KR101276958B1 - 게 껍질을 이용한 식물생장촉진제 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 식물생장촉진 및 병해방제에 효과가 뛰어난 게 껍질을 물리적인 방법으로 미분쇄하여 키틴아제(Chitinase)를 생성하는 미생물의 활동을 극대화한 게 껍질을 이용한 식물생작촉진제의 제조방법에 관한 것으로, 게 껍질을 15 내지 25um 의 직경을 갖는 입자크기로 분쇄한 것을 특징으로 하는 게 껍질을 이용한 식물생장촉진제의 제조방법을 제공한다.

Description

게 껍질을 이용한 식물생장촉진제 제조방법{Method for manufacturing plant growth substance using crab-shell}

본 발명은 식물생장촉진제의 제조방법에 관한 것으로, 특히 식물생장촉진 및 병해방제에 효과가 뛰어난 게 껍질을 물리적인 방법으로 미분쇄하여 키틴아제(Chitinase)를 생성하는 미생물의 활동을 극대화한 게 껍질을 이용한 식물생작촉진제의 제조방법에 관한 것이다.

키틴(Chitin)은 게나 새우와 같은 갑각류의 껍데기, 오징어 등의 연체동물의 골격 성분, 곤충의 외피 및 미생물의 세포벽에 많이 분포하면서 단백질과 복합체를 이루고 있는 분자량 100만 이상의 천연다당류로서, 아세틸 글루코사민(Acetylglucosamine)이 5,000개 이상 결합된 천연고분자 화합물이다.

거대한 비수용성의 중합체로서의 키틴이 분해되는 첫 번째 단계는 키틴아제라는 세포외 효소에 의해 아세틸 글루코사민(N-acetylglucosamine)으로 가수분해되고, 용해성의 아세틸 글루코사민은 계속해서 미생물 세포 내부로 운반되어, 호기성 조건 하에서 쉽게 산화되는 아세틸코아(Acetyl-CoA)와 글루코사민으로 가수분해된다. 키틴은 토양유기물 형성에 중요하며, 단질비가 7로서 서서히 무기화되는 질소의 공급원이 된다.

이에 따라, 지난 백 여년간 키틴을 농업에서 응용하고자 하는 연구가 진행되어 왔으나 그 발전은 키틴아제를 생성하는 미생물을 이용한 생물학적 방제라는 분야에 크게 제한이 되어 있는 실정이다. 키틴아제는 대부분이 키틴과 글루칸(Glucan)으로 이루어진 병균의 세포벽을 분해함으로써 곰팡이균의 생장을 저해할 수 있는 분해 효소(Lytic enzyme)인데, 대부분의 식물병원균 세포벽이 주요성분으로 키틴을 포함하고 있으므로, 이러한 키티나아제를 생산하는 미생물은 병원균의 밀도감소 등이 중요 기작이므로 생물학적 방제에 이용될 수 있다. 국내특허공개번호 제1998-067506호, 제1997-0070194호를 참조하면, 키틴 또는 키틴분해 미생물을 이용한 항균성 미생물제제가 개발되어 농업 생산에 이용되고 있으며 그 형태는 액상비료, 퇴비, 유기질비료 등 다양한 제형으로 보급되고 있다.

한편, 국내특허공개번호 제1995-0023636호, 제1999-0030815호에 의하면 게껍질이나 갑오징어뼈로부터 화학적 전처리를 통해 분리 추출한 키틴 및 키토산을 암모늄염 및 미량금속성분 또는 목초액과 혼합하여 조제한 키틴 및 키토산계 액상복합비료의 식물생장촉진효과가 보고되고 있으며, 국내특허공개번호 제2001-0099264호에서는 기초 모액인 인산2암모늄에 요소를 첨가한 다음 염화가리 또는 황산가리를 첨가하고 거기에 식물생육에 필요한 보조영양액과 키토산 용액, 생리활성겸 전착액을 첨가하여 액체 복합 비료를 제조한다고 보고 되어 있다.

하지만 전술한 종래의 많은 연구들은 키틴이 가지고 있는 에너지의 일부만을 사용하고 있을 뿐, 키틴이 지구상에서 단백질 다음으로 많은 양의 질소를 함유하고 있는 천연물질이라는 점을 간과하고 있어 키틴의 모든 에너지를 충분히 이용하지 못하고 있다. 그러므로 키틴을 다량으로 함유하고 있는 게껍질의 잠재적인 에너지까지 최대한 활용할 수 있는 기술이 요망된다.

따라서 본 발명의 목적은 키틴을 다량 함유하고 있는 게껍질의 활용도를 극대화하여 작물의 품질과 수확량을 증가시킬 수 있는 게 껍질을 이용한 식물생장촉진제의 제조방법를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 게 껍질을 이용한 식물생장촉진제는, 게 껍질을 이용한 식물생장촉진제에 있어서, 상기 게 껍질을 15 내지 25um 의 직경을 갖는 입자크기로 분쇄한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 게 껍질을 이용한 식물생장촉진제의 제조방법은 게 껍질을 이용한 식물생장촉진제의 제조방법에 있어서, 원심 분리법에 의하여 게살 부분을 제거한 게 껍질을 고압 분사기로 이물질을 제거한 후 가연건조 방식으로 건조하는 단계; 상기 건조된 게 껍질을 해머밀(Hammer Mill)을 이용하여 분쇄하는 1차 분쇄 단계; 및 상기 1차 분쇄된 게 껍질을 ACM분쇄기(Air Classifier Mill)를 이용하여 평균 20um의 입경을 갖는 입자로 분쇄하는 2차 분쇄단계;로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이때, 본 발명에 따른 게 껍질을 이용한 식물생장촉진제의 제조방법에 있어서, 상기 해머밀은, 출력 30hp이고, 생산량 200kg/hr이며, 게 껍질을 1~10mm의 입자크기로 분쇄하는 것을 특징으로 한다.

또한, 게 껍질을 이용한 식물생장촉진제의 제조방법에 있어서, 상기 ACM분쇄기는, 출력 10hp이고, 생산량 15kg/hr이며, 공기의 흐름 및 중력을 이용하는 분쇄원리에 따라 분쇄와 분급기능이 동시에 이루어져, 투입되는 상기 1차 분쇄된 게 껍질을 입자크기 15~25um로 분쇄하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 게 껍질을 미세하게 분쇄하여 키틴입자의 표면적을 증가시킴으로써, 키틴아제 생성 미생물의 생장을 위한 더 많은 공간과 양분을 제공할 수 있는 효과가 있다.

이에 따라, 본 발명은 키틴아제 생성 미생물의 번식을 가속시켜 키틴아제의 활성(농도)을 더 빠르게 증가시키고, 활성의 유지 시간도 더 오래 지속시킴으로써, 식물의 생장을 효과적으로 촉진시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 키틴아제 생성 미생물이 키틴아제를 생성하는 과정에서 생성되는 대사물질로 인해 작물의 생육을 더욱 촉진시키는 효과가 있다.

뿐만 아니라, 본 발명은 게 껍질의 사용량을 큰 폭으로 줄일 수 있고, 이에 따라 작업량이 감소하는 효과 및 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 게 껍질을 미세하게 분쇄하기 위한 분쇄기의 단면도,
도 2는 도 1의 분쇄기에 의해 미분쇄된 게 껍질의 입자 확대 사진,
도 3은 게 껍질의 입자 크기(입경)에 따른 표면적의 변화를 보인 그래프,
도 4는 게 껍질의 입자 크기가 키틴아제 활성변화에 미치는 영향을 나타낸 그래프,
도 5a는 게 껍질의 입자 크기(입경)에 따른 상추잎의 무게를 각각 나타낸 그래프,
도 5b는 게 껍질의 입자 크기(입경)에 따른 상추잎의 면적을 각각 나타낸 그래프,
도 6은 게 껍질의 입자 크기(입경)에 따라 재배된 상추의 상면 사진.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타내고 있음을 유의하여야 한다. 하기 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명에 따른 게 껍질을 이용한 식물생장촉진제는 본 발명에 따른 제조방법에 따라 게 껍질을 입경 1~10mm로 분쇄하는 1차 분쇄에 이어, 2차 분쇄됨으로써 평균 20um의 입경을 갖는 미분말로 분쇄된다.

본 발명에 따른 게 껍질을 이용한 식물생장촉진제의 제조방법을 상세히 설명하면, 먼저 원심 분리법에 의하여 게살 부분을 제거한 게 껍질을 고압 분사기로 이물질을 제거한 후 가연건조 방식으로 건조시킨다.

이어, 세척, 건조된 게 껍질을 해머밀(Hammer Mill)을 이용하여 1차 분쇄한다. 해머밀은 해머가 붙어 있는 디스크를 고속으로 회전시켜 공급되는 원료를 타격하여 분쇄실 벽에 있는 분쇄판에 충돌시켜 원료를 파괴시키는 분쇄기로서, 출구측에 다공판 및 스크린을 장착하여 분쇄제품의 입도를 조절할 수 있게 한 것이 보통이다. 본 발명의 일실시예에 따른 1차 분쇄에 사용되는 해머밀은 출력 30hp, 생산량 200kg/hr 로서, 게 껍질을 1~10mm의 입자크기로 분쇄한다.

그리고, 1차 분쇄된 게 껍질을 ACM분쇄기(Air Classifier Mill)를 이용하여 평균 20um의 입경을 갖는 초미분으로 분쇄하는 2차 분쇄과정을 수행한다. 2차 분쇄과정에서 사용되는 ACM분쇄기는 내부에 기류식 분급기가 내장되어 있는 충격식 분쇄기로서, 도 1에 본 발명에 따른 게 껍질을 미세하게 분쇄하기 위한 ACM분쇄기의 단면도를 나타내었다.

도 1을 참조하여 ACM분쇄기의 게 껍질 2차 분쇄를 상세히 설명하면, 원료주입구(Material Inlet, 1)를 통해 공급된 게 껍질은 공급튜브(Feed Tube)에 의해 그라인딩 챔버(Grinding Chamber)로 이송되고, 이송된 그라인딩 챔버 내의 게 껍질은 그라인딩 트랙(Grinding Track)을 따라 돌면서 고속으로 회전하는 원판형 회전자(Rotor Disk, 3)에 의해 분쇄되어, 공기주입구(Air Inlet, 4)를 통해 들어오는 공기에 의해 분급기(Classifier, 5) 방향으로 이송된다. 공기의 흐름은 산물/공기 배출구(Product/Air Outlet, 6)에 위치한 시스템 배기 팬(System exhaust fan)에 의하여 형성되어, 15~25um 의 작은 입자는 분급기(5)에 의하여 위로 끌어 올려지고, 큰 사이즈의 입자는 차단(reject)되어 구역 분할기(Zone Driver, 7)에 떨어지게 되며, 임팩터(Impactor, 2)에 바로 보내져 다시 추가적인 분쇄과정을 거치게 된다.

배출구(6)로 배출되는 게 껍질의 입자크기는 분급기(5)의 회전속도를 변경함으로써 조절 가능하다. 배출구(6)로 배출되는 게 껍질 분말은 포집, 저장된다. 본 발명의 실시예에 따른 2차 분쇄에 사용되는 분쇄기는 한국분체기계(주)의 ACM250(출력 10hp, 생산량 15kg/hr)으로서, 공기의 흐름 및 중력을 이용하는 분쇄원리에 따라 분쇄와 분급기능이 동시에 이루어져, 투입되는 1차 분쇄된 게 껍질을 입자크기 15~25um의 초미분으로 분쇄한다. 도 2에 도 1의 분쇄기에 의해 미분쇄된 게 껍질의 입자 확대 사진을 나타내었다.

상술한 본 발명에 따른 제조방법에 의하여 15~25um의 초미분으로 분쇄된 본 발명에 따른 게 껍질을 이용한 식물생장촉진제의 기본원리는 도 3 및 도 4에 도시한 그래프로부터 설명된다. 먼저, 키틴입자를 원형으로 가정하였을 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 동일한 질량의 입자의 크기는 지름이 적어질수록 그 표면적은 기하급수적으로 증가한다. 도 3은 게 껍질의 입자 크기(입경)에 따른 표면적의 변화를 보인 그래프로서, 구입자의 지름이 작아지면 작아질수록 그 표면적은 기하급수적으로 늘어난다.

본 발명은 다량의 키틴을 함유하고 있는 게 껍질을 작물생육에 필요한 양분으로 이용하고자 하는 것으로, Mian(1982) 등의 보고에 의하면 키틴의 토양으로의 처리는 키틴 분해특성을 가지고 있는 키틴아제 생성 미생물의 밀도를 증가시켜 준다.

도 3에 도시한 것과 같은 원리로, 미분쇄된 게 껍질은 큰 사이즈로 분쇄된 게 껍질에 비하여 토양 속의 키틴아제 생성 미생물을 위한 더 많은 공간을 제공하게 되고, 기하급수적으로 증가된 표면적은 더 많은 게 껍질을 먹이로 하는 미생물에게 양분을 공급할 수 있으며, 게 껍질을 먹이로 하는 미생물 즉, 키틴아제 생성 미생물은 충분한 양분의 공급으로 인하여 더 많은 숫자로 번식을 하게 되어 더 많은 키틴아제를 생성하게 된다. 또한, 이러한 과정에서 미생물은 더욱 많은 대사 산물을 생성함으로써 식물의 생장을 촉진하게 된다.

도 4는 게 껍질의 입자 크기가 키틴아제 활성변화에 미치는 영향을 나타낸 그래프로서, 본 발명에서는 1 mm 및 20 um의 크기로 각각 분쇄한 게 껍질을 이용하여 하기와 같은 조성으로 각각의 배지를 조성하였으며, 기존에 보유하고 있던 키틴아제 생성 미생물인 Lysobacter antibioticus 을 접종하여 28℃에서 171 RPM으로 9일간 배양하였다.

<배지 조성1>

배지 1: 1mm의 평균입경을 갖는 0.5% 키틴분말, 0.2% Na₂HPO₄, 0.1% KH₂PO₄, 0.05% NaCl, 0.1% NH₄Cl, 0.05% MgSO₄ 7H₂O, 0.05% CaCl₂ 2H₂O, 0.05% yeast extract

배지 2: 20um의 평균입경을 갖는 0.5% 키틴분말, 0.2% Na₂HPO₄, 0.1% KH₂PO₄, 0.05% NaCl, 0.1% NH₄Cl, 0.05% MgSO₄ 7H₂O, 0.05% CaCl₂ 2H₂O, 0.05% yeast extract

배양 후 1, 3, 5, 7 및 9일 째 시료를 각각 채취하여 미생물이 생성한 키틴아제의 활성(농도)를 조사한 결과, 도 4에 도시한 바와 같이 미세한 게 껍질(20um)로 조제한 배지 2의 키틴아제 활성은 굵은 입자의 게 껍질(1mm)을 첨가한 배지 1보다 더 빠르게 증가하였으며 활성의 유지 시간도 더 오래 지속되었다.

또한, 시비된 게 껍질의 입자크기가 식물생장에 미치는 영향을 조사하기 위하여 게 껍질을 2mm이상, 2mm, 1mm 및 20um의 크기로 각각 분쇄하여 하기와 같은 조성으로 각각의 배지를 조성하고, 기존에 보유하고 있던 키틴아제 생성 미생물 Lysobacter antibioticus 을 접종하여 28℃에서 171 RPM으로 5일간 배양하였다.

<배지 조성2>

배지 1: 20um 이하의 평균입경을 갖는 0.5% 키틴분말, 0.2% Na₂HPO₄, 0.1% KH₂PO₄, 0.05% NaCl, 0.1% NH₄Cl, 0.05% MgSO₄ 7H₂O, 0.05% CaCl₂ 2H₂O, 0.05% yeast extract

배지 2: 1mm의 평균입경을 갖는 0.5% 키틴분말, 0.2% Na₂HPO₄, 0.1% KH₂PO₄, 0.05% NaCl, 0.1% NH₄Cl, 0.05% MgSO₄ 7H₂O, 0.05% CaCl₂ 2H₂O, 0.05% yeast extract

배지 3: 2mm의 평균입경을 갖는 0.5% 키틴분말, 0.2% Na₂HPO₄, 0.1% KH₂PO₄, 0.05% NaCl, 0.1% NH₄Cl, 0.05% MgSO₄ 7H₂O, 0.05% CaCl₂ 2H₂O, 0.05% yeast extract

배지 4: 2mm 이상의 평균입경을 갖는 0.5% 키틴분말, 0.2% Na₂HPO₄, 0.1% KH₂PO₄, 0.05% NaCl, 0.1% NH₄Cl, 0.05% MgSO₄ 7H₂O, 0.05% CaCl₂ 2H₂O, 0.05% yeast extract

배양 5일 후, 정식 후 10일이 경과한 상추가 담겨져 있는 포트(500 ml) 당 10ml 씩 배양액을 접종하였다. 접종 3주 후 처리구 별 상추를 무작위로 채취하여서 잎의 무게 및 면적을 조사하였으며, 그 결과를 도 5a 및 도 5b에 각각 나타내었다. 또한, 도 6에 게 껍질의 입자 크기(입경)에 따라 재배된 상추의 상면 사진을 함께 도시하였다.

도 5a는 게 껍질의 입자 크기(입경)에 따른 상추잎의 무게를 각각 나타낸 그래프로서, 게 껍질의 입자 크기(입경)가 상추의 생장에 미치는 영향을 상추잎의 생장길이 차이로 나타낸 그래프이고, 도 5b는 게 껍질의 입자 크기(입경)에 따른 상추잎의 면적을 각각 나타낸 그래프로서, 게 껍질의 입자 크기(입경)가 상추의 생장에 미치는 영향을 상추잎의 생장넓이 차이로 나타낸 그래프이다.

도 5a 및 도 5b과 도 6을 참조하면, 20um이하의 미세한 입자크기를 갖는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 게 껍질을 이용한 식물생작촉진제가 3주의 짧은 시간에도 불구하고 상추의 생장을 효과적으로 촉진함을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 게 껍질을 이용한 식물생장촉진제 및 그 제조방법은 평균입경 20um이하로 게 껍질을 미분쇄함으로써, 기존의 굵은 입경을 갖는 게 껍질에 비하여 식물생장에 탁월한 효과를 가지며, 이에 따라 기존의 사용량보다 적은 사용량으로도 월등한 생장촉진 효과를 얻을 수 있다. 이를 쉽게 알아볼 수 있도록 하기의 표 1에 정리하였다.

농가에서 기대하고 있는 효과를 얻기 위하여, 건조 분쇄된 평균입경 1~10mm의 게 껍질은 125kg/200평의 수준으로 사용되고 있는 반면, 본 발명에 따른 20um이하의 평균입경을 갖는 게 껍질을 이용한 식물생장촉진제는 5kg만 시용하여도 비슷한 효과를 얻을 수가 있다. 따라서 미분쇄 비용이 추가되더라도 기존에 비하여 큰 폭으로 그 사용량을 줄일 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 게 껍질을 이용한 식물생장촉진제 및 그 제조방법은 게 껍질을 미세하게 분쇄하여 키틴입자의 표면적을 증가시킴으로써, 키틴아제 생성 미생물의 생장을 위한 더 많은 공간과 양분을 제공하여, 키틴아제 생성 미생물의 번식을 가속시켜 키틴아제의 활성(농도)을 더 빠르게 증가시키고, 활성의 유지 시간도 더 오래 지속시킴으로써, 식물의 생장을 효과적으로 촉진시킨다.

또한, 본 발명에 따른 게 껍질을 이용한 식물생장촉진제 및 그 제조방법은 게 껍질의 사용량을 큰 폭으로 줄일 수 있고, 이에 따라 작업량과 비용을 절감시킬 수 있다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.

Claims (4)

1. 원심 분리법에 의하여 게살 부분을 제거한 게 껍질을 고압 분사기로 이물질을 제거한 후 가연건조 방식으로 건조하는 단계;
   상기 건조된 게 껍질을 출력 30hp이고, 생산량 200kg/hr인 해머밀(Hammer Mill)을 이용하여 게 껍질을 1~10mm의 입자크기로 1차 분쇄하는 단계;
   상기 1차 분쇄된 게 껍질을 출력 10hp이고, 생산량 15kg/hr인 ACM분쇄기(Air Classifier Mill)를 이용하여 상기 1차 분쇄된 게 껍질을 입자크기 15~25um로 2차 분쇄하여 게 껍질 분말을 만드는 단계;
   상기 게 껍질 분말 0.5%에, 0.2% Na₂HPO₄, 0.1% KH₂PO₄, 0.05% NaCl, 0.1% NH₄Cl, 0.05% MgSO₄ 7H₂O, 0.05% CaCl₂ 2H₂O 및 0.05% yeast extract를 포함하는 배지를 조성하는 단계; 및
   상기 배지에, 키틴아제 생성 미생물인 Lysobacter antibioticus을 접종하여 28℃에서 171 RPM으로 5 내지 9일간 배양하는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 게 껍질을 이용한 식물생장촉진제의 제조방법.
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