KR20220032400A

KR20220032400A - 왕겨 섬유와 도축 폐혈액을 포함하는 자원순환형 토양개량제 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20220032400A
Application number: KR1020200114125A
Authority: KR
Inventors: 박해성; 김기우
Original assignee: 주식회사 아미노랩
Priority date: 2020-09-07
Filing date: 2020-09-07
Publication date: 2022-03-15

Abstract

본 발명은 왕겨 섬유와 도축 폐혈액을 활용한 자원순환형 토양개량제 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 토양개량제의 제조방법은, 왕겨 섬유를 탈수하는 제1 탈수 단계; 상기 제1 탈수 단계를 거친 왕겨 섬유를 분쇄하는 제1 분쇄 단계; 발효되어 아미노산으로 전환된 도축 폐혈액을 준비하는 단계; 상기 제1 분쇄 단계를 거친 왕겨 섬유와 도축 폐혈액을 혼합하여 혼합물을 제조하는 혼합 단계; 및 상기 혼합물을 입상 또는 펠릿 형태로 성형하고 건조하는 성형 및 건조 단계;를 포함한다. 이에 따라 제조된 토양개량제는 성분 보충을 위한 화학첨가제를 사용하지 않아 친환경적이고, 식물의 성장률이 향상될 수 있다. 또한 매년 대량 발생하는 왕겨와 축산 폐기물인 도축 폐혈액 등을 토양개량제의 소재로 활용함으로써, 자원 재활용을 활성화시킬 수 있고, 산업 부산물의 폐기 처분율을 감소시킬 수 있는 효과가 존재한다.

Description

왕겨 섬유와 도축 폐혈액을 포함하는 자원순환형 토양개량제 및 이의 제조방법{Resource cycling soil conditioner using rice husk fiber and livestock blood and manufacturing method thereof}

본 발명은 왕겨 섬유와 도축 폐혈액을 활용한 자원순환형 토양개량제 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 왕겨 섬유와 도축 폐혈액을 혼합하여 질소 또는 칼슘 등과 같이 왕겨 섬유 내에서 부족한 성분의 함량이 보충된 토양개량제를 제조하고자 한다.

[과제고유번호] 1545020432

[부처명] 농림축산식품부

[연구관리전문기관] 농림식품기술기획평가원

[연구사업명] 농축산물안전유통소비기술개발(R＆D)

[연구과제명] 왕겨 고기능성, 고부가가치 산업소재화 공정기술 개발 및 상용화

[주관기관] 한국세라믹기술원

[연구기간] 2019.09.25 ~ 2020.09.24

국내에서 발생하는 농수산ㆍ식품산업 부산물 중 대표적인 것으로 왕겨(Rice husk)를 들 수 있다. 특히 동아시아에서 가장 중요한 주식 중 하나인 벼는 전 세계적으로 연간 약 5억 6천만 톤 정도가 생산되고, 국내에서는 2014년 기준으로 약 424만 톤 생산되고 있으며, 이 중 왕겨는 벼 무게의 약 20%를 차지하여 매년 약 100만 톤 내외로 발생되고 있다.

국내 생산 왕겨는 생산량의 약 90% 이상이 축사용 깔개나 축산 퇴비의 재료로 사용되거나 보온재, 왕겨 숯 제조, 공산품 생산, 소각처리 등에 이용되고 있으나, 고부가가치 소재로의 활용도는 그리 높지 않다.

왕겨는 외피가 실리카로 치밀하게 피복되어 있고 부식되기 어려울 뿐만 아니라 마모성이 높고, 부피가 커서 보관이나 이송이 용이하지 않으며, 자체 함유 영양소가 상대적으로 적은 특성 등으로 사료 및 공업용 원료로 재활용하기에 많은 한계를 가지고 있어 고부가가치 용도로 산업화, 상용화하기에는 상당한 제약이 존재한다.

왕겨를 바이오매스 자원으로 이용하거나 원료화하기 위해 왕겨에 함유된 실리카, 셀룰로오스, 리그닌 등을 추출하거나 이를 바이오 플라스틱, 펄프 원료 등의 고부가가치 소재로 이용하는 방법 등이 연구되고 있지만 왕겨를 토양개량제로 활용하는 기술 개발은 여전히 미흡하다.

토양개량제(soil conditioner)란 비료와는 달리 오로지 토양의 이·화학성, 생물성의 개량을 목적으로 사용되는 자재를 의미하며, 기존의 토양개량제의 경우에는, 통상적으로 화학첨가물을 사용하여 성분비 균형을 조절하고, 수분 보유력 등과 같은 토양의 성질을 증진시키거나, 미생물이 함유된 토양개량제를 통해 토양 개량의 효율을 향상시키고자 하였다.

그러나 황산암모늄, 과인산석회, 황산칼륨 등과 같은 화학첨가물의 경우에는, 식물의 성장에 필요한 질소, 인산, 칼륨 등이 흡수되고 나면 산만이 토양에 잔류하게 되어 토양의 산성화를 유발시키고, 분해속도가 느려 토양에 장기간 남아있는 문제점이 발생하기도 한다.

또한, 미생물을 첨가하는 경우에는, 미생물이 서식하는 토양 환경 또는 조건에 따라 토양개량제로서의 효율이 달라질 수 있다는 단점이 있다.

등록특허 제10-2085232호

앞서 살펴본 종래 기술의 문제점들을 효과적으로 해결하기 위해 본 발명은 화학첨가물이나 미생물 대신 질소, 아미노산과 같은 천연물질들이 포함된 도축 폐혈액 등을 왕겨섬유와 혼합한 자원순환형 토양개량제 및 이를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시 형태에 따른 토양개량제의 제조방법은, 왕겨 섬유를 탈수하는 제1 탈수 단계; 상기 제1 탈수 단계를 거친 왕겨 섬유를 분쇄하는 제1 분쇄 단계; 발효되어 아미노산으로 전환된 도축 폐혈액을 준비하는 단계; 상기 제1 분쇄 단계를 거친 왕겨 섬유와 도축 폐혈액을 혼합하여 혼합물을 제조하는 혼합 단계; 및 상기 혼합물을 입상 또는 펠릿 형태로 성형하고 건조하는 성형 및 건조 단계;를 포함한다.

상기 혼합 단계는, 왕겨섬유는 50 내지 70wt%와 도축 폐혈액 30 내지 50wt%가 혼합되는 것이 바람직하다.

상기 발효되어 아미노산으로 전환된 도축 폐혈액은, 수거된 도축 폐혈액을 담아 교반하며 발효제를 첨가한 후 가열하여, 도축 폐혈액 내에 포함된 단백질을 발효시킴으로써 발효 도축 폐혈액을 제조하는 발효 단계; 상기 발효 도축 폐혈액을 교반하며 고온의 스팀을 직접 분사하여 상기 발효 도축 폐혈액 내에 포함된 아미노산을 복수 기공을 가지는 부정형 덩어리 형태로 증숙시키는 증숙 단계; 및 상기 증숙 단계를 거친 부정형 아미노산 덩어리와 잔류 수분을 분리하는 제2 탈수 단계; 상기 제2 탈수 단계를 거친 무정형 아미노산 덩어리를 과립 또는 펠렛 형태의 입상 상태로 가압 성형하는 성형 단계; 및 열풍 및 마이크로웨이브를 이용해 건조하는 제1 건조 단계;를 거쳐 제조되는 것이 바람직하다.

상기 혼합 단계에서 난각 분말이 추가로 더 혼합될 수 있고, 상기 난각 분말은, 난각을 분쇄하여 혼합 분쇄물을 제조하는 제2 분쇄 단계;상기 혼합 분쇄물과 단백질 발효 분해제를 혼합하여 혼합 분쇄물 내 포함된 단백질을 아미노산 단위로 발효분해시키는 발효 분해 단계;상기 발효 분해 단계를 수행한 후, 단백질이 발효 분해된 혼합 분쇄물에 유기산을 추가한 뒤, 혼합하여 숙성시키는 팽화 숙성 단계; 및 열풍 및 마이크로웨이브를 이용해 건조하는 제2 건조 단계;를 거쳐 제조되는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 실시 형태는 이러한 방법으로 제조된 토양개량제를 들 수 있다.

본 발명에 따른 토양개량제는 성분 보충을 위한 화학첨가제를 사용하지 않아 친환경적이고, 식물의 성장률이 향상될 수 있다. 또한 매년 대량 발생하는 왕겨와 축산 폐기물인 도축 폐혈액 등을 토양개량제의 소재로 활용함으로써, 자원 재활용을 활성화시킬 수 있고, 산업 부산물의 폐기 처분율을 감소시킬 수 있는 효과가 존재한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양개량제의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 토양개량제 내의 유기물에 의한 토양의 공극 변화를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양개량제가 사용된 토양 단면의 공극 변화를 나타낸 정리한 것이다.
도 4는 토양개량제 내의 유기물 함량에 따른 토양 미생물 및 탈수소효소의 활성 변화를 관찰한 결과이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 상세히 설명하기에 앞서, 본 명세서의 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 밝혀둔다.

본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명의 일 실시 형태는 토양개량제의 제조방법에 관한 것으로, 도 1은 이에 관한 순서도이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 토양개량제의 제조방법은, 왕겨 섬유를 탈수하는 제1 탈수 단계; 상기 제1 탈수 단계를 거친 왕겨 섬유를 분쇄하는 제1 분쇄 단계; 발효되어 아미노산으로 전환된 도축 폐혈액을 준비하는 단계; 상기 제1 분쇄 단계를 거친 왕겨 섬유와 도축 폐혈액을 혼합하여 혼합물을 제조하는 혼합 단계; 및 상기 혼합물을 입상 또는 펠릿 형태로 성형하고 건조하는 성형 및 건조 단계;를 포함한다.

상기 제1 탈수 단계에서 왕겨 섬유는 생왕겨, 개질왕겨, 실리카 등을 추출하고 남은 왕겨 섬유 등이 사용될 수 있으며 특별히 제한되지 않는다. 이때, 실리카 등을 추출하기 위해, 상기 왕겨 섬유는 왕겨가 수산화나트륨, 수산화리튬, 수산화칼슘 또는 탄산나트륨 등과 같은 알칼리성 물질을 물에 녹인 알칼리 수용액에 처리되거나 가열된 상태일 수 있다.

상기 제1 분쇄 단계는, 상기 제1 탈수 단계를 거친 왕겨 섬유를 분쇄하는 단계이며, 분쇄를 통해 입자의 크기가 작아짐으로써, 이후 혼합 단계에서 도축 폐혈액 등과 탈수된 왕겨 섬유와의 혼합이 용이하고 제조되는 토양개량제가 토양 내에서 쉽게 분해될 수 있다. 이때 왕겨 섬유는 약 0.3 ~ 5mm의 크기로 분쇄되는 것이 바람직하다. 상기 5mm보다 큰 크기로 분쇄되는 경우 제조된 토양개량제가 토양 내에서 분해되어 질소 등과 같이 식물이 생장하는데 필수적인 성분이 생성되기까지 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다.

또한, 상기 0.3mm보다 작은 크기로 분쇄되면 식물의 생장 속도보다 토양 내에서 분해되는 속도가 더 빨라, 식물이 분해된 영양분을 사용하는 효율이 감소하므로 식물의 성장률이 감소할 수 있다.

상기 제1 분쇄 단계 이후, 발효되어 아미노산으로 전환된 도축 폐혈액을 준비하는 단계가 수행될 수 있다. 그러나 이러한 준비 단계는 혼합 단계 이전에 수행되면 충분하고, 반드시 제1 분쇄 단계와 혼합 단계 사이에서 수행되는 것으로 제한되는 것은 아니다.

이에 따라 제조된 입상 아미노산을 그대로 사용하거나 용매와 혼합하여 액상 아미노산으로 사용할 수 있다. 용매는 특별히 제한되지 않으며, 통상의 기술자가 필요에 따라 적절히 선택하여 사용할 수 있다.

상기 발효 단계에서는 상기 도축 폐혈액을 30 내지 40rpm으로 교반하며, 상기 발효제를 상기 도축 폐혈액의 사용량의 0.5 내지 3중량%로 첨가한 후, 50 내지 60℃에서 1 내지 3시간 동안 가열하여 발효시키는 것이 바람직하다.

상기 증숙 단계에서는 상기 발효 도축 폐혈액을 5 내지 10rpm으로 교반하며, 직접 분사된 고온의 스팀열을 이용해 75 내지 95℃에서 2 내지 5시간 동안 증숙시키는 것이 바람직하다.

상기 제2 탈수 단계에서는 상기 부정형 아미노산 덩어리의 함수율을 55% 내지 65% 범위 이내로 탈수시키도록 하는 것이 바람직하다. 부정형 아미노산 덩어리들의 함수율이 55% 미만인 경우 성형 과정에서 과립 또는 펠릿 형태의 입상 상태로 성형되지 못하고 분말 형태로 부스러지게 되고, 함수율이 65%를 초과하는 경우에는 부정형 아미노산 덩어리들이 죽처럼 흐물흐물 뭉개져 과립 또는 펠릿 형태의 입상 상태로 성형이 불가능해진다는 문제가 생길 수 있다.

상기 성형 단계에서 성형되는 입상아미노산의 입도는 직경 1 내지 5mm 범위 이내로 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

상기 제1 건조 단계는 열풍 및 마이크로웨이브 건조가 차례로 수행되며, 성형된 입상아미노산의 표면은 열풍에 의해 1차 건조된 후, 이후 내부 수분은 마이크로웨이브를 조사하여 2차 건조되는 다단계 건조 과정을 통해 수행되는 것이 바람직하다.

상기 제1 건조 단계에서 조사되는 마이크로웨이브는 주파수가 3 내지 300GHz 범위 이내이고, 파장이 1mm 내지 100mm 범위 이내로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 제1 건조 단계에서 건조된 상기 입상아미노산의 함수율은 12% 이하로 유지되도록 하는 것이 바람직하다.

마이크로웨이브가 조사된 입상 아미노산 입자들은 마이크로웨이브의 용적가열 특성상 속에서부터 120℃ 내지 135℃ 범위 이내로 가열되면서 내부 수분이 증발됨에 따라 내부 수분의 증발 압력에 의해 건조된 표면에 틈(Crack)이 생겨 이를 통해 내부로부터 증발된 수증기가 빠져나오면서 살균 및 건조가 동시에 이루어지게 된다.

한편, 혼합 단계는, 상기 제1 분쇄 단계를 거친 왕겨 섬유와 도축 폐혈액을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계로, 도축 폐혈액을 사용함으로써 혼합물의 탄질비를 조절할 수 있다. 토양개량제의 성질을 조절하기 위해 왕겨 섬유와 혼합되는 것이라면, 상기 도축 폐혈액 외에 분뇨, 껍질 또는 뼈 등이 포함된 축산, 수산 폐기물들도 특별한 제한 없이 사용될 수 있다.

상기 혼합 단계에서는 폐기물 중에서 도축 폐혈액 외에 난각이나 조개 껍질 등이 추가될 수 있고, 필요에 따라 효소 등도 추가로 사용될 수 있으며, 이로써 토양개량제 내의 칼슘 함량이 증가하여 칼슘을 필요로 하는 농작물을 재배에 사용되거나 산성화된 토양을 개량하는 용도 등으로 활용될 수 있다.

'난각(egg-shell)'은 동물의 알 껍질로, 넓은 의미로는 알을 둘러싸는 맨 바깥층의 딱딱한 층과 알의 원형질막 바깥쪽의 피막인 난막까지 포함될 수 있다. 일반적으로 알의 내용물은 식용 및 다양한 분야에서 활용되고 있지만, 껍질인 난각은 단백질과 미네랄이 풍부하여 경제적으로 높은 잠재 가치를 갖는데도 대부분 폐기물로 처리된다. 이러한 난각은 다음과 같이 분말로 제조되어 사용되는 것이 바람직하다.

계란 등과 같이 알의 난백과 난황이 사용된 후 폐기되는 폐난각 등으로 난각 분말을 제조하는 방법은, 난각을 분쇄하여 혼합 분쇄물을 제조하는 제2 분쇄 단계; 상기 혼합 분쇄물과 단백질 발효 분해제를 혼합하여 혼합 분쇄물 내 포함된 단백질을 아미노산 단위로 발효 분해시키는 발효 분해 단계; 상기 발효 분해 단계를 수행한 후, 단백질이 발효 분해된 혼합 분쇄물에 유기산을 추가한 뒤, 혼합하여 숙성시키는 팽화 숙성 단계; 및 열풍 및 마이크로웨이브를 이용해 건조하는 제2 건조 단계;를 포함한다.

상기 제2 분쇄 단계는, 난각을 분쇄하여 혼합 분쇄물을 제조하는 단계로서, 구체적으로는 폐기되어 수거되는 난각을 분쇄하는 동시에 소정의 양으로 분할된 물을 지속적으로 추가하면서 습식 분쇄하여 혼합 분쇄물을 제조할 수 있다.

폐기되는 난각을 습식 분쇄하는 방법은 일반적으로 수분이 있는 상태에서 미세하게 분쇄하는 방법이면 특별히 한정되지 않으나, 일 예로 트리밍 밀 또는 볼 밀을 통해 습식 분쇄될 수 있다. 바람직하게는 폐기되는 난각 100 중량부를 기준으로 300~500 중량부에 해당하는 물을 난각 분쇄 과정 중에 소정의 양으로 분할하여 분쇄 단계 전과정에 걸쳐 공급하면서 3,000~4,000rpm의 속도로 분쇄하여 혼합 분쇄물을 제조할 수 있다.

일반적으로 동물의 알 내부의 내용물을 사용한 뒤 폐기되는 난각에는 잔존하는 알 내용물과, 난막이 더 포함될 수 있는데, 이때 폐기되는 난각에 잔존하는 내용물은 고농도의 순단백질이고, 난막은 전체 중량의 60wt% 이상이 단백질로 이루어져 있다. 상기 제2 분쇄단계에서 제조된 혼합 분쇄물 내에는 단백질이 포함되어 있으므로 발효 분해 단계를 통해 상기 단백질은 아미노산으로 발효 분해될 수 있다.

상기 발효 분해 단계에서는, 혼합 분쇄물과 단백질 발효 분해제를 혼합하여 소정의 시간 동안 발효 분해시킴으로써 상기 혼합 분쇄물 내에 포함된 단백질을 아미노산 단위로 발효 분해시키는 것이 바람직하다. 상세하게는 혼합 분쇄물을 발효조로 이송시킨 후 상기 혼합 분쇄물을 교반시키면서 발효조의 온도를 55~60℃로 승온시킨 상태에서 단백질 발효 분해제를 혼합하여 3~5시간 동안 상기 혼합 분쇄물 내 포함된 단백질을 아미노산 단위로 발효 분해시킬 수 있다.

상기 발효 분해 단계에서 사용되는 단백질 발효 분해제는 단백질을 아미노산 단위로 분해시킬 수 있는 것이면 한정되지 않고 사용 가능하며, 바람직하게는 프로테아제가, 더욱 바람직하게는 0.05 ~ 0.1 v/w% 농도의 프로테아제가 사용될 수 있다.

상기 발효 분해 단계를 통해 혼합 분쇄물 내의 단백질이 아미노산으로 발효 분해되면, 탄산칼슘 및 산화칼슘이 상기 혼합 분쇄물의 주성분을 이루게 되고, 그 외에는 칼슘을 제외한 무기질 성분과 유기물이 포함된다.

상기 탄산칼슘 및 산화칼슘을 수용성으로 전환시키기 위해 단백질이 발효 분해된 혼합 분쇄물에 유기산을 추가하여 혼합하는 팽화 숙성 단계가 수행될 수 있다. 이때, 단백질이 발효 분해된 혼합 분쇄물과 유기산의 산 성분이 반응하면 칼슘성분이 용해되어 이온 칼슘으로 전환됨으로써 수용성이 될 수 있고, 이에 따라 재배하는 식물의 칼슘흡수율이 향상될 수 있다.

상기 유기산은 초산, 사과산, 젖산, 주석산, 호박산, 구연산, 아스코르빈산, 트리카르복실산, 말산, 푸마르산, 타르타르산, 락트산 및 시트르산으로 이루어진 군 중에서 적어도 하나 이상 선택된 것이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 식용이 가능한 초산, 사과산, 젖산, 호박산 및 구연산으로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 또는 이들의 혼합물로서, 분말 형태로 된 것을 사용할 수 있다.

상기 팽화 숙성 단계는, 단백질이 발효 분해된 혼합 분쇄물에 상기 분쇄 단계에서 사용되는 난각 100중량부를 기준으로 유기산 80~150중량부를 추가하는 투입 단계; 및 유기산이 추가된 단백질이 발효분해된 혼합 분쇄물을 교반하면서 숙성시키는 숙성 단계;를 포함할 수 있다. 상기 유기산의 함량이 80중량부 미만일 경우 칼슘이 충분히 이온화되지 않아서 칼슘 용해도 향상효과를 기대하기 어려우며, 150중량부를 초과하여 포함될 경우에는 초과 함량에 따른 추가 효과가 미미하여 경제성이 저하될 수 있다.

상기 투입 단계에서는, 단백질이 발효 분해된 혼합 분쇄물에 유기산을 소정의 양으로 분할하여 추가하되, 단백질이 발효 분해된 혼합 분쇄물과 반응하여 생성되는 기포가 발생하지 않을 때까지 유기산을 추가하여 혼합하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 단백질이 발효 분해된 혼합 분쇄물과 유기산이 서로 반응하면, 분쇄물 내 포함된 칼슘화합물 이외의 각종 무기물 및 유기물로 인하여 유기산에 칼슘화합물이 용해되면서 단시간에 많은 거품이 발생하게 된다. 이를 방지하기 위하여 상기 유기산을 일정 양으로 분할하여 상기 단백질이 분해된 혼합 분쇄물에 추가할 수 있으며, 바람직하게는 분말 형태로 된 유기산을 소량씩 분할하여 상기 단백질이 발효 분해된 혼합 분쇄물에 추가할 수 있다.

단백질이 발효 분해된 혼합 분쇄물 내 유기산을 투입하여도 더 이상의 기포가 발생하지 않으면, 숙성 단계를 진행하게 되는데, 이때 유기산이 투입된 혼합 분쇄물을 40~60rpm으로 5~10시간 동안 교반하는 것이 바람직하다. 상기 혼합속도가 너무 낮거나 짧은 시간 동안 교반하게 되면 난각 내의 칼슘화합물이 충분히 용해되지 못하여 칼슘 용해도가 저하될 수 있고, 혼합 속도가 너무 높거나 혼합 시간이 길어지게 되면 초과에 따른 이익이 없어 경제성이 저하될 수 있다.

상기 팽화 숙성 단계 전에, 단백질이 발효 분해된 혼합 분쇄물을 냉각시키는 냉각단계;를 더 포함할 수 있는데, 이는 상기 팽화 숙성 단계에서 유기산과 혼합 분쇄물이 반응하면서 유기산 내 산 성분이 기화하거나 증발하여 악취, 독성이 포함된 가스를 방출할 수 있기 때문이다. 가스 발생시, 공정 작업자가 방독마스크를 착용하여도 가스에 노출될 위험이 있으며, 휘발되는 산 성분이 포함된 가스를 냉각기를 통해 응축 회수하는 추가 공정이 더 필요로 하는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 상기 냉각 단계에서 단백질이 발효 분해된 혼합 분쇄물을 33~38℃ 온도까지 냉각하여 유기산과 단백질이 발효 분해된 혼합 분쇄물과 반응시 유기산 내 산 성분이 기화하거나, 휘발되는 것을 예방하는 것이 바람직하다.

상기 팽화 숙성 단계를 통하여 팽화 숙성된 혼합 분쇄물은 칼슘이 이온화되어 수용성을 띄게 되고, 팽화 숙성된 혼합 분쇄물의 칼슘 용해도를 측정하여 99% 이상이면 제2 건조 단계가 수행될 수 있다.

상기 제2 건조 단계는 열풍 및 마이크로웨이브 건조가 순차로 이루어지며, 상기 혼합 분쇄물의 표면은 열풍에 의해 1차 건조되고, 내부 수분은 마이크로웨이브를 조사하여 2차 건조되는 것이 바람직하다.

상기 제2 건조 단계에서 조사되는 마이크로웨이브는 주파수가 3 내지 300GHz 범위 이내이고, 파장이 1mm 내지 100mm 범위 이내로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 제2 건조 단계에서 건조된 혼합 분쇄물의 함수율은 12% 이하로 유지되도록 하는 것이 바람직하다.

마이크로웨이브가 조사된 혼합 분쇄물은 마이크로웨이브의 용적가열 특성상 속에서부터 120℃ 내지 135℃ 범위 이내로 가열되면서 내부 수분이 증발됨에 따라 내부 수분의 증발 압력에 의해 건조된 표면에 틈(Crack)이 생겨 이를 통해 내부로부터 증발된 수증기가 빠져나오면서 살균 및 건조가 동시에 이루어지게 된다.

상기와 같이 제조된 난각 분말을 활용하면 폐기물을 재활용하여 자원순환율을 증가시키고, 환경 친화적일 뿐만 아니라, 칼슘의 용해도가 향상된 토양개량제를 제조할 수 있어 식물의 칼슘 흡수율이 향상되고 토양의 산성화를 방지할 수 있다.

한편, 토양개량제에 포함된 다양한 유기물은 토양 내 미생물이 섭취하여 무기질로 전환되고, 식물이 뿌리를 통해 이러한 무기질들을 흡수하여 사용한다. 식물은 유기물을 직접 흡수하지 못하기 때문에 토양 내의 미생물이 전환 생산한 무기질을 통해 영양소를 공급받으므로, 토양 내 유기물의 함량이 식물 생장률에 중요한 영향을 미친다.

탄질비(C/N ratio)란, 유기물 내에 들어있는 탄소와 질소의 함량 비율을 의미하며, 미생물은 유기물을 분해하여 얻는 탄소를 에너지원으로, 질소를 주된 영양원으로 사용할 수 있다. 상기 질소는 미생물뿐만 아니라 식물도 필요로 하므로, 토양에 질소함량이 낮은 유기물이 존재하면 미생물과 식물 사이에 질소 사용을 위한 경쟁이 발생할 수 있다. 활동성이 강하고, 수가 많은 미생물이 식물과의 질소 경쟁에서 주로 우위를 차지하고, 식물은 질소결핍을 겪게 되어 생장이 불량해질 수 있으므로, 미생물에 의한 분해가 촉진되면서 동시에 질소 결핍을 유발하지 않도록 적절하게 탄질비를 조절하는 것이 중요하다.

상기 탄질비가 높으면 유기산의 생성으로 pH가 감소하고, 분해가 느리게 되며, 탄질비가 낮으면 질소로부터 변환된 암모니아로 인하여 pH가 증가하며 악취가 발생할 수 있다. 보통 왕겨의 탄질비는 약 70~90으로, 탄소함량이 높고 질소함량이 낮아 왕겨만으로는 토양개량제로서 적합하지 않으므로, 토양에서 분해되는 유기물의 적정 탄질비인 약 10~35정도로 조절될 필요가 있다. 일반적인 경작지 표토의 탄질비는 약 10~12 정도이며, 심토의 탄질비는 이보다 낮은 것으로 알려져 있다.

본 발명에서 사용된 왕겨의 탄질비는 약 45~55였으나, 도축 폐혈액과 혼합된 후에는 혼합물의 탄질비가 감소하였다. 이에 따라 혼합물로부터 제조된 토양개량제의 부숙이 효율적으로 이루어질 수 있으며, 식물 생장률이 크게 증가할 수 있다.

토양개량제의 탄질비를 조절하기 위해, 상기 혼합 단계에서 왕겨섬유는 50 내지 70wt%, 도축 폐혈액은 30 내지 50wt% 사용되는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 왕겨 섬유와 도축 폐혈액이 약 5:3의 중량비로 혼합될 수 있다. 왕겨 섬유와 도축 폐혈액 외에 추가되는 효소는 최대 20wt%로 혼합될 수 있으며, 바람직하게는 약 1wt% 농도로 포함될 수 있다.

상기 효소는 리그닌, 셀룰로오스 등과 같은 왕겨의 섬유질을 분해할 수 있는 효소나 탈수소효소 등이 사용될 수 있다. 리그닌 분해대사에 관여하는 효소로는 과산화효소계, 과산화수소 생성 산화효소계 또는 laccase 등이 사용될 수 있다. 셀룰로오스 분해 효소(셀룰레이즈, cellulase)로는 endo-glucanase(endo-β-1,4-glucanase, EC 3.2.1.4 등), exo-glucanase(cellobiohydrolase, exocellohydrolase, 1,4-β-D-glucan, Cellobiohydrolase(CBH), exocellulase, EC 3.2.1.91 등) 또는 β-glucosidase 등이 사용될 수 있고, 상업적으로 판매되는 셀룰레이즈는 물론, 초식동물, 미생물 또는 고등동물 등이 분비하는 셀룰레이즈 등도 활용될 수 있다.

상기 탈수소효소는 알코올 탈수소효소, 글리세르알데히드인산 탈수소효소, 디히드로우라실 탈수소효소, 글루탐산 탈수소효소 등이 사용될 수 있다. 그러나 사용되는 효소는 앞서 언급한 종류들로 특별히 제한되지 않으며 통상의 기술자가 필요에 따라 적절하게 선택하여 사용할 수 있다.

왕겨 섬유가 도축 폐혈액 사용량과 같거나 더 적은 양으로 혼합되면, 토양개량제의 질소 함량이 지나치게 증가하여 탄질비가 약 1로 낮아지고 부패균이 발효균에 우세를 점할 수 있을 뿐만 아니라, 질소로부터 전환된 대량의 암모니아로 인해 악취 문제가 생길 수 있다. 반면, 왕겨 섬유가 도축 폐혈액보다 2배 이상의 많은 양으로 혼합되면 탄질비가 약 25이상으로 부숙이 느리게 진행되어 토양을 효율적으로 개량하지 못하지 못하고, 식물 성장률이 감소한다는 문제가 생길 수 있다.

한편, 도축 폐혈액뿐만 아니라 난각도 첨가되는 경우에는 왕겨 섬유, 도축 폐혈액 및 난각은 약 5:3:2의 중량비로 혼합되는 것이 바람직하다.

상기 성형 및 건조 단계는, 상기 혼합물을 입상 또는 펠릿 형태로 성형하고 건조하는 단계로, 성형기를 통해 직경이 약 1mm 내지 5mm 범위 이내인 입상 또는 펠릿 형태로 성형될 수 있다.

상기 건조는 열풍 및 마이크로웨이브 건조가 순차로 이루어지며, 상기 혼합 분쇄물의 표면은 열풍에 의해 1차 건조되고, 내부 수분은 마이크로웨이브를 조사하여 2차 건조되는 것이 바람직하다.

이때, 조사되는 마이크로웨이브는 주파수가 3 내지 300GHz 범위 이내이고, 파장이 1mm 내지 100mm 범위 이내로 이루어지는 것이 바람직하고, 건조된 혼합 분쇄물의 함수율은 약 5~15%인 것이 바람직하다.

한편, 토양의 개량은 토양의 화학성 개량과 토양의 물리성 개량으로 구분할 수 있고, 토양개량제(soil conditioner)란 비료와는 달리 오로지 토양의 이·화학성, 생물성의 개량을 목적으로 사용되는 자재를 말한다.

토양의 화학성에는 토양 내의 질소, 인산, 칼륨, 칼슘 등의 식물생장에 필요한 양분물질인 염기류의 함량비, 토양 산도, 양이온치환용량(cation exchange capacity, C.E.C.)과 C.E.C.의 변화, 식물의 생장률 등이 포함된다. 이러한 화학성은 식물이 자라는데 필요한 물질을 직접 공급하거나 철 함유물, 석회, 우량점토, 객토, 니트로후민산계 자재, 벤토나이트, 제올라이트, 규산질, 용성인비 등을 이용하여 보비력(토양으로 공급된 양분 성분을 유지하는 힘)을 향상시키는 등의 방법을 통해 개량될 수 있다.

토양의 산도가 낮아지면, 높아진 수소 이온의 농도로 인해 식물 세포 내 세포액의 농도가 변화하여 정상 생장이 어려워지고, 낮아진 산도 값으로 알루미늄이 활성화되어 식물의 양분흡수가 교란될 수 있으며, 수용성의 인산이 불용성으로 변화하여 식물 뿌리의 발육 촉진 등과 같은 인산의 작용 효과가 현저하게 떨어질 수 있다. 또한, 산성화된 토양에서는 질소 고정균의 존재량 또는 활동량 등이 급격하게 감소할 수 있다.

반면, 토양의 산도가 높아지면, 식물의 철, 망간, 아연 등의 미량요소의 흡수율이 감소하여 결핍 증상이 발생할 수 있다. 이처럼 토양의 산도는 토양 내에서 서식하는 미생물의 종류, 수 또는 활동성 또는 식물생장에 영향을 미칠 수 있다. 토양의 pH가 6.0~7.0일 경우 질소, 인산, 칼륨 등의 성분의 흡수율이 가장 뛰어나며, 미생물의 생존율이 높고, 미생물 활동성도 가장 활발한 것으로 알려져 있다.

양이온치환용량(C.E.C.)란, 토양이 이온을 흡착할 수 있는 능력으로, 토양 100g당 흡착되는 양이온의 총량으로 밀리그램 당량(milli equivalent, m.e., meq/100g(c.g.s.단위))을 의미한다. 유기물이나 점토의 함량이 높아 토성이 미세하거나 비표면적이 클수록 양이온치환용량은 커지고 이는 토양 내 영양성분이 많아 비옥하다는 것을 의미한다. 또한, 양이온치환용량이 클수록 완충능도 커지고 작물 생육이 안정적으로 이루어지는데, 상기 완충능은 외부로부터 어떤 물질이 가해졌을 때 영향을 최소화할 수 있는 능력을 뜻한다.

토양개량제 내에 유기물들이 포함되면, 식물에 양분이 공급되고, 카르복실기, 페놀성 수산기에 의해 양이온치환용량이 증가하며, 염기를 흡수, 보관함으로써 토양의 완충성을 현저하게 증가시켜 토양산성화 급변을 예방한다. 또한, 알루미늄, 철, 킬레이트 화합물 생성으로 인산 고정을 방지하고, 사용한 인산의 무효화를 예방할 뿐만 아니라, 수분 흡수, 토양 온도 상승, 토양 비옥도 상승 등의 역할을 할 수 있다.

한편, 토양은 고상, 액상, 기상으로 구성되어 있고, 식물이 생장하는데 가장 이상적인 토양은 고상 50%(무기물 45%+유기물5%), 액상 25%, 기상 25%로 구성되는 것으로 알려져 있다. 액상은 식물의 양·수분의 공급을, 기상은 식물 뿌리의 호흡에 필요한 산소를 공급하는 중요한 역할을 하며, 고상, 액상, 기상의 비율, 효율은 식물 생장에 큰 영향을 미친다. 이러한 토양의 물리성은 토양의 개량, 토양의 단립화 촉진, 토양 내의 부수성 또는 통기성의 개량 등으로 변화할 수 있다.

본 발명의 다른 실시 형태는 상기와 같은 제조방법에 따라 제조된 토양개량제이다. 상기 토양개량제는 천연 질소(N) 약 5~7wt%, 인산(P) 및 칼륨(K) 약 1~2wt%, 천연 동물성 복합 아미노산 약 30~40wt%, 기타 미네랄 등의 미량요소, 칼슘 및 다량의 유기물을 포함할 수 있다.

상기 토양개량제를 사용하면, 토양의 액상이 감소하고 기상이 증가하여 공극 비율이 변화하였고, 토양 미생물 체량 및 탈수소효소의 활성이 증가하였다. 또한, 토양의 보수력, 보비력, 통기성 및 산도 등의 토양 내 환경이 사용 전에 비해 크게 개량될 수 있고, 식물의 생장률이 증가할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 구체적인 실시예를 중심으로 설명하고자 한다. 그러나 본 발명의 범위가 이하의 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시된 것일 뿐, 통상의 기술자라면 본 발명의 권리범위 내에서 본 명세서에 기재된 내용의 여러 가지 변형된 형태를 실시할 수 있음을 밝혀두고자 한다.

[제조예 1]

폐혈액 100중량부를 40rpm으로 교반하면서 프로테아제(Protease) 2 중량부를 첨가한 후 55℃에서 2시간 동안 가열시킨 다음, 발효된 도축 폐혈액을 60℃에서 8rpm으로 교반하면서 90℃의 스팀을 4시간 동안 직접 분사하여 증숙시켰다. 상기 증숙된 부정형 아미노산 덩어리를 탈수시켜 함수율이 55%가 되도록 한 후 70℃에서 1시간 동안 열풍건조를 수행한 다음 주파수가 150GHz이고, 파장이 60mm인 마이크로웨이브를 통해 함수율이 12% 이하가 되도록 건조시켜 도축 폐혈액을 발효시킨 입상 아미노산을 제조하였다. 입상 아미노산의 성분은 하기의 표 1과 같다.

성분	%
Moisture	3.79
Crude Protein	93.37
Ether extract	0.84
Crude fiber	0.39
Calcium(㎎/㎏)	406.63
Phosphorous(㎎/㎏)	1676.12
Cysteine	1.041
Methionine	0.458
Aspartate	10.576
Threonine	3.407
Serine	4.565
Glutamine	8.875
Glycine	3.787
Alanine	6.602
Valine	6.483
Isoleucine	0.835
Leucine	11.654
Tyrosine	2.100
Phenylalanine	6.219
Lysine	7.313
Histamine	5.703
Arginine	3.809
Proline	2.674

[제조예 2]

5M NaOH 80㎖로 처리된 왕겨 섬유 50g을 100rpm의 속도로 5시간 동안 탈수시킨 후, n 크기로 분쇄하였다. 분쇄된 왕겨 섬유와 제조예 1에 따라 제조된 입상 아미노산을 5:3 중량비로 혼합하고, 성형기를 통해 3mm 직경의 입상으로 성형한 후, 70℃에서 1시간 동안 열풍건조를 수행한 다음 주파수가 150GHz이고, 파장이 60mm인 마이크로웨이브를 통해 함수율이 8~12%가 되도록 건조시켜 토양개량제를 제조하였다.

[실시예 1]

4개의 왕겨 시료와 상기 4개의 왕겨 시료를 각각 사용하여 제조예 2에 따라 제조된 토양개량제의 성분을 분석하였다. 왕겨와 상기 토양개량제의 구체적인 성분분석 결과는 하기의 표 2 및 표 3에 나타내었다. 표 2에 기재된 성분 외에 마그네슘, 황, 칼륨, 인산, 칼슘, 망간, 철 등과 같은 미량원소도 소량 존재하였다.

	왕겨 시료 1	왕겨 시료 2	왕겨 시료 3	왕겨 시료 4
C(%)	42.3	44.7	46.3	47.0
N(%)	0.76	0.88	0.94	1.00
C/N	55.66	50.80	49.26	47.00
비소(㎎/㎏)	0.000	0.000	0.000	0.000
카드뮴(㎎/㎏)	0.000	0.000	0.000	0.000
수은(㎎/㎏)	0.003	0.026	0.020	0.053
납(㎎/㎏)	0.000	0.000	0.000	0.000
크롬(㎎/㎏)	0.000	0.000	0.000	0.000
구리(㎎/㎏)	3.020	3.100	3.290	6.630
아연(㎎/㎏)	28.170	24.790	23.010	33.060

	C(%)	AA(amino acid, %)	N(%)	C/N
제조예 2-1(왕겨 시료 1)	41.15	33.1	4.38	9.39
제조예 2-2(왕겨 시료 2)	44.35	33.1	4.44	9.99
제조예 2-3(왕겨 시료 3)	45.15	33.1	4.47	10.10
제조예 2-4(왕겨 시료 4)	43.5	33.1	4.50	9.67

상기 표 2에서 확인되듯이, 왕겨 섬유에 포함된 중금속의 잔여량이 유기농자재 허용기준치를 초과하지 않아 유기농자재로 활용될 수 있음을 알 수 있었다.

상기 표 2 및 표 3에서 확인되듯이, 왕겨 시료 1 내지 4에는 질소함량이 매우 적어 탄질비가 약 47~55였으나, 입상 아미노산과 혼합된 이후의 탄질비(제조예 2-1 내지 2-4)는 약 9~10으로 크게 낮아졌다. 화학첨가제 대신 천연 유기물인 도축 폐혈액을 활용함으로써 왕겨 혼합물이 쉽게 부숙될 수 있도록 탄질비가 효율적으로 개선되었음을 확인하였다.

[실시예 2]

토양개량제 사용 전후 토양 내 환경을 비교분석하기 위해 공극변화, 토양 미생물 체량 및 탈수소효소의 활성을 측정하였다. 유기물(도축 폐혈액)에 의한 공극변화 양상은 도 2에, 토양 단면의 공극 변화는 도 3에, 토양 미생물 체량 및 탈수소효소의 활성 결과는 도 4에 각각 나타내었다. 토양 100g에 제조예 1에 따라 제조된 입상 아미노산 및 제조예 2에 따라 제조된 토양개량제를 각각 2g씩 사용하고 7일 후에 변화를 측정하였다.

토양 미생물 체량 및 탈수소효소의 활성도를 측정하기 위해 4회에 걸쳐 상기 토양에 제조예 2에 따라 제조된 토양개량제를 추가하였으며, 토양개량제를 각각 순차로 1g, 2g, 3g, 4g을 사용하였고, 토양 내 초기 유기물 함량은 5g/kg이었다.

도 2에서 확인되듯이 제조예 2에 따라 제조된 토양개량제를 사용하였을 경우, 용적밀도가 1.0에서 1.3으로 증가하였고, 무기물은 33%에서 12% 증가한 45%이며, 액상과 기상은 각각 31%에서 6% 감소한 25%로, 생물이 생장하기에 이상적인 구성을 갖추었다.

또한, 토양 단면에서 고상에는 변화가 없었으나, 액상은 감소하고 기상은 증가하여 고상: 액상: 기상이 50:29:21의 비율이 되었으므로 식물이 생장하기에 적절하도록 토양 환경이 증진되었다.

도 4에서 확인되듯이, 토양 유기물(도축 폐혈액) 함량이 증가할수록 토양 미생물의 체량 및 탈수소효소의 활성도가 증가하는 양상을 나타내었다.

따라서, 제조예 2에 따라 제조된 토양개량제를 사용하였을 경우, 토양의 환경이 식물이 생장하기에 가장 적절하게 향상됨을 알 수 있었다.

Claims

왕겨 섬유를 탈수하는 제1 탈수 단계;
상기 제1 탈수 단계를 거친 왕겨 섬유를 분쇄하는 제1 분쇄 단계;
발효되어 아미노산으로 전환된 도축 폐혈액을 준비하는 단계;
상기 제1 분쇄 단계를 거친 왕겨 섬유와 도축 폐혈액을 혼합하여 혼합물을 제조하는 혼합 단계; 및
상기 혼합물을 입상 또는 펠릿 형태로 성형하고 건조하는 성형 및 건조 단계;를 포함하는, 토양개량제의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 혼합 단계는, 왕겨섬유는 50 내지 70wt%와 도축 폐혈액 30 내지 50wt%가 혼합되는 것을 특징으로 하는, 토양개량제의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 발효되어 아미노산으로 전환된 도축 폐혈액은,
수거된 도축 폐혈액을 담아 교반하며 발효제를 첨가한 후 가열하여, 도축 폐혈액 내에 포함된 단백질을 발효시킴으로써 발효 도축 폐혈액을 제조하는 발효 단계;
상기 발효 도축 폐혈액을 교반하며 고온의 스팀을 직접 분사하여 상기 발효 도축 폐혈액 내에 포함된 아미노산을 복수 기공을 가지는 부정형 덩어리 형태로 증숙시키는 증숙 단계; 및
상기 증숙 단계를 거친 부정형 아미노산 덩어리와 잔류 수분을 분리하는 제2 탈수 단계;
상기 제2 탈수 단계를 거친 무정형 아미노산 덩어리를 과립 또는 펠렛 형태의 입상 상태로 가압 성형하는 성형 단계; 및
열풍 및 마이크로웨이브를 이용해 건조하는 제1 건조 단계;를 거쳐 제조되는 것을 특징으로 하는, 토양개량제의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 혼합 단계에서, 난각 분말이 추가로 더 혼합되는 것을 특징으로 하는, 토양개량제의 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 난각 분말은,
난각을 분쇄하여 혼합 분쇄물을 제조하는 제2 분쇄 단계;
상기 혼합 분쇄물과 단백질 발효 분해제를 혼합하여 혼합 분쇄물 내 포함된 단백질을 아미노산 단위로 발효분해시키는 발효 분해 단계;
상기 발효 분해 단계를 수행한 후, 단백질이 발효 분해된 혼합 분쇄물에 유기산을 추가한 뒤, 혼합하여 숙성시키는 팽화 숙성 단계; 및
열풍 및 마이크로웨이브를 이용해 건조하는 제2 건조 단계;를 거쳐 제조되는 것을 특징으로 하는, 토양개량제의 제조방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 제조방법에 따라 제조된 토양개량제.