KR100333091B1 - 혈분 분해액을 기초로 한 액체비료 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 혈분 분해액을 기초로 한 액체비료를 제조하는 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 고단백질 원료인 혈분을 분해한 단백질 분해물을 기본으로 제조된 액체비료 제조에 관한 것이다.
종래의 액체비료는 '비료공정규격'이 제시하는 질소, 인산, 가리 및 붕소, 마그네슘, 망간, 철등의 무기 화합물 및 미량요소를 위주로 한 배합에 의해 제조되고 있을 뿐이며 고단백질 원료인 혈분을 직접 사용하거나 혈분을 분해한 단백질 분해물을 기본으로 하여 제조된 액체 비료는 없는 실정이다. 또한 토양 부숙제로 사용되는 혈분은 영양원으로의 가치는 훌륭하나 분말 상태이기 때문에 사용이 불편하며, 불용성이어서 액체비료로서는 부적합하고 혈분 자체는 미분해된 단백질 상태이기 때문에 사용 후 자연분해까지 장기간이 소요되어 작물의 생육상태에 따른 적기 영양원 공급과 시비 시기 조절이 용이하지 못한 문제점이 있었다. 본 발명은 이러한 문제점을 개선하고자 하는 것으로 도축장에서 발생되는 가축의 피를 가공한 혈분을 원료로 사용하여 혈분의 분해 단계, 비료규격상에 적합한 참가제 혼합용액의 제조 단계, 혈분 분해액과 첨가제 혼합용액의 혼합에 의한 액체비료의 제조 단계를 거쳐 고품질 유기질 비료를 제공하는데 특징이 있다.

Description

혈분 분해액을 기초로 한 액체비료 제조방법{Manufacturing Method of Liquid Fertilizer Based on the Hydrolyzed Blood Meal}
본 발명은 혈분 분해액을 기초로 한 액체비료를 제조하는 방법에 관한 것이다.
더욱 상세하게는 고단백질 원료인 혈분을 분해한 단백질 분해물을 기본으로 제조되는 액체비료에 관한 것이다
비료에 대한 종류와 규격은 국내의 경우 농림부에서 고시한 '비료공정규격'에 의하여 정해 놓고 있으며, 제4종 복합비료에 속하는 엽면시비용, 양액재배용 또는 관주용, 화초용, 미량요소 복합비료의 경우는 비료공정규격이 정하는 보통비료의 허가규격에 따라서 고체 및 액체비료 형태로 개발되어 왔다. 부산물 비료에 속하는 아미노산발효 부산비료액의 경우도 '비료공정규격'에 따라서 액체 상태의 비료로서 개발되었다. 그러나 아미노산발효 부산비료액을 제외한 대부분의 액체비료는 '비료공정규격'이 제시하는 질소, 인산, 가리 및 붕소, 마그네슘, 망간, 철등의 무기 화합물 또는 미량요소를 위주로 한 배합에 의해 제조되고 있을 뿐이며 고단백질 원료인 혈분을 직접 사용하거나 혈분을 분해한 단백질 분해물을 기본으로 하여제조된 액체비료는 없는 실정이다.
단백질은 동물, 식물, 미생물등의 생육 및 대사에 필요한 각종 필수, 비필수 아미노산을 공급해줌과 동시에 탄수화물, 지방과 함께 열량을 공급해 주는 중요 질소원이다. 이런 면에서 단백질, 예를 들면, 대두 기원의 단백질, 우유기원의 카제인, 젤라틴 등의 동물성 단백질들이 미분해된 상태, 혹은 산 또는 효소에 의한 가수분해물로서 사료, 미생물용 배지로는 많이 사용되고 있다.
혈분은 도축장에서 발생되는 혈액을 수집하여 건조, 가공한 것으로 단백질 함량이 수분량에 따라 차이는 있으나 대략 70∼80%에 달한다. 도축 후 발생되는 혈액을 가공한 혈분은 이미 사료로 사용되고 있으며 부분적으로는 식물 영양원으로써 토양 부숙제로 이용되고 있다. 그러나 토양 부숙제로 사용되는 혈분은 영양원으로의 가치는 훌륭하나 분말상태이기 때문에 시용에 불편하며, 불용성이어서 액체비료로써는 부적합하다. 또한 혈분 자체는 미분해된 단백질 상태이기 때문에 사용후 자연분해까지 장기간이 소요되어 작물의 생육상태에 따른 적기 영양원 공급과 시비 시기 조절이 용이하지 못한 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 개선하고자 하는 것으로 고단백질 원료인 혈분을 분해한 단백질 분해물을 기본으로 제조된 액체비료 제조에 관한 것이다.
본 발명에서 원료로 사용되는 혈분은 도축장에서 발생되는 가축의 피를 이용하여 가공한 제품이다. 환경법상 도축장에서 발생되는 도축피(혈액)는 일반 폐기물로 규정되어 있어 적절한 처리가 요구되는 폐기물이면서도 동시에 유용한 단백질자원이다. 도축시 발생되는 혈액을 건조 가공한 혈분은 사료용, 토양 부숙제용 등으로 이용되어 진다. 지금까지 혈분은 주로 수입에 의존해 왔으며 국내의 경우 도축 혈액은 정화처리 또는 매립 등으로 처리되고 있어 환경적 유해 요인이 되고 있다. 다행히 최근 국내에서도 도축 혈액을 수거하여 혈분을 생산하고 있어 수입 대체효과와 함께 이를 이용한 새로운 용도 개발을 모색하고 있다.
혈분은 단백질 함유량이 매우 높아 우수한 영양원의 소재가 되며 분말 상태의 혈분을 적당한 방법으로 가공 처리함으로써 혈분에 대한 새로운 용도 확대를 꾀할 수 있다. 폐기물로 간주되는 이러한 자원의 재활용과 용도의 확대는 환경 친화적 처리와 이용이란 점에서 의미가 있다.
종래의 액체비료는 대개 법적인 허가규격에 따른 단순한 무기물 배합을 기본으로 하고 있거나 음식물 찌꺼기, 동물, 식물, 어패류의 잔해물 등 유기물들의 복합적인 혼합물을 이용하여 제조되고 있고, 동물혈액을 이용한 액체비료는 불용성 침전물이 생성되거나 부패하기 쉬워 그 품질과 제조공정에서 합리성을 추구할 수 없는 실정이다. 이에 비하여 본 발명에서는 비료의 주성분에 침전·부패방지용 첨가제를 혼합한 첨가제 혼합용액을 제조하는 방법을 제공하여 물에 대한 난용해성과 시용 후 단백질의 흡수속도(작물 이용성) 저하 등 미분해된 혈분이 갖는 단점을 보완하는 동시에 재활용 가치가 큰 버려지는 혈분단백질을 기초로 한 천연 유기질 액체 비료의 개발이란 점에서 그 특징이 있다.
본 발명에서 주장하고자 하는 내용은 아래에서 상세히 설명되는 혈분 분해액에 '비료공정규격'의 질소, 인산, 가리, 고토, 망간, 붕소, 철, 몰리브덴, 아연, 구리, 칼슘 등과 같은 주성분을 첨가하는 복합비료, 미량요소 복합비료, 유기질비료 등을 제조하는 것이다. 본 발명은 세 단계로 나누어 시행된다. 제 1단계가 혈분의 분해이며 제 2단계가 상기 비료규격상의 주성분을 포함한 첨가제 혼합용액의 제조이고 제 3단계가 혈분 분해액과 첨가제 혼합용액의 혼합에 의한 액체비료의 제조단계이다.
이에 대하여 기술하면 다음과 같다.
1. 혈분의 분해 단계
혈분단백질을 분해시키는 방법으로는 1)효소를 이용한 분해 2)미생물을 이용한 분해 3)산을 이용한 분해 등이 있다.
경제적인 분해공정을 고려할 때 온화한 조건에서 실시되는 효소에 의한 분해방법 또는 미생물을 이용한 방법이 용이한 점이 있으나 분해도가 낮으며, 산분해의 경우는 분해도는 높으나 그 분해반응 조건이 강산성, 고온으로 처리해야 한다는 점과 중화를 위하여 첨가되는 알카리성 물질이 산과 반응하여 생기는 불용성염을 처리해야 하는 등 2차적인 폐기물이 발생된다는 단점이 있다.
이러한 이유 때문에 최근에 와서는 단백질 분해시 상기 1)효소에 의한 분해와 2)미생물에 의한 분해 방법 등이 많이 이용되는데 이들에 대한 시험예를 설명하면 다음과 같다.
1-1. 효소를 이용한 혈분의 분해
시판 단백질 분해효소들 중에서 혈분분해에 적합한 효소를 선택하기 위하여 다음과 같이 시험하였다.
1) 효소의 선정
혈분 분해 시험에 사용된 효소는 시판의 미생물 기원의 알카라인 프로테아제(Alkaline protease)이다. 여러 가지 단백질 분해 효소들 중에서 고체 배지를 이용한 시험으로 본 발명의 목적에 적합한 효소를 선택하였다.
효소들의 혈분 분해력 시험배지로는 뉴트리언트 아가(Nutrient agar)배지에 혈분을 1% 첨가한 고체배지 또는 뉴트리언트 아가(Nutrient agar)배지에 스킴 밀크(skim milk)를 2% 첨가한 고체배지이고 이들 시험배지에서 생성되는 투명환의 생성 유무와 크기로 분해력을 비교하고 본 발명의 목적에 적합한 효소를 선택하였다.
다음에 설명되는 바와 같이 혈분 분해력 비교 실험을 통하여 효소 선정 실험이 시행되었다.
(1) 플레이트(plate)배지(혈분 첨가배지와 스킴밀크 첨가배지)를 각각 준비하고 클린벤취(clean bench)에서 2일간 건조시킨다.
(2) 페이퍼 디스크(paper disc)를 살균하여 준비한다.
(3) 플레이트(plate)에 페이퍼 디스크(paper disc)를 1장씩 올려 놓는다.
(4) 증류수로 각 시험 효소를 20배 희석하여 시험 효소액으로 사용한다.
(5) 플레이트(plate)의 페이퍼 디스크(paper disc)에 시험 효소액을 10μl씩 적하 한다.
(6) 효소반응은 50℃ 항온기에서 5시간 동안 수행한 후 형성된 투명환의 지름을 측정한다.
시험 결과는 다음 표 1과 같다.
[표1] 각 시판 효소에 의한 혈분의 분해활성(투명환의 크기, mm)
상기 결과로부터 혈분 분해에 적합한 효소로 시판 D효소를 선택하였다.
시판 D효소는 페스카라제(Pescalase, Gist Brocades사, 네덜란드), 알카라제(Alkalase, Novo사, 덴마크)와 같은 바실러스 리케니포미스(Bacillus licheniformis) 기원의 엔도펩티다제(endopeptidase)인 알카라인 프로테아제(alkaline protease)(일명 Subtilisin Carlsberg)이다. 그러나, 상기 효소에 의한 단백질 분해물은 가용성 질소량은 높으나 유리 아미노산의 양은 일반적으로 낮다는 특징이 있다.
2) 혈분의 분해반응
혈분의 분해도는 첨가된 혈분이 포함하는 총질소(이하 '티엔(TN)'으로 칭함)에 대하여 분해반응중 트리클로로아세틱산(trichloroacetic acid)에 가용성인 질소(이하 '티씨에이엔(TCAN)'으로 칭함)로 전환되는 비율(TCAN/TN(%))로 표현하였다. 다음 표 2는 효소 분해시 혈분을 10% 첨가하고 선정된 시판 D효소를 농도별로처리했을 경우 혈분의 분해도를 나타낸 것이다.
[표 2] 효소 첨가량을 달리할 경우 반응시간에 따른 혈분 분해도(%)
혈분의 분해반응을 자세히 설명하면 다음과 같다.
(1) 온도와 pH가 조절 가능한 반응기를 사용하며 반응기의 용량에 따라 적합한 반응용량을 정한다.
(2) 증류수에 혈분을 적당량(1∼30%, w/v)이 되도록 첨가하고 현탁시킨다.
(3) pH를 9.0∼10.5로 조절한 후 효소 일정량(0.1∼3.0%, w/w protein)을 첨가한다.
(4) 반응온도는 50℃로 하고 150 rpm의 항온진탕기에서 30시간 동안 반응시킨다.
(5) 반응 중간에 시료를 취하여 티엔(TN)과 티씨에이엔(TCAN)을 측정하여 분해정도를 조사한다.
(6) 분해도가 더 이상 증가하지 않을 때까지 반응시킨다.
(7) 반응이 완료된 후의 혈분 분해액은 본 발명의 액체비료 제조 원료로 사용한다.
1-2. 미생물을 이용한 혈분의 분해
1) 균주의 선발
본 실험실에 분리한 바실러스(Bacillus)속 균주들 중에서 혈분 단백질 분해력이 우수한 균주를 선택하기 위하여 다음과 같이 실험하였다.
배양배지에 각 균주를 접종하여 37℃의 항온 진탕기에서 배양한 후 혈분을 배양액에 대하여 1∼30% 첨가한 후 pH를 8.0∼10.5로 조절하고 50℃, 140 rpm의 항온 진탕기에서 3시간 동안 반응시킨 후 티씨에이엔(TCAN)으로 전환되는 비율을 비교함으로써 단백질 분해력이 우수한 균주를 선발하였다.
바실러스(Bacillus)속 균주의 배양배지는 다음과 같다.
성분 첨가량 (g/L)
유안 ------------------- 2.0
제1인산칼륨 ------------ 6.0
제2인산칼륨 ------------ 14.0
구연산나트륨 ----------- 1.0
황산마그네슘 ----------- 0.2
소이톤 ----------------- 10.0
포도당 ----------------- 10.0
pH 7.4
살균조건 : 121℃, 15분
배양실험을 통하여 얻어진 결과는 다음 표 3과 같다.
[표 3] 바실러스(Bacillus)속 균주의 혈분 분해도(%)
상기 결과에서 혈분 분해도가 높은 바실러스 에스피 비71(Bacillussp. B71) 균주를 혈분 분해용 미생물로 선정하여 다음에 상세히 설명되는 균주의 배양방법으로 미생물을 배양한 후 미생물에 의해 분해된 혈분 분해액을 본 발명의 액체비료 제조에 사용하였다.
2) 균주의 배양
혈분 분해력이 우수한 바실러스 에스피 비71(Bacillussp. B71)균주의 배양방법은 다음과 같다.
(1) 배양배지(상기 바실러스(Bacillus)속 균주의 배양배지)를 제조한다.
(2) 살균전의 배지 pH는 7.2가 되도록 맞춘다.
(3) 배지용량은 100ml로 하며 500ml 삼각플라스크에 충진한다.
(4) 소포제는 10%의 Antifoam 289(상품명, sigma A-6332)를 3방울 첨가한다
(5) 배지살균은 121℃에서 15분간 한다.
(6) 살균수에 사면배지에서 활성화된 균주를 1루프(loop) 넣어 혼합기에서잘 현탁 시킨다.
(7) 살균수에 현탁된 균주 1ml를 상기에서 준비된 배양배지에 접종한다.
(8) 접종 후 배양온도는 37℃로 하고 150 rpm의 항온진탕기에서 20∼40시간 동안 배양한다.
(9) 배양이 완료된 배양액은 다음 '혈분의 분해반응'에서의 반응액으로 사용한다.
3) 혈분의 분해반응
(1) 배양액 일정량에 혈분을 1∼30%(w/v)첨가하여 현탁시킨다.
(2) pH를 9.5∼10.0 사이가 되도록 조절한다.
(3) 반응온도는 50℃로 하고 150 rpm의 항온진탕기에서 30시간 동안 반응시킨다.
(4) 반응시료를 원심분리한 후 티엔(TN)과 티씨에이엔(TCAN)을 측정하여 분해도로 나타낸다.
(5) 분해가 완료된 혈분 분해액은 본 발명의 액체비료 제조 원료로 사용한다.
1-3. 산을 이용한 혈분의 분해
황산, 염산, 옥살산 등의 산을 사용하여 혈분을 분해시킨다.
(1) 증류수에 혈분을 적당량(1∼30%, w/v) 첨가하고 현탁시킨다.
(2) 산을 첨가하여 pH가 0.5∼1.0이 되도록 한다.
(3) 분해온도는 90∼99℃에서 하고 50시간 동안 분해시킨다.
(4) 분해 시작후 10, 20, 30, 40, 50시간째 시료를 취하여 티엔(TN)과 티씨에이엔(TCAN)을 분석하여 분해도를 측정하고 더 이상 분해도가 증가하지 않을 때 반응을 종료시킨다.
(5) 분해액은 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 같은 염기로 pH가 6.0∼7.5이 되도록 중화시킨다.
(6) 중화 후 침전으로 석출된 염은 여과기를 이용하여 제거시킨다.
(7) 염이 제거된 혈분 분해액은 본 발명의 액체비료의 제조 원료로 사용한다.
1-4. 혈분 분해액의 준비
상술한 혈분의 분해 방법들을 이용하여 혈분을 분해시킨다. 분해가 완료되었다고 판단되면 반응을 종료시킨다. 그 후 pH를 6.0∼7.5 가 되도록 조절하고 첨가제 혼합용액이 준비될 때까지 기다린다.
2. 첨가제 혼합용액의 제조단계
본 발명에서 기술하고자 하는 혈분단백질의 분해액을 기초로 하고 '비료공정규격'에 의하여 정해 놓은 액체화 가능한 비료 품목의 규격에 맞게 질소, 인산, 카리 및 미량원소를 첨가함으로써 본 발명의 액체비료가 만들어 진다. 다시 설명하면 '비료공정규격'의 질소, 인산, 가리, 고토, 망간, 붕소, 철, 몰리브덴, 아연, 구리, 칼슘과 같은 주성분과 본 발명의 첨가제를 혼합, 용해시키는 과정이다. 이 과정은 앞서 기술된 혈분 분해액에 주성분들이 첨가되어도 불용성 침전물이 생성되지않고 액체비료 제품의 부패도 일어나지 않도록 첨가제를 선택하여 용해시켜야한다는 점에서 중요한 작업 단계다. 주성분과 첨가제가 혼합되고 용해된 이 혼합용액은 침전이 생성되지 않아서 투명하여야 한다.
혈분 분해액에 첨가되는 비료규격상 주성분을 비롯한 제품의 용해도와 부패방지를 위하여 첨가되는 첨가제의 종류와 농도에 대한 결과는 다음 2-1항에서 설명된다.
2-1. 첨가제 혼합용액의 제조
(1) 첨가제들을 준비한다.
(2) 주성분은 '비료공정규격'을 참조하여 선택한다.
(3) 각 첨가제와 주성분은 별도로 물에 잘 녹인후 저어주면서 혼합시킨다.
(4) 액체비료의 최종부피 500㎖(본원발명의 적정 혼합비율은 혈분 분해액 400㎖당 첨가제와 주성분을 녹인 첨가제 혼합용액 100㎖임)를 기준으로 실험한 결과, 혈분 분해액을 적정 혼합비율인 400㎖보다 적게(예컨데 혈분 분해액 300㎖)하고 여기에 첨가제 혼합용액을 최적 혼합비율인 100㎖보다 많게(예컨데 첨가제 혼합용액 200㎖)하여 혼합하는 경우에는 혈분 분해액 속에 녹아 있어 작물에 유기질 영양소를 공급해주는 고품질 아미노산이 너무 희석되어 묽게 되고, 또한, 혈분 분해액을 적정 혼합비율인 400㎖보다 많게(예컨데 혈분 분해액 450㎖)하고 여기에 첨가제 혼합용액을 적정 혼합비율인 100㎖보다 적게(예컨데 첨가제 혼합용액 50㎖)하여 혼합하는 경우에는 비료의 주성분이 혈분 분해액에 침전되어 잘 용해되지 않게 되므로, 비료의 주성분이 혈분 분해액에 침전되지 않고 잘 용해되도록 하면서도 고품질 유기질 비료인 아미노산이 너무 희석되어 묽게 되는 점을 방지하기 위하여 액체비료 500㎖당 혈분 분해액 400ml와 첨가제 혼합용액 100ml의 비율로 혼합한다. 이때 주성분과 첨가제의 혼합 용액은 투명해야 한다.
(5) 혈분 분해액 400ml와 주성분과 첨가제가 용해된 혼합용액 100ml를 합한 최종부피 500ml를 기준으로 필수적으로 첨가되어야 하는 주성분 이외에 제품의 용해도와 부패방지를 위하여 첨가제로서 이디티에이(Ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA ) 0.1%, 소르빈산칼륨 0.2%, 요소 1% 내지 10%가 되도록 첨가한 첨가제 혼합용액을 제조한다.
(6) 혼합용액의 pH는 6.0∼7.5가 되도록 알카리성 용액이나 산성 용액으로 조절한다.
다음 표 4는 혈분 분해액을 이용하여 제조된 액체비료의 최종용량(500ml)에대하여 이디티에이(Ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA) 0.1%, 소르빈산칼륨 0.2%, 요소는 1% 내지 10%를 첨가하여 액체비료를 제조할 경우 침전성(용해성)과 부패 유무를 분석한 결과이다. 변질 유무에 관한 사항은 37℃ 항온기에서 가혹 조건으로 25일간 수행된 실험결과다.
[표 4] 제품의 침전성과 보존성에 관한 첨가제의 효과(첨가 0, 무첨가 *)
3. 혈분 분해액과 첨가제 혼합용액의 혼합에 의한 액체비료의 제조단계
상기1항의 혈분의 분해단계과2항에서의 첨가제 혼합용액의 제조단계에서 제조된 각 용액을 혼합하여 액체 비료를 제조하고 용기에 충진 포장하여 제품화시킨다.
3-1. 혈분 분해액과 첨가제 혼합용액의 혼합에 의한 액체비료의 제조
상기1항의 혈분의 분해단계와2항에서의 첨가제 혼합용액의 제조단계에 의하여 제조된 각 용액을 혼합하여 액체비료를 제조하고 용기에 충진 포장하여 제품화 시킨다. 상세한 설명은 다음과 같다.
(1) 혈분 분해액에 첨가제 혼합용액을 첨가시킨다.
(2) 교반을 시키면서 잘 혼합시킨다.
(3) 교반시 거품 발생이 많아 제품 충진에 문제가 생길 경우가 있다.
이 경우는 희석된 소포제(콩기름 등)를 소량 첨가하는 것도 좋다.
(4) 혼합이 끝나면 포장 용기에 충진 포장한다.
(5) 포장된 제품은 가능하면 서늘한 곳에 보관한다.
위와 같은 3단계의 공정으로 혈분 분해액을 기초로 하여 본 발명의 액체비료를 제조한다.
본 발명의 효과는 자원의 재활용과 환경 오염의 방지에 대한 적극적 개선이란 점이며 동물혈분을 이용한 액체비료에 불용성 침전물이 생성되거나 부패가 발생하는 것을 방지하여 영농의 편리성과 양분의 작물 이용성을 증가시켜 고품질 유기질 비료에 의한 영농기술 개발에 기여하리라 사료된다.

Claims (4)

  1. 동물의 혈액을 효소나 산으로 분해한 후 비료의 주성분과 보조 첨가제를 첨가하여 액체비료를 제조하는 방법에 있어서, 페스카라제(Pescalase), 알카라제(Alkalase)와 같은 바실러스 리케니포미스(Bacillus licheniformis)기원의 엔도펩티다제(endopeptidase)인 알칼라인 프로테아제(alkaline protease) 효소나 미생물 또는 황산, 염산, 옥살산 등의 산에 의하여 혈분을 분해하여 혈분 분해액을 제조하는 단계, 질소, 인산, 가리, 고토, 망간, 붕소, 철, 몰리브덴, 아연, 구리, 칼슘과 같은 비료의 주성분을 혈분 분해액에 용해시켜도 이에 의하여 제조된 액체비료에 있어서 불용성 침전물이 생성되지 않고 부패도 일어나지 않도록 하기 위하여 액체비료 500㎖ 대비 이디티에이(Ethylene-diaminetetraacetic acid, EDTA) 0.1%, 소르빈산칼륨 0.2%, 요소 1% 내지 10%로 구성되는 첨가제를 용해시켜서 첨가제 혼합용액을 제조하는 단계, 액체비료 500㎖당 혈분 분해액 400ml와 첨가제 혼합용액 100ml의 비율로 혼합하는 단계로 액체비료를 제조하는 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 혈분분해에 사용되는 미생물은 바실러스(Bacillus) 속 균주인 바실러스 에스피 비71(Bacillussp. B71) 균주를 혈분분해용 미생물로 사용하여 액체비료의 원료로 사용하는 방법.
  4. 삭제
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