Introduction
고추는 17세기경 국내에 도입되어 현재는 품종 개량으로 종류만 약 100여종에 이르고 있다. 우리 식단에서는 없어서는 안 될 식품이자 조리 시 필수 재료로 사용되고 있다. KOSTAT (2020)에 따르면 국내 고추 재배 면적은 전체 조미 채소류의 32%를 차지하고 있다. 농산물 가운데 수급 및 가격변동이 큰 품목은 노지채소의 변동이 가장 높다고 알려져 있다(Ryu et al., 2019). 가격변동 폭을 줄이기 위해서는 일시 수확 품종인 작물을 기계수확으로부터 안정적인 공급을 하여 생산량변동을 안정시킬 필요가 있다. 고추 재배 기계화율은 46%으로 알려져 있으나, 수확작업시 오로지 인력으로만 이루어 지고 있다(RDA, 2018). 이러한 고추 수확의 노동‧생산비 절감을 위해서 Kwak et al. (2018)은 고추 재배의 기계화에 필요한 최소한의 작업공간을 분석을 위하여 고추 재식밀도에 따른 생산량을 비교 분석하였다. 기계화를 위하여 처리한 처리구의 재식밀도는 관행 재배 처리구보다는 감소되었으나 총 수확량은 증가하여 생산성은 더 높아지는 결과로 나타났다. Gentry et al. (1978)이 피망등의 고추과 탈과 원리를 응용한 스프링식 피킹 플라스틱 바를 고추 줄기 사이에서 끌어올리는 방식의 탈곡장치를 설계 제작하여 현장 시험을 실시하였다. 작업 속도 0.25 m·s-1에서 송풍기로 잎과 작은 줄기를 일부 제거하였으나 이물질 선별이 미흡하여 추가적 선별작업이 이루어져야 한다고 하였다.
미흡한 이물질 선별작업을 개선하고자 고추수확기용 선별시스템 개발 연구가 수행되었다. Lenker and Nascimento (1982)은 와이어 벨트에 진동 핑거를 장착하여 기계 수확된 고추를 벨트위로 이동시키면서 작은 줄기와 잎을 핑거 사이로 떨어지도록 하였다. 선별 시스템은 벨트 경사도 범위 25 - 45도, 진동 주파수의 범위 9.5 - 12 Hz, 진동 핑거의 행정이 1.5 cm에서 가장 효과적이었다. Esch and Marshall (1984)은 다양한 고추 품종별로 줄기와 잎 등을 제거하는 고추 선별시스템을 성능 평가하였다. 선별 시 과실의 모양과 크기별 다르게 성능이 나타났고, 그중 체리 고추의 경우 선별율 90% 이상, 손상률 4.1% 이하의 결과를 얻었다. 하지만 선별작업 후에도 큰 줄기 등이 남아있어 추가적인 선별장치가 필요하다고 하였다. Eaton and Wilson (2005)은 카드 클리너 타입의 선별장치를 이용하여 뉴 멕시코주의 고추 품종에 대하여 성능시험을 실시하였으며, 고추 수확 시기가 고추 선별율에 영향을 미친다고 하였다. 수확시즌의 고추선별율은 93.5% 였으나 수확시즌이 지난 한달 후 선별율은 최소 70%, 최대 75%로 낮아진다고 보고하였다. Hong et al. (2006)은 팬 흡입 송풍장치를 이용하여 일시 수확형 고추의 이물질을 제거 시험을 수행하였다. 시험결과 팬 흡입 장치의 풍속이 12 - 15 m·s-1 범위에서 고추 잎 흡입이 가능하였고 고추선별율은 95%로 나타났다.
국내‧외에서 고추 수확기 개발에 대한 다양한 연구가 있으나 기계수확 시 작은 줄기 잎 등의 이물질이 다량으로 선별장치로 혼입되고 있는 실정이다. 고추 과실과 무게가 비슷한 이물질은 풍구를 이용한 선별 장치로서는 한계가 있어 추가적인 선별 장치를 고안할 필요성이 있다.
Choi (2006)는 일시수확 고추 품종인 생력 211, 생력 213과 시판 품종인 왕 대박 품종을 이용하여 고추수확기의 성능 분석을 하였다. 이물질 선별 장치는 콤바인 정선시스템을 개량하여 풍구 및 진동선별체와 이송 컨베이어로 요인 시험 장치를 제작 후 풍속, 진폭, 진동수에 따라 성능시험을 실시하였다. 성능 시험 결과는 풍속 6.2 m·s-1, 진폭 40 mm, 진동수 6.9 Hz, 선별체 봉의 굵기가 6 mm이고, 간격이 29 mm 일 때 고추선별율은 68.2%로 보고하였다. Kong et al. (2013)은 스타휠과 기류 타입의 선별 장치를 개발하고자 고추와 잎의 종말 속도를 측정 후 선별장치부의 최적 설계를 하고자 하였다. 요인시험결과에 따라 최적의 스타 휠 판의 간격 범위는 180 - 200 mm, 축간 거리 범위는 180 - 200 mm 로 선정하였다. Jo et al. (2018)은 중형 고추수확기용 카드 클리너 타입 선별부의 요인시험장치를 제작하고 선별 성능을 시험하였다. 시험 결과 최적의 성능은 일자형 배치와 회전속도 50 rpm, 카드 클리너 선별부의 각도 15 o에서 이물질 제거는 53.2%로 나타났다. 중형 고추수확기 관련한 선행 연구는 고추 탈실장치 및 풍구 선별장치에 대한 연구가 대부분이다(Lee et al., 2020; Shin et al., 2020). 카드클리너 시스템과 같은 풍구 외 선별장치에 대한 연구는 요인시험에 머무는 수준이며 필드 성능 실시하여 결과를 검토할 필요성이 있다.
본 연구의 목적은 두 가지 고추 품종에 대하여 중형 자주식 고추 수확기에 카드 클리너 시스템의 장착 유-무에 따라 고추 선별율과 이물질 혼입율을 비교 분석하고, 분석된 결과로부터 카드 클리너 시스템의 효능을 검증하고자 하였다.
Materials and Methods
중형 자주식 고추 수확기
본 연구에서 대상으로 하는 중형 자주식 고추 수확기의 모습은 Fig. 1과 같으며, 제원은 Table 1과 같다. 중형 자주식 고추수확기의 크기는 약 길이 4.4 m, 폭 1.8 m, 높이 1.9 m로 무게는 2.1 ton으로 제작되었다. 디젤엔진 22.5 kW의 동력으로 작업속도는 최소 0.1 m·s-1부터 최대 0.3 m·s-1까지 구동이 가능하다. 주요 구성 요소부는 탈실부, 줄기 분리를 위한 1차 선별부, 카드 클리너 시스템인 2차 선별부, 송풍 장치를 이용한 3차 선별부, 수집부, 주행부로 구성되어 있다. 선별부 및 수집부의 자세한 설명은 다음과 같다.
(A) 1차 선별부(stem separating part 1): 탈실부에서 분리되지 않은 고추와 줄기, 잎을 분리해 주는 역할을 한다.
(B) 2차 선별부(card cleaner separating part 2): 카드클리너는 회전축에 일정한 간격에 따라 여러 개의 카드를 채우고, 다수의 축을 연결한 장치이다. 1차 선별부에서 이송된 고추와 이물질을 회전하는 사각의 카드 클리너 장치에서 요동시켜 고추 최소 직경보다 작은 이물질은 카드 사이 아래로 배출하면서 정상적인 고추 과실은 3차 선별부로 이송해주는 역할을 한다.
(C) 3차 선별부(blowing fan separating part 3): 송풍 장치를 이용하여 2차 선별 중 남은 줄기와 잎을 분리하는 역할을 한다.
(D) 수집부(colleting part): 이물질이 선별된 고추가 최종적으로 수집되는 탱크 구조로 배출이 용이하게 상하 실린더가 장착되어 있다.
2차 선별부인 카드클리너의 형상은 직사각형 형태로 중심부에 사각 환봉(26 × 26) mm 이 삽입되는 형태로 되어 있으며 세부 치수는 Fig. 2a와 같다. Fig. 2b는 카드 클리너 시스템 도면으로 길이 × 폭 (900 × 795.4) mm 의 크기로 설계되었다. 카드 클리너 축간 거리는 140 mm 로 축 별로 엇갈림 배치시켰으며 총 6개 축을 가진 카드 클리너 시스템으로 구성하였다. 카드 클리너 시스템의 회전은 이송 컨베이어 회전속도와 같게 하였다.
Table 2는 카드클리너의 제원을 나타내고 있다. 길이 × 폭 × 두께는 150 × 150 × 4.8 mm이며 카드 클리너 시스템의 하중을 줄이고자 플라스틱 재질로 선정하였다.
Fig. 3은 중형 자주식 고추수확기의 동력전달 시스템 및 각 선별부의 회전 속도를 나타낸 것으로 엔진 정격 회전수 2,600 rpm을 풀리 경 차이를 통해 1차 감속하여 3차 선별부인 송풍 장치를 2,300 rpm으로 구동 하였다. 2차 감속을 통해 1차 선별부의 줄기분리 장치를 283 rpm으로 구동하고, 줄기분리 장치의 3차 감속을 통해 카드클리너를 61 rpm으로 전달하도록 하였다.
카드 클리너 시스템의 유-무에 따른 성능을 확인하기 위하여 카드 클리너 시스템을 제외한 모든 부품이 동일한 고추 수확기 2대를 사용하였다. Fig. 4a는 카드 클리너 시스템 없이 컨베이어로 수집부로 이송만 하는 시스템이며 Fig. 4b는 카드 클리너 시스템이 장착되어 선별된 고추가 이송되고 있는 모습을 보여주고 있다.
실험 시료
시험에 사용된 고추의 품종은 적영과 AR-Legend로 농촌진흥청 원예특작과학원 내 시설 하우스에서 2019년 11월 20일에 정식하여 2020년 3월 18일 시험에 사용하였다. Fig. 5는 시험에 사용되었던 두가지 고추 품종인 적영 및 AR-Legend의 모습을 보여주고 있다. 적영 품종은 농촌진흥청 원예특작 과학원에서 다수확 품종개량을 위해 개발된 일시 수확형 품종을 사용하였으며, AR-Legend는 시판 품종을 사용하였다.
고추 시료와 고추 과실의 물성을 측정하기 위하여 고추 시료의 초장, 초폭, 줄기 길이, 줄기 직경(Fig. 6a), 고추 과실의 길이 및 폭(Fig. 6b)을 측정하였으며 Table 3에 고추 시료 및 고추 과실의 물성 값을 보여주고 있다. 고추 과실의 길이, 직경, 무게, 과실 수의 평균은 적영 품종에서 116.4 mm, 22 mm, 13.8 g, 55개이며, AR-Legend 품종에서 120.6 mm, 23.7 mm, 18 g, 29개로 측정되었다. 적영 품종이 AR-Legend 품종보다 고추 과실의 무게는 작았으며, 일시 수확형 적영 품종의 과실수가 AR-Legend보다 약 2배 많았다.
실험 방법
Fig. 7은 요인 성능시험에 대하여 비닐 하우스 내 측정 거리와 품종 별 시험 구간 설정에 대한 개략도를 나타낸 것이다. 품종 별 고추 시험 구간은 주간 거리 350 mm로 고추 10주씩 거리인 3.5 m로 설정하였으며 구간과 구간 사이에 5 m 여유공간을 조성하였다. 자주식 중형고추수확기의 작업속도는 0.2 m·s-1로 고정하였으며, 카드 클리너 시스템 장착 유-무에 따라서 2수준, 두가지 품종에 따라 2수준, 반복 시험은 3회 실시하고 시험결과는 평균값으로 하였다.
시험 성능 평가는 고추의 선별율 및 이물질 혼입율로 결정하였다. 측정범위가 0.005부터 15 kg이며 분해능이 5 g인 CAS 사의 PB (CAS Company Inc., Yangju, Korea)를 이용하여 고추와 이물질의 무게를 측정하였다.
고추의 선별율은 총 투입된 고추 과실에 대해 수집 탱크에 수집되는 고추 과실의 비율로 정의하여, 식(1)과 같이 정의하였다.
(1)
Where, Dsep: The separation efficiency of pepper materials (%)
Ptp: Quantity of all peppers materials (g)
Pcp: Quantity of collected peppers in collecting tank materials (g)
이물질 혼입율은 총 수집 탱크에 수집되는 이물질의 비율로 정의하여, 식(2)와 같이 정의하였다.
(2)
Where, Dfmm: The foreign matter mixing rate (%)
Ptpf: Quantity of collected peppers and foreign in collecting box materials (g)
Pcf: Quantity of collected foreign in collecting tank materials (g)
시험 결과는 각 요인에 따른 이물질 혼입율의 유의성 및 요인 간의 상관분석을 위해 이원배치 분산분석법을 이용하였다. 통계 분석은 통계분석 소프트웨어인 SAS version 9.4 (SAS Institute Inc., Cary, NC, USA)를 활용하여 결과를 분석하였다.
Results and Discussion
고추 선별율 시험 결과
고추 수확기계의 카드 클리너 시스템의 장착 유-무와 품종 별 고추 선별율 결과는 Table 4 와 같다. 카드 클리너 시스템을 장착하였을 때 고추의 선별율은 카드클리너 시스템을 장착하지 않았을 때 보다 적영과 AR-Legend 품종에서 각각 평균적으로 13.5, 1.9% 높게 나타났다. 적영 품종은 일시 수확형 품종으로 고추가 한번에 착과하는 양이 시판 품종인 AR-Legend 대비 높고, 수확 시 고추와 이물질의 혼입되는 양이 많아 고추 선별율 차이가 품종 별 다르게 나타났다. 이물질과 뭉쳐진 고추 과실 대부분이 회전하는 카드클리너 장치로부터 분리되어 풍구장치로 이송하면서 선별이 높게 나타난 것으로 판단된다. 반면 AR-Legend 품종은 고추의 과실과 이물질이 혼입되는 양이 적영 품종보다 적어 카드클리너 장치에서의 고추 선별율 차이가 낮게 나타났다.
Table 5의 분산분석표에 따르면, 신뢰수준 95%에서 고추 선별율에서 품종과 카드 클리너 시스템 두 요인 간에 서로 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 품종과 카드 클리너 시스템 유무 간의 교호작용 분석 결과 p-value는 0.176으로 유의수준 0.05보다 높으므로 두 요인 간 교호작용에 의한 효과는 없는 것으로 나타났다. 또한 품종과 카드 클리너 시스템 유무 요인에 대해서도 각각의 p-value는 각각 0.0676와 0.222로 유의수준 0.05보다 높으므로 각각의 요인에 따른 선별율에 차이가 없는 것으로 나타났다. 고추 선별율에 교호작용에 의한 영향이 나타나지 않은 이유는 카드 클리너 시스템이 없는 경우보다 장착되었을 경우에 고추 선별율은 향상되게 차이가 나타났으나 품종 별 편차로부터 발생된 차이가 높아 선별율에 차이가 없는 것으로 나타난 것으로 판단된다.
Table 5. The two-way ANOVA results of the separation efficiency according to the variety and the card
cleaner.
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DF, degrees of freedom; ANOVA SS, analysis of variance sum of squares. |
이물질 혼입율 시험 결과
카드 클리너 시스템의 적용 유-무와 품종에 따른 수집 탱크 내 이물질 혼입율 결과는 Table 4 와 같다. 카드 클리너 시스템을 장착하지 않았을 경우 적영 품종의 평균 이물질 혼입율은 11.3%였으나 카드 클리너 시스템을 적용 시 이물질 혼입율은 2.6%로 나타났으며 8.7%만큼 감소되었다. AR-Legend 품종에서는 카드 클리너 시스템을 장착하지 않았을 경우 평균 이물질 혼입율이 4.6%였으나, 카드 클리너 시스템을 적용 시 2.1%로 나타났으며 2.5%만큼 이물질 혼입율이 낮게 나타났다. 적영 품종은 Table 3에서와 같이 초장과 초폭이 AR-Legend 보다 평균적으로 각각 417, 188.8 mm만큼 길다. 적영 품종의 잎, 줄기 등의 이물질 비율이 상대적으로 AR-Legend 품종보다 높으므로 고추 탈실 시 줄기와 잎의 이물질 혼입율이 높게 나타난 것으로 판단된다.
Table 6의 분산분석표에 따르면, 신뢰수준 95%에서 고추 품종과 카드 클리너 시스템은 이물질 혼입율에 영향을 받는 것으로 나타났다. 품종과 카드 클리너 시스템 유-무 간의 교호작용 분석 결과 p-value는 0.0106으로 유의수준 0.05보다 낮으므로 두 요인 간 교호작용에 의한 효과는 있는 것으로 나타났다. 또한 품종과 카드 클리너 시스템 유-무 요인에 대해서도 각각의 p-value는 각각 0.0049와 0.0003으로 유의수준 0.05보다 낮으므로 각각의 요인에 따른 이물질 혼입율의 차이가 있는 것으로 나타났다
Conclusion
본 연구에서는 고추수확기의 선별부의 이물질 제거에 따른 카드 클리너 시스템 장착 유-무 2 수준과 고추 품종 2 수준에서의 실제 수확기계에서 요인 시험을 수행하였다. 기계 수확 조건에서의 작업 속도 0.2 m·s-1 기준으로 카드 클리너 시스템을 장착하지 않은 수확기와 카드클리너 시스템을 장착한 수확기에서 고추 묘 10주를 기준으로 수집 탱크에 수집되는 고추의 선별율과 이물질 혼입율을 분석하였다. 3회 반복 시험의 평균값으로 하여 도출한 결과, 카드 클리너 시스템을 장착함으로써 적영 및 AR-Legend 품종에서 고추 선별율은 각각 13.5, 1.9% 증가하였으며, 이물질 혼입율은 각각 8.7, 2.5% 만큼 감소되는 것으로 나타났다.
이원배치 분산분석법을 적용하여 분석한 결과를 요약하면 다음과 같다.
일시 수확형인 적영 품종에서 카드클러너 시스템을 장착하였을 때 고추 선별율의 증가 차이 및 이물질 혼입율의 감소 차이가 AR-Legend 품종보다 높게 나타났다.
유의 수준을 검증한 결과 카드 클리너 시스템 장착 유무와 품종은 고추 선별율에 서로 영향을 주지 않는 것으로 나타났으나, 이물질 혼입율에 대해서는 영향을 주는 것으로 나타났다.
고추 선별율이 평균 90% 이상, 이물질 혼입 비율이 평균 3% 미만으로 개발 목표로 설정하였을 때, 카드 클리너 시스템을 장착하였을 경우에 선별부의 최적조건에 부합한다고 할 수 있다.
향후 다양한 노지 포장 별, 품종 별, 작업 속도 별로 현장 시험을 실시 및 분석을 통하여 시험 요소별 최적 조건을 도출할 수 있다.
