KR102380780B1 - 커피박을 포함하는 친환경 원예용 비료 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 커피박을 포함하는 원예용 비료의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로 커피박을 포함하여 영양 성분이 우수하고, 곰팡이에 취약한 커피박을 주요 유효성분으로 포함하면서도 방부제나 진균제 없이도 보관 안정성이 뛰어난 친환경의 원예용 비료를 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.

Description

커피박을 포함하는 친환경 원예용 비료 제조방법{Method of manufacturing Eco-friendly gardening fertilizer containing coffee grounds}

본 발명은 커피박을 포함하는 원예용 비료의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로 커피박을 포함하여 영양 성분이 우수하고, 곰팡이에 취약한 커피박을 주요 유효성분으로 포함하면서도 방부제나 진균제 없이도 보관 안정성이 뛰어나 친환경의 원예용 비료를 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.

커피박은 커피를 추출하고 난 후의 찌꺼기를 의미하는 것으로, 커피 한 잔에 보통 원두 15g을 사용하니, 물기를 제거해도 13.5g 정도의 커피박이 남게 된다. 스타벅스의 경우 해마다 커피박이 10만 톤이 나오고 있어, 커피박을 재활용하지 않는다면 모두 폐기 처분 대상이 되어 환경 오염 문제를 일으킬 우려가 있다.

한편, 커피박은 인산, 마그네슘, 아연, 나트륨, 망간 등의 무기원소와 질소와 탄소를 함유하는 유기물의 함량이 높아 흔히 비료, 가축사료, 펠릿, 버섯재배, 화장품 등으로 재활용되고 있다. 또한 커피박은 냄새 흡착 효과가 우수하여 탈취제의 용도로도 사용된다. 커피박의 이 같은 이점을 이용하여 커피 프렌차이즈는 고객에게 커피박을 무료로 배포하여 폐기물 량을 줄이려는 노력을 기울이고 있고, 소비자도 커피 찌꺼기를 이용하여 가정 내 퇴비, 탈취제 등으로 재활용하고 있다.

그런데 커피박은 수분함유량이 높고 일반 토양에 비해 곰팡이 발생확률이 높다. 그래서 커피박을 이용한 비료는 사실상 버섯 재배에 흔히 쓰이고, 일반 식물용으로 사용하기에는 다소 부적합하여 다른 성분과 혼합하여 극소량으로만 사용해야 하거나 자주 갈아주어야 하는 단점이 있다. 또한 곰팡이 발생을 억제하기 위한 방부제나 진균제 활성의 화합 물질을 혼합해 주지 않으면, 보관성이 떨어져서 제품화하여 비료로써 판매하는데 어려움이 따른다. 보관안정성을 높이기 위해 커피박을 효모와 혼합하여 발효시키는 방법이 있는데, 효모와 혼합하는 것은 온도가 높은 여름의 경우 흙 내에서 과발효를 발생시켜 흙의 산도를 증가시킬 우려가 있다. 또한, 커피박을 완전히 건조시키는 방법 등을 이용할 수 있는데, 대량의 커피박을 완전히 건조하기 위해서는 자연 건조로는 어렵고 동결건조나 감암건조 방식을 취하므로 특정 장치나 설비를 요하여 경제적이지 않다. 더욱이 커피박을 완전 건조시켜 배포하더라도 원예용으로 사용시 커피박이 토양의 물을 흡수하면 다시 미생물이 증식하기 쉬운 환경이 되어 곰팡이가 쉽게 발생하게 된다.

상기 과제를 해결하기 위해, 일 양상은 커피박과 식물성 기름을 혼합하여 반응시키는 단계; 상기 혼합물로부터 식물성 기름과 물을 분리하는 단계; 기름층과 물층을 분리하는 단계; 및 분리된 물층을 제거하고, 기름층을 다시 커피박과 혼합하는 단계를 포함하는 원예용 커피박 비료의 제조 방법을 제공한다.

일 양상은 구체적으로, 커피박과 식물성 기름을 혼합한 후 12 시간 이상 반응시키는 단계; 상기 혼합물을 압착하거나 원심분리하여 커피박으로부터 식물성 기름과 물을 분리하는 단계; 분리된 식물성 기름과 물을 12 시간 이상 예치하여 기름층과 물층을 분리하는 단계; 및 분리된 물층을 제거하고, 기름층을 다시 커피박과 혼합하는 단계를 포함하는 원예용 커피박 비료의 제조 방법을 제공한다.

커피박은 커피 추출 후 남은 찌꺼기를 그대로 사용해도 되고, 너무 많이 건조된 것은 100 ℃ 이상의 수증기에 일정 시간 노출시킨 것이 바람직할 수 있다. 커피박이 완전히 건조되어 있거나 온도가 너무 낮으면 커피 분말 입자 기공이 좁아진 상태여서 식물성 기름과 혼합하여도 커피 분말 내 기공에 스며들기 어렵다. 이 경우 공정을 모두 끝내어도 커피 분말 내 기공이 그대로 열려 있어, 다시 수분이 스며들기 쉽고, 그로 인해 보관 안정성이 저하될 수 있다.

상기 식물성 기름은 땅콩기름, 면실유, 옥수수기름, 올리브유, 유채기름, 코코넛기름, 콩기름, 팜유, 포도씨유, 해바라기씨유, 홍화유, 개암기름, 마룰라기름, 마카다미아기름, 몽공고기름, 아르간기름, 아몬드기름, 잣기름, 캐슈기름, 피스타치오기름, 피칸기름, 호두기름, 겨기름, 겨자기름, 님기름, 들기름, 삼씨기름, 수박씨기름, 아마인유, 아보카도기름, 참기름, 팜핵유, 피마자기름, 호박씨기름, 레몬기름, 오렌지기름 또는 이들의 조합이 있으나 이에 제한되지 않는다. 상기 식물성 기름은 바람직하게는 옥수수기름, 올리브유, 유채기름, 코코넛기름, 및 콩기름으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것일 수 있다. 커피박의 수분제거에는 다양한 유기용매나 기름이 사용될 수 있으나 식물성 기름이 가장 적합하다. 유기용매는 비료로 사용하는 경우 식물에 해가 되거나 작물에 유독한 성분이 흡수되어 안전성 문제가 있다. 동물성 기름은 온도에 민감한 편이므로 대량 제조시 부적합하거나 특정 온도를 계속 유지해야 하는 문제가 있고, 원예용으로 사용시 흙과 함께 굳어서 사용하기 불편하고 식물의 뿌리에 해를 입힐 수 있다.

상기 제조방법에서, 식물성 기름과 혼합하기 전에 커피박을 150 내지 200 ℃에 1 분 내지 3분 간 볶는 단계를 더 포함할 수 있다.

커피박을 식물성 기름과 혼합하기 전에 짧게 볶아주면 커피 분말 내 기공을 열어주는 기능을 하고, 커피 분말 사이에 존재하는 수분을 날려 공정 효율을 높일 수 있다. 또한 커피박을 뜨거운 물을 이용한 추출 직후에 사용하지 않는 경우, 미생물 번식이 용이한 커피박 특성 상 이미 커피 분말 내 세균이나 곰팡이균이 스며들어 있을 가능성이 높으므로 열을 가하여 커피 분말 내 미생물을 제거하는 효과도 있다.

커피박을 오래 볶으면 건조가 심해져서 기공이 좁아질 수 있기 때문에, 고열에 빠르게 볶아내는 것이 바람직하고, 분말이 타지 않도록 볶으면서 저어주어야 한다. 한편 온도가 200℃ 보다 높으면 커피 분말이 다 타버릴 수 있다.

상기 식물성 기름은 커피박의 부피를 기준으로 0.2 내지 1배, 바람직하게는 0.5배인 것일 수 있다.

식물성 기름의 부피가 커피박 부피의 1배를 초과하는 경우, 커피박으로부터 영양 성분이 과하게 소실될 수 있고, 숙성을 오래 진행하더라도 추출된 영양 성분의 농도가 낮아 커피박으로 다시 충분히 흡수되기 어려울 수 있다. 또한 식물성 기름의 부피가 커피박 부피에 비해 너무 적은 경우 커피박 전체에 스며들지 못해 미생물 증식 억제, 수분 제거와 같은 목적을 달성하기 어려울 수 있다.

상기 제조 방법에서 식물성 기름의 온도는 40 내지 50 ℃인 것일 수 있다.

식물성 기름 온도가 40℃ 미만인 경우 유동성이 떨어져 커피박의 입자 내로 스며들기 어려울 수 있고, 커피박 입자 내 기공을 닫을 수 있다. 식물성 기름 온도가 50℃를 초과하는 경우 커피박이 타버릴 수 있다.

커피박과 식물성 기름을 혼합한 후에는 식물성 기름이 커피박 입자와 입자 내 기공 사이로 충분히 흘러들어 흡수되고 물을 밀어낼 수 있도록 12 시간 이상, 구체적으로는 12 시간 이상 24 시간 이하로 충분히 반응시켜야 하고, 반응 온도도 40 내지 50 ℃로 유지하는 것이 바람직하다. 커피박의 양에 따라 식물성 기름이 더 잘 스며들 수 있도록 반죽하듯이 계속 혼합해 줄 수 있다.

상기 식물성 기름과 커피박의 혼합물을 12 시간 이상 반응시킨 후에는 이를 압착하여 상기 혼합물로부터 식물성 기름과 커피박 내 스며있던 수분을 짜낸다. 압착하는 대신 원심분리 방식을 이용할 수 있다.

상기 혼합물을 짜내는 과정에서 커피박이 소실되지 않도록 하기 위해, 상기 혼합물을 면, 실크, 폴리에스테르 등의 주머니에 넣고 압착할 수 있다.

분리된 식물성 기름과 물은 12 시간 이상, 바람직하게는 12 시간 이상 24 시간 이하 동안 예치하여 기름층과 물층을 분리한다. 물이 기름층에 비하면 매우 소량이므로 분액깔때기와 같은 장치를 이용하는 것이 바람직할 수 있다.

기름층과 물층이 분리되면 물층은 버리고 기름층은 다시 압착하고 남은 커피박과 혼합한다. 커피박으로부터 일부 영양 성분은 식물성 기름과 접촉하면용출되어 나올 수 있다. 따라서 다시 커피박과 혼합하여 영양 성분을 커피박에 흡수시켜 주어야 하므로 숙성 단계를 진행한다.

숙성하는 단계는 기름층을 다시 커피박과 혼합한 후, 40 내지 50℃에서 12 시간 이상 반응시키는 것일 수 있다.

온도를 40 내지 50℃로 유지하는 것은 식물성 기름의 유동성을 좋게 하고 커피박의 기공을 열어 표면적을 넓힘으로써 영양 성분이 잘 흡수되도록 하기 위함이다. 숙성 시간은 12 시간 이상, 바람직하게는 12 시간 내지 24 시간으로 충분히 진행하여야 한다.

상기 숙성된 혼합물은 기름흡수성 재료로 커피박 입자 외부에 잔류하는 기름을 제거하는 단계를 거쳐야 할 수 있다.

상기 기름층이 다시 커피박으로 잘 스며들고 나면 입자 외부에 기름이 잔류하는데, 입자에 스며들지 못한 기름은 비료에 유익하지 않다. 잔류하는 기름을 제거하기 위해, 커피박을 기름흡수성 재료 위에 펼친 후 그 위를 다시 기름흡수성 재료로 덮고 압착하는 방식을 이용할 수 있다. 식물성 기름은 주로 휘발성이 아니므로 제거하려면 커피박이 탈 정도의 고온을 가하여야 하거나 다른 유기 용매를 사용하여 녹여내야 하기 때문에 기름종이와 같은 물리적인 방법으로 제거하는 것이 바람직하다. 기름흡수성 재료로는 면, 마, 펄프, 모, 견, 과, 폴리에스테르 또는 이들의 조합과 같은 다양한 소재의 것을 이용할 수 있다.

식물성 기름은 적절히 사용하는 경우 비료가 될 수 있지만, 과량으로 사용하는 경우 뿌리에 산소 공급이나 영양소 흡수를 막아서 오히려 식물에 해가 될 수 있다. 커피박 입자 내에 스며든 기름은 기공 내에 존재해 있다가 미생물과의 반응으로 입자가 분해되거나 소량씩 입자 외부로 확산되면서 서서히 흙 사이로 스며들 수 있으나, 커피박 외부에 존재하는 기름은 흙 입자들끼리 뭉치게 하여 흙 내에 공기 유입과 영양소 공급을 차단할 수 있다. 따라서 기름흡수성 재료로 잔류하는 기름을 제거하는 단계는 1 회 이상, 바람직하게는 1 내지 5회 반복하여 커피박 입자 외부에 잔류하는 기름은 충분히 제거되어야 한다.

상기 제조방법에 의해 제조된 커피박 비료는 흙의 중량을 기준으로 5 내지 30 w/w%, 바람직하게는 5 내지 20 w/w%, 보다 바람직하게는 15 내지 20 w/w%로 혼합하여 사용할 수 있다.

커피박 비료는 흙과 혼합하여 사용할 수 있고, 흙 위에 뿌리는 방식으로 사용할 수 있다. 흙의 중량을 기준으로 커피박 비료의 양이 30%를 초과하는 경우 커피박 입자와 접촉하는 흙의 표면적이 커지면서 입자 내에 기름 성분이 흙과 버물어져 식물에 해를 입힐 수 있고, 5% 미만인 경우 커피박의 비료로서의 효과를 충분히 발휘하지 못할 수 있다.

잔류하는 기름까지 제거된 커피박 비료는, 다양한 제형으로 가공되어 제공될 수 있다. 상기 제형은 예를 들어, 현탁액, 에멀젼, 파우더, 정제, 환, 과립, 펠릿 등이 있으나 이에 제한되지 않는다. 상기 커피박 비료는 바람직하게는 파우더, 환, 과립, 펠릿과 같은 고형제형일 수 있다.

커피박 비료를 환, 과립, 및 펠릿의 형태로 가공하기 위해, 상기 제조방법은 잔류하는 기름까지 제거된 커피박 비료에 결정성셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 히드록시프로필메틸셀룰로오스, 및 폴리비닐피롤리돈으로 이루어진 군으로부터 선택된 결합제를 첨가하여 환, 과립, 및 펠릿으로서 적절한 크기로 제형화할 수 있다. 바람직하게는 상기 결합제는 히드록시에틸셀룰로오스와 폴리피롤리돈의 조합일 수 있다. 결합제를 사용하여 고형제제로 제형화하는 경우 서방출 효과를 달성할 수 있어 커피박 비료의 교체주기가 길어지고, 보관 안정성도 증가할 수 있다. 상기 결합제는 전체 커피박 비료 중량을 기준으로 1 내지 5 w/w%, 1 내지 3 w/w%로 포함될 수 있다. 상기 제형화에는 활택제, 흡착제, 착색제, 방향제, 희석제, 붕해제 등을 더 포함할 수 있다. 커피박 비료는 원예용으로 적용되어야 하므로, 상기 결합제, 붕해제, 활택제, 흡착제, 착색제, 방향제, 희석제 등의 첨가제는 원예용으로 적합한 것을 사용하여야 한다.

본 발명은 커피박 입자 내 수분을 완전히 제거하기 위해 200℃를 초과하는 고온의 온도에서 가열하거나, 3분을 초과하는 장시간 동안 커피박을 건조하는 단계를 포함하지 않는다. 따라서 커피박의 유익한 성분을 최대한 유지할 수 있다.

또한 본 발명은 커피박 입자 내 수분을 완전히 제거하기 위해 감압건조 또는 동결건조하는 단계를 포함하지 않는다. 감압건조나 동결건조는 특정 장치나 시설을 요하므로 제조방법에 이러한 단계를 포함하는 경우 제조 단가가 높아지는 단점이 있다. 반면 본 발명은 이러한 단계를 포함하지 않고도 커피박 입자 내 수분을 제거할 수 있어 경제적이고, 식물성 기름이 갖는 탄소 및 질소가 커피박 입자로부터 서서히 용출되어 식물에 영양소를 공급하는 역할을 할 수 있다.

본 발명의 커피박 비료는 미생물 증식을 억제하기 위한 항생제, 항진균제, 방부제와 같은 추가의 화학 성분이나 목초액, 제충국 추출물 등과 같은 생물농약도 포함하지 않는다. 생물농약이 친환경임을 표방하나, 여전히 사용량에 제한이 있고, 특히 목초액은 강산성이라 비료의 성분으로 포함되면 취급상 어려움이 있다. 또한 본 발명의 커피박 비료는 효모를 포함하지 않는다. 효모를 사용하여 비료를 제조하는 경우, 특정 온도에서 흙 내에 과발효를 일으켜 산도를 증가시키므로 관리가 어려운 단점을 갖는다.

상기 제조방법은 커피박 비료를 대량으로 생산하는데 유용하고, 예를 들어 커피박 무게를 기준으로 1kg 이상, 바람직하게는 1 kg 내지 3kg을 이용하여 커피박 비료를 제조하는데 유용할 수 있다.

일 양상에 따른 원예용 비료 제조방법에 의해 제조된 비료는 환경에 유해한 성분을 포함하지 않고, 방부제나 항생제 또는 항진균제와 같은 화학성분을 포함하지 않고도 미생물 증식이 억제되어 보관이 용이하고 원예용으로 사용시 곰팡이 발생 우려가 없는 장점을 갖는다. 또한 커피박 입자 내 수분을 완전히 제거하기 위해 고온의 열을 장시간 가열하는 단계를 포함하지 않으므로 커피박의 유익한 성분을 최대한 유지할 수 있으며, 감압건조 또는 동결건조와 같은 특정 장치나 시설을 요하는 단계를 필요로 하지 않아 제조하기 용이하고 비용상 저렴하다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예 등을 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.

제조예 1: 친환경 커피박 비료의 제조

커피박은 에스프레소 추출 후 남은 것으로서, 추출한지 3일이 지나지 않은 것을 이용하였다. 커피박 1kg을 약 160℃에서 1분 간 휘저어가며 빠르게 볶아 주었다. 콩기름인 식용유를 약 45℃ 정도로 데운 것을 준비하여 볶은 커피박에 커피박 부피의 0.5 배에 해당하는 양으로 부어주고 잘 버무려 주었다. 그런 다음 온도를 유지하며 12시간 정도 두어 커피박 입자 내에 식용유가 잘 스며들게 하였고, 이따금씩 손으로 반죽하듯 혼합해 주었다. 12시간이 지나면 식용유에 버무려진 커피박을 면 주머니에 담고 압축기를 이용하여 식용유와 수분이 섞인 용액을 짜내었다. 짜내어 나온 용액은 분별깔대기에 넣고 18 시간 정도 예치하여 기름층과 물층이 분리되도록 하였다. 물층이 충분히 분리된 것으로 확인되면 깔대기를 열어 물층을 제거하고, 남은 기름층만 다시 커피박에 부어주고 혼합하였다. 그런 다음 온도를 약 45℃까지 올리고 12 시간 이상 숙성하였다. 마찬가지로 식용유가 잘 스며들도록 이따금씩 손으로 반죽해 주었다. 숙성이 완료되면, 기름종이 위에 숙성된 커피박을 깔고 그 위에 기름종이를 덮어준 후 롤러로 롤링하면서 잔류하는 기름을 제거하였다. 이 과정은 새로운 기름종이를 사용하면서 3회 반복하였다.

제조된 커피박 비료는 히드록시에틸셀룰로오스 및 폴리피롤리돈의 조합과 같은 결합제를 전체 커피박 비료 중량을 기준으로 1% 정도로 혼합하여 펠렛으로 만들어 사용할 수 있다. 커피박 비료를 환, 과립, 및 펠릿 형태로 하는 경우, 소비자가 사용하기 용이하고, 방출 속도가 분말 형태인 것 보다 느리므로, 교체 주기가 긴 장점이 있다.

시험예 1: 곰팡이 형성 확인

커피박은 에스프레소 추출 후의 상태를 실온의 공기 중에 방치 시 일주일 내 곰팡이가 발생한다. 이에 제조예 1의 커피박 비료와 비교군으로서 아무 처리도 하지 않은 커피박의 곰팡이 생성 속도를 비교하였다. 비교군인 커피박은 에스프레소 추출 직후 덩어리진 상태를 잘게 부수어 플라스틱 통에 담아 뚜껑을 열어 두었고, 커피박 비료는 제조예 1에서 펠릿으로 제조하기 전의 분말 상태의 것을 이용하여 비교군과 동일하게 방치하였다. 실내의 온도는 약 20℃ 내지 25℃로 일정하게 유지하였다.

그 결과, 예상했던대로 비교군은 일주일 째에 하얀 곰팡이가 관찰되었고, 약 10일 째가 되어서는 초록색의 곰팡이가 함께 관찰되기 시작하였다. 반면 제조예 1에서 제조된 커피박 비료에는 2주 째가 되어도 곰팡이가 관찰되지 않았다.

시험예 2: 식물 생장 효과 확인

커피박 비료가 식물 생장에 해를 미치는지 확인하였다. 식물로는 생장 환경에 영향을 많이 받는 새싹을 이용하였다. 구체적으로, 상기 제조예 1의 커피박 비료를 분말화 한 것과 펠릿 상태로 제형화 한 것을 이용하여, 마사토 20% 및 배양토 65%를 혼합한 토양의 상단부에 커피박 비료를 15% 양으로 뿌리고 혼합해 준 후 수경재배로 약 3 cm 정도 자란 무순새싹을 옮겨 심었다. 한편, 비교예로 아무 처리를 하지 않은 커피박을 잘게 부수어, 커피박 비료와 마찬가지로 토양을 준비한 후 무순새싹을 옮겨 심었다.

약 1 개월 정도 관찰한 결과, 제조예 1을 사용한 경우 분말과 펠릿 모두 무순 새싹이 정상적으로 생장하는 것을 확인하였고, 곰팡이가 관찰되지 않았다. 반면 비교군은 약 5일 째부터 곰팡이가 관찰되기 시작하였고, 10일 째에는 곰팡이 번식 정도가 무순이 정상적으로 성장할 수 없는 상태에 이르러 재배를 중단하였다.

Claims (8)

1. 커피박을 150 내지 200 ℃에 1 분 내지 3분 간 볶는 단계;
   커피박과 커피박 부피의 0.5배의 식물성 기름을 혼합한 후 12 시간 이상 반응시키는 단계;
   상기 혼합물을 압착하거나 원심분리하여 커피박으로부터 식물성 기름과 물을 분리하는 단계;
   분리된 식물성 기름과 물을 12 시간 이상 예치하여 기름층과 물층을 분리하는 단계;
   분리된 물층을 제거하고, 기름층을 다시 커피박과 혼합하여 40 내지 50℃에서 12 시간 이상 숙성하는 단계; 및
   상기 숙성된 혼합물은 기름흡수성 재료로 커피박 입자 외부에 잔류하는 기름을 제거하는 단계;를 포함하는 원예용 커피박 비료의 제조 방법.
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7. 청구항 1에 있어서, 상기 커피박 비료는 흙의 중량을 기준으로 5 내지 30 w/w%로 사용하는 것인, 원예용 커피박 비료의 제조 방법.
8. 청구항 1에 있어서, 상기 원예용 커피박 비료를 정제, 환, 과립, 및 펠릿으로 이루어진 군으로부터 선택된 제형으로 제형화 하는 단계를 더 포함하는 것인, 원예용 커피박 비료의 제조 방법.