KR102193095B1 - 잉여농산물 및 가공부산물을 이용한 업사이클 순환농법 - Google Patents

잉여농산물 및 가공부산물을 이용한 업사이클 순환농법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유통 및 가공 판매 단계에서 발생하는 잉여농산물 및 가공부산물을 수거하고 상기 수거한 잉여농산물 및 가공부산물을 이용하여 밀웜과 밀웜성충을 사육한다.
상기 사육 시 사용되는 사육통은 적층구조를 이루며, 밀웜과 밀웜성충 사육 시 발생하는 열을 재활용하여 엽경채류를 키운다.
또한, 사육된 밀웜 및 밀웜성충을 이용하여 상기 유통 및 가공판매과정에서 발생하는 스티로폼을 분해하고 상기 스티로폼을 분해한 밀웜의 부산물을 이용 작물성장비료를 생성하고 상기 밀웜과 밀웜성충으로부터 오일(Oil)과 키토산을 추출한다.
상기 밀웜과 밀웜성충으로부터 추출한 오일(Oil)과 키토산을 이용하여 농산물을 생산하고 남은 단백질과 지질을 가축의 사료로 사용한다.
상기 제시된 일련의 과정을 반복 수행함으로 뛰어난 경제성과 환경 보호 효과를 갖는 잉여농산물 및 가공 부산물을 이용한 업사이클 순환농법에 관한 것이다.

Description

잉여농산물 및 가공부산물을 이용한 업사이클 순환농법{Up-cycle circulation farming using surplus agricultural products and processed by-products}
본 발명은 유통 및 가공 판매 단계에서 발생하는 잉여농산물 및 가공부산물을 수거하고 상기 수거한 잉여농산물 및 가공부산물을 이용하여 밀웜과 밀웜성충을 사육한다.
상기 사육 시 사용되는 사육통은 적층구조를 이루며, 밀웜과 밀웜성충 사육 시 발생하는 열을 재활용하여 엽경채류를 키운다.
또한, 사육된 밀웜 및 밀웜성충을 이용하여 상기 유통 및 가공판매과정에서 발생하는 스티로폼을 분해하고 상기 스티로폼을 분해한 밀웜의 부산물을 이용 작물성장비료를 생성하고 상기 밀웜과 밀웜성충으로부터 오일(Oil)과 키토산을 추출한다.
상기 밀웜과 밀웜성충으로부터 추출한 오일(Oil)과 키토산을 이용하여 농산물을 생산하고 남은 단백질과 지질을 가축의 사료로 사용한다.
상기 제시된 일련의 과정을 반복 수행함으로 뛰어난 경제성과 환경 보호 효과를 갖는 잉여농산물 및 가공 부산물을 이용한 업사이클 순환농법에 관한 것이다.
일반적으로 잉여농산물 및 가공부산물이 발생하게 되고, 이와 같은 잉여농산물 및 가공부산물은 농가의 손실로 이어진다. 이와 같은 손실을 최소화하기 위하여, 상기 잉여농산물 및 가공부산물을 처리함으로써, 지역 농산물 생산 및 상품 경쟁력 확보가 가능하다.
아울러, 키토산의 육상 원재료 생산으로 불안정한 계절적 소재 공급 단점을 해소하고, 현재 농업 인프라 구조에서의 문제점인 농산물 유통과정인 공판장, 농협수매, 개인판매 및 개인가공 과정을 거치는 동안 상당량이 폐기처리 되는 문제를 해결한다.
대한민국 공개특허 10-2017-0106355(공개일자 2017년09월20일)
본 발명은 상기 문제를 달성하기 위해,
유통 및 가공 판매 단계에서 발생하는 잉여농산물 및 가공부산물을 수거하고 상기 수거한 잉여농산물 및 가공부산물을 이용하여 밀웜과 밀웜성충을 사육하고,
상기 사육 시 사용되는 사육통은 적층구조를 이루며, 밀웜과 밀웜성충 사육 시 발생하는 열을 재활용하여 엽경채류를 키우고,
또한, 사육된 밀웜 및 밀웜성충을 이용하여 상기 유통 및 가공 판매 과정에서 발생하는 스티로폼을 분해하고 상기 스티로폼을 분해한 밀웜의 부산물을 이용 작물성장비료를 생성하고 상기 밀웜과 밀웜성충으로부터 오일(Oil)과 키토산을 추출하고,
상기 밀웜과 밀웜성충으로부터 추출한 오일(Oil)과 키토산을 이용하여 농산물을 생산하고 남은 단백질과 지질을 가축의 사료로 사용하여,
상기 제시된 일련의 과정을 반복 수행함으로 뛰어난 경제성과 환경보호 효과를 갖는 잉여농산물 및 가공부산물을 이용한 업사이클 순환농법을 제공하는 것을 발명의 목적으로 한다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해,
유통 및 가공 판매 단계에서 발생하는 잉여농산물 및 가공부산물을 수거하는 단계(S10)와,
상기 수거한 잉여농산물 및 가공부산물을 이용하여 밀웜과 밀웜성충을 사육하는 단계(S20)와,
상기 사육된 밀웜을 이용하여 유통 및 가공판매에서 발생되는 스티로폼을 분해하는 단계(S30)와,
상기 스티로폼을 분해한 밀웜의 부산물을 모아 작물성장비료를 생성하는 단계(S40)와,
상기 밀웜과 밀웜성충로부터 오일(Oil)과 정제된 키토산을 추출하는 단계(S50)와,
상기 밀웜과 밀웜성충로부터 추출한 오일(Oil)과 정제된 키토산을 이용하여 농산물을 생산하는 단계(S60)와,
상기 오일(Oil)과 키토산이 추출되고 남은 지질과 단백질을 가축의 사료로 사용하는 단계(S70)와,
상기 S10 내지 S70 단계를 반복적으로 수행하는 단계(S80)를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉여농산물 및 가공부산물을 이용한 업사이클 순환농법을 제공한다.
본 발명에 따른 잉여농산물 및 가공부산물을 이용한 업사이클 순환농법은 농업인으로 현재의 생산 및 유통구조에서의 문제점을 인프라 구조개선을 통해 지속 가능한 선순환 농업에 필요한 기술 개발을 통한 인프라 개선으로 안정적이며 경쟁력 갖춘 농업을 위한 친환경 순환농업을 제공함으로 뛰어난 경제성과 환경개선 효과를 동시에 갖출 수 있다.
도 1은 본 발명의 잉여농산물 및 가공부산물을 이용한 업사이클 순환농법에 따른 전체 순환도.
도 2는 본 발명의 잉여농산물 및 가공부산물을 이용한 업사이클 순환농법에 따른 사육통 구성도.
이하, 본 발명에 따른 잉여농산물 및 가공부산물을 이용한 업사이클 순환농법에 대해 도면과 함께 구체적으로 살펴보도록 한다.
유통 및 가공판매 단계에서 발생하는 잉여농산물 및 가공부산물을 수거하는 단계(S10)와,
상기 수거한 잉여농산물 및 가공부산물을 이용하여 밀웜과 밀웜성충을 사육하는 단계(S20)와,
상기 사육된 밀웜을 이용하여 유통 및 가공판매에서 발생되는 스티로폼을 분해하는 단계(S30)와,
상기 스티로폼을 분해한 밀웜의 부산물을 모아 작물성장비료를 생성하는 단계(S40)와,
상기 밀웜과 밀웜성충로부터 오일(Oil)과 정제된 키토산을 추출하는 단계(S50)와,
상기 밀웜과 밀웜성충로부터 추출한 오일(Oil)과 정제된 키토산을 이용하여 농산물을 생산하는 단계(S60)와,
상기 오일(oil)과 키토산이 추출되고 남은 지질과 단백질을 가축의 사료로 사용하는 단계(S70)와,
상기 S10 내지 S70 단계를 반복적으로 수행하는 단계(S80)를 포함한다.
상기 잉여농산물 및 가공부산물을 이용한 업사이클 순환농법의 각 단계별 기술 구성에 대해 구체적으로 살펴보도록 한다.
설명에 앞서 밀웜과 밀웜성충에 대해 알아보도록 한다.
[밀웜]
밀웜은 갈색거저리(Tenebrio molitor)의 애벌레인 밀웜(Mealwarm)으로 새나 애완동물의 먹이로 사용되어 왔으나, 최근에는 밀웜이 건강식에 이용되고 있다.
밀웜은 대두에 비해 필수 아미노산이 더 많고, 육류에 비해서 불포화지방산 함량이 더 높으며, 키틴질로 대표되는 식이섬유를 많이 함유하고 있어 영양적으로 우수한 식품이다.
상기 밀웜은 수분이 2.9%, 조단백질 50.3%, 조지방 33.8%, 탄수화물 9%, 조회분 4%, 조섬유 5%가 함유되어 있어, 고단백 식품으로 가치가 있다.
[밀웜성충]
갈색거저리라고도 한다. 몸길이 약 15 mm이다. 몸빛깔이 구룡충(구룡거저리)과 비슷해 어두운 갈색이며 광택이 난다. 머리에 점들이 있으나 촘촘히 나 있지 않다. 더듬이(촉각)의 끝마디와 길이는 나비가 유사하다. 앞가슴과 등판은 정사각형이고, 뒷 가두리의 새로 홈은 뚜렷하다. 복판은 너비가 넓은 오각형이다. 딱지날개는 갈색으로 8줄의 새로 홈이 있고 간실은 볼록하며 작은 점들이 촘촘히 있다.
성충은 주로 곡류 속에 알을 낳는다. 알은 매우 작아 눈으로 쉽게 찾을 수 없으며 1 ~ 2주일 후 부화한다. 유충은 밀웜(Mealworm)이라 한다.
[유통 및 가공 판매 단계에서 발생하는 잉여농산물 및 가공부산물을 수거하는 단계(S10)]
유통 및 가공 판매 단계에서 발생하는 잉여농산물 및 가공부산물을 수거하는 단계로서,
농산물 생산 및 가공과정에서 발생하는 잉여, 비품을 수거하고, 건조한 후 분쇄 한다.
상기 발생하는 잉여농산물은 대표적으로 쌀, 밀가루, 옥수수, 콩, 배추 등이 있다.
상기 가공부산물은 껍질, 씨, 부스러기 예를 들면 오렌지 껍질, 자두의 씨, 감자 껍질 등이 있다.
[상기 수거한 잉여농산물 및 가공부산물을 이용하여 밀웜과 밀웜성충을 사육하는 단계(S20)]
상기 수거한 잉여농산물 및 가공부산물을 이용하여 밀웜과 밀웜성충을 사육하는 단계이다.
상기 S1O 단계에서 발생하는 잉여농산물 및 가공부산물을 수거하여 건조한 후 분쇄하여 밀웜과 밀웜성충의 먹이로 사용한다.
상기 잉여농산물과 가공부산물을 섭취한 밀웜과 밀웜성충은 식이섬유, 비타민, 각종 영양분을 먹게 됨으로써, 각종 영양성분을 통해 건강하게 성장하여 더욱 활발한 번식 활동을 할 수 있다.
상기 제시된 바와 같이 활발한 번식 활동은 밀웜의 양이 증가됨을 뜻한다. 이로써, 오일(Oil)과 키토산을 더욱 많이 추출할 수 있다.
또한, 밀웜은 섭취량이 뛰어나며 잉여농산물과 가공부산물을 단시간에 처리할 수 있는 효과를 갖는다.
상기 밀웜이 성충이 되어 알을 낳고 부하하여 밀웜이 태어나는 번식활동을 반복한다.
아울러, 상기 밀웜과 밀웜성충을 구분하여 보관하는 것이 바람직하다.
도2에 도시된 바와 같이, 상기 밀웜을 사육할때의 사육통(10)은 적층구조를 이루고, 사육통 내부는 25 ~ 28℃의 열을 유지하도록 온도 조절이 가능한 온도조절 장치를 설치한다.
또한, 1층은 밀웜을 사육하고 2층은 밀웜성충을 사육하여 사육 시 사용되는 열을 재활용해 3층에 엽경채류를 키운다.
또한, 사육통(10) 일층에는 열순환통로(11)가 형성되고, 상기 열순환통로(11)는 1층에서 3층과 2층에서 3층으로 한쌍이 형성되어, 1층과 2층에서 발생하는 열을 3층으로 열순환통로(11)를 통해 공급함으로 사육 시 버려지는 열을 재활용해 엽경채류를 키울 수 있어 경제성을 높이는 결과를 갖는다.
또한, 1층과 2층 측면 일측에는 각각 한개의 숨구멍(12)을 포함하고, 상기 3층의 엽경채류를 키우는 사육통은 햇빛이 관통할 수 있도록 유리 또는 비닐을 이용하여 제작하는 것이 바람직하다.
상기 숨구멍(12)을 통해 밀웜의 폐사를 방지할 수 있다.
[상기 사육된 밀웜을 이용하여 농작물 판매과정에서 생성된 스티로폼을 분해하는 단계(S30)]
일부의 밀웜을 골라 스티로폼이 들어있는 폐기처리통에 넣고 농산물 판매과정에서 생성되는 스티로폼 즉 발포폴리스티렌의 플라스틱 소재를 밀웜을 이용하여 분해한다.
상기 밀웜 뱃속에는 강력한 박테리아가 형성되어 있어, 이를 통해 플라스틱을 분해함과 동시에 생장활동을 한다.
상기 밀웜은 스티로폼을 섭취하며 생장 활동 시 이산화탄소(50%)와 부산물(50%)를 배출한다.
[상기 스티로폼을 분해한 밀웜의 부산물을 모아 작물성장비료를 생성하는 단계(S40)]
상기 스티로폼을 분해한 밀웜의 부산물을 모아 작물성장비료를 생성한다.
본 발명에 따른 더욱 구체적인 시험의 예를 살펴보도록 한다.
상기 밀웜 200마리를 태어났을 때부터 1달 동안 지속적으로 51.2 ~ 61.7 mg 의 발포폴리스티렌을 섭취하도록 하였다.
상기 밀웜이 발포폴리스티렌을 섭취한 후 24시간이 지나자 밀웜은 발포폴리스티렌의 49.7%를 이산화탄소로 전환했고, 나머지는 작물성장비료로 사용할 수 있는 부산물로 배출했다.
또한, 1달 후 발포폴리스티렌을 먹고 자란 밀웜들과 사료를 섭취한 밀웜들의 비교결과 건강상태는 동일했다.
이로써, 스티로폼 분해하여 환경문제를 개선하고 작물성장비료를 생성할 수 있다.
[상기 밀웜과 밀웜성충으로 부터 Oil과 정제된 키토산을 추출하는 단계(S50)]
상기 사육한 밀웜과 밀웜성충으로부터 밀웜 오일(Oil) 및 키틴, 키토산을 추출하는 단계이다.
상기 오일(Oil)은 밀웜을 압착하여 추출된 오일(Oil)이다.
상기 키틴 및 키토산은 상기 밀웜과 밀웜성충으로 부터 추출한다.
또한, 상기 키토산의 경우 순도를 높이기 위해 탈아세틸화 과정과 증류수 세척과정을 반복한다.
상기 밀웜을 압착하여 만들어진 오일(Oil)은 기존의 식용유와 관능이 유사하다.
오일(Oil)이 추출된 밀웜 또는 밀웜성충의 페놀류 및 무기염을 제거하고, 증류수 세척 후 단백질 및 지질을 제거하여 뮐웜 또는 밀웜성충의 표피로부터 키틴을 얻는다.
상기 밀업의 표피를 제거하고 잔여된 단백질과 지질은 가축의 사료로 사용된다.
또한, 상기 뮐웜 또는 밀웜성충의 표피로부터 얻은 키틴을 90℃ 이상에서 40% 이상의 NaOH로 탈아세틸화 과정과 증류수 세척과정을 반복수행하여 키토산을 얻는다.
상기 NaOH로 탈아세틸화 과정과 증류수 세척과정은 1 ~ 10회 반복한다
또한, 상기 키토산으로부터 효소 및 화학적 분해 과정을 걸쳐 정제된 키토산을 제조한다.
상기 효소 및 화학적 분해 과정은 상기 키토산을 2% 아세트산에 녹여 침전함으로써 달성된다.
이하, 상기 밀웜과 밀웜성충의 키틴과 키토산에 대해 구체적인 내용을 살펴보도록 한다.
키틴은 N-아세틸글루코사민의 결합으로 이루어져 있으며 셀룰로스 다음으로 자연계에 풍부하게 존재하는 다당류로, 주로 게나 새우의 껍질, 버섯이나 균류의 세포벽, 곤충의 외골격에 함유되어 있다.
독성이 거의 없으며, 소수성 및 겔 형성 특성, 항균작용, 단백질 친화력를 가지고 있으며, 식품가공 시 효소 고정화에 쓰이는 등 활용성이 높은 물질로 알려져 있다.
키틴질 함량은 분석 결과, 밀웜은 1.01 ~ 1.55% 이며, 대표적인 귀뚜라미의 경우 8.7%, 메뚜기는 건조 중량 대비 8.73%인 것에 비교하면 적은 함량이지만, 같은 유충기에 있는 누에와 벌집나방 애벌레의 함량 (15.8 mg %, 8.4 mg %)에 비하여 높았다.
밀웜은, 장내 상피세포에서 분비되는 키티나아제가 유충의 외피에 함유된 키틴의 분해에 관여하며 pH 3 ~ 4 범위에서 최적 활성을 나타낸다.
염장 중 키틴 함량의 감소는 키티나아제의 가수분해 작용에 의한 키틴 올리고당, 키토산 등의 저분자 물질이 생성되며, 염장 저장 중 고형분 pH 5.25 ~ 6.17의 범위에서는 효소 활성이 크지 않아 염장 저장에 따른 유의적인 감소는 보이지 않는다.
아울러, 키토산은 N-아세틸글루코사민과 결합으로 연결된 고분자 다당체로서 분자 내 D-글루코사민 비율이 60% 이상이며 묽은 산에 녹는 것을 총칭한다.
체내에서 아세틸글루코사민, 글루코사민 또는 키토산 올리고당 등의 형태로 흡수된다.
식품의약품안전처에의해 설정된 일일섭취량은 1.2 ~ 4.5 g이며, 체내에서 담즙산의 생성을 촉진하여 콜레스테롤 농도를 감소시키는 효과가 있는 것으로 보고되어 있다.
분석 결과, 키토산은 저장 초기(0일)에 2.27 ~ 2.66% 범위의 값을 가지는 것으로 나타났으며, 토하젓이 2.38%의 키토산 함량을 가진다고 보고된 결과와 유사하였다.
또한, 저장에 따라 증가하여, 90일에 염농도 25%, 30%, 35% 처리군은 각각 3.69±0.12%, 3.40±0.07% 및 2.74±0.03%의 키토산을 함유하는 것으로 측정되었으며, 식염 첨가량이 적을수록 키토산 함량이 높게 측정되었다.
이는 갈색 거저리 유충이 가지고 있는 키티나아제에 의한 키틴의 가수분해 작용보다는 갈색거저리 유충의 중장 내에 단백질과 결합하여 존재하는 글리코사미노글리칸에서 일부 유래한 D-글루코사민 함유 유도체가 키토산과 함께 검출된 것으로 생각되며, 염 농도가 높은 경우 생체 내 효소 등에 대한 억제 작용에 의하여 식염 함량에 따른 키토산 함량이 유의적인 차이가 나타난다.
[상기 밀웜에서 압착 추출한 오일(Oil)과 키토산을 이용하여 농산물을 생산하는 단계(S60)]
상기 S50단계에서 제조된 오일(Oil)과 정제된 키토산을 활용하여 농산물의 비료로 사용함으로써, 토양중의 미생물 가운데 식물에 해로운 사상균을 억제하고 식물에 유익한 방선균을 증식한다.
또한, 토양 중에 서식하는 상기 미생물의 균층의 균형은 생물생산에 도움을 주는 지력 유지에 중요한 역활을 하는데 이 균형이 붕괴되면 키티나제를 분비하는 토양의 유효 미생물인 사상균이 적어지고 후사리움균 또는 시로크토나아균 등 키틴과 세포벽을 갖는 토양 병원균이 이상 증식하여 연작 장해의 요인이 되고 식물의 생육장애 현상이 일어난다.
이에 대비해, 상기 S50단계에서 제조된 키토산을 활용하여 농산물의 비료로 사용함으로써, 후사리움균이 적어지고 방선균의 증식이 사상균보다 높게 된다.
또한, 상기 정제된 키토산을 뿌려주면 뿌리내림이 개선되고 흰 뿌리가 많아져, 키토산을 통해 스스로 보호능력을 높이고 키티나제 등의 효소작용으로 병원의 침입을 저지시켜 뿌리 발달을 쉽게 한다.
[Oil과 키토산이 추출되고 남은 지질과 단백질을 가축의 사료로 사용하는 단계(S70)]
밀웜에서 추출한 오일(Oil)과 키토산을 추출하는 단계 S50에서 과정에서 버려지는 단백질 및 지질을 가축 사료화 하여 경제성을 확보할 수 있다.
상기 단백질 및 지질을 가축 사료화 하는 과정은 열풍건조 또는 동결건조 방식이 활용될 수 있고, 더욱 구체적으로는, 0 ~ (-30 ~ -40℃)에서 40 ~ 60분간 급속 동결 후, 상온 20~ 49℃, 진공도 0.1 ~ 0.5 Torr에서 동결건조한 후 분쇄한다.
[상기 S10 내지 S70 단계를 반복적으로 수행하는 단계(S80)]
도1에 제시된 바와 같이, 상기 S10 내지 S70 단계를 반복적으로 수행하는 업사이클 순환농법으로 경제성을 확보하고 환경문제를 개선할 수 있다.
본 발명은 잉여농산물 및 가공부산물을 이용하여 뮐웜과 뮐웜성충을 사육하고 상기 밀웜과 밀웜성충을 통해 유통 및 가공판매에 발생하는 스티로폼을 제거하고, 키토산, 오일(Oil), 비료 및 동물사료를 생산하는 동시에 밀웜과 밀웜성충 사육 시 발생하는 열을 재활용하여 엽경채류를 재배하면서 경제성이 뛰어난 동시에 환경문제까지 해결할 수 있어 산업상 이용 가능성이 매우 크다.
10:사육통
11:열순환통로
12:숨구멍

Claims (3)

  1. 유통 및 가공 판매 단계에서 발생하는 잉여농산물 및 가공부산물을 수거하는 단계(S10)와,
    상기 수거한 잉여농산물 및 가공부산물을 이용하여 밀웜과 밀웜성충을 사육하는 단계(S20)와,
    상기 사육된 밀웜을 이용하여 유통 및 가공판매에서 발생되는 스티로폼을 분해하는 단계(S30)와,
    상기 스티로폼을 분해한 밀웜의 부산물을 모아 작물성장비료를 생성하는 단계(S40)와,
    상기 밀웜과 밀웜성충로부터 오일(Oil)과 정제된 키토산을 추출하는 단계(S50)와,
    상기 밀웜과 밀웜성충로부터 추출한 오일(Oil)과 정제된 키토산을 이용하여 농산물을 생산하는 단계(S60)와,
    상기 오일(Oil)과 키토산이 추출되고 남은 지질과 단백질을 가축의 사료로 사용하는 단계(S70)와,
    상기 S10 내지 S70 단계를 반복적으로 수행하는 단계(S80)에 있어서,

    상기 오일(Oil)과 정제된 키토산은,
    밀웜을 압착하여 오일(Oil)을 추출하는 단계와,
    오일(Oil)이 추출된 밀웜 및 밀웜성충로부터 페놀류 및 무기염을 제거하는 단계와,
    페놀류 및 무기염을 제거한 밀웜 및 밀웜성충을 증류수로 세척하는 단계와,
    증류수로 세척한 밀웜 및 밀웜성충로부터 단백질 및 지질을 제거하는 단계와,
    상기 단백질 및 지질을 제거한 밀웜 및 밀웜성충의 표피로부터 키틴을 제조하는 단계와,
    상기 키틴을 90℃ 이상에서 40% 이상의 NaOH로 탈아세틸화 및 세척을 반복하는 단계와,
    상기 탈아세틸화 및 세척 반복단계를 거쳐 키토산을 얻는 단계와,
    상기 얻은 키토산으로부터 효소 및 화학적 분해하여 정제하는 단계를 거쳐 정제된 키토산 및 오일(Oil)을 얻는 것을 특징으로 하는 잉여농산물 및 가공부산물을 이용한 업사이클 순환농법.









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