponding to water content of miscanthus on (a) 5% initial water content of miscanthus and (b) 12% initial water content of miscanthus.

    Table

    Specifications of each part of the integrated preprocessing system

    Capacities of the prototype of chipper

    Performance of the prototype of crusher

    Reference

    1. Boonmanumsin P , Treeboobpha S , Jeamjumnunja K , Luengnaruemitchai A , Chaisuwan T and Wongkasemjit S. 2012. Release of monomeric sugars from Miscanthus sinensis by microwave- assisted ammonia and phosphoric acid treatments. Bioresource Technology 103(1): 425-431.
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