KR102602023B1 - 복합 미생물이 포함된 축분 바이오차 및 이의 제조방법 - Google Patents
복합 미생물이 포함된 축분 바이오차 및 이의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 복합 미생물을 포함하며 질소 함량이 증가되어 우수한 품질특성을 가지는 축분 바이오차 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 복합 미생물을 포함하며 질소 함량이 증가되어 우수한 품질특성을 가지는 축분 바이오차 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
바이오차(Biochar)는 바이오매스(Bio)와 차콜(Charcoal)의 합성어로 바이오매스를 산소가 없거나 매우 적은 환경에서 열분해(pyrolysis)하여 생성되는 고형물을 의미한다.
이러한 바이오차는 표면적이 넓고 미세다공 구조로서 흡착력으로 인한 보비력과 보습력이 있어 대기 중의 이산화탄소 농도를 저감시킬 수 있는 탄소 포집 기능 및 토양 속에 있을 때는 공기 순환을 증가시키고, 유용미생물의 거주지 역할을 하는 토양 개선 효과 등을 가지고 있다.
한편, 바이오매스를 바이오차로 전환하기 위해서는 산소 공급이 차단된 환경에서 열분해를 진행하여야 하는데, 축산 폐기물 예컨대 계분 또는 우분과 같은 축산 폐기물을 이용하여 바이오차를 제조하는 경우, 원료의 높은 함수율과 찰흙 같은 성상으로 인해 건조가 쉽지 않을 뿐만 아니라, 제조 과정에서 PAH와 같은 발암물질이 함께 발생할 수 있으며, 건조 및 탄화 시 화석연료를 사용하는 경우 제조 비용의 증가 및 제2차 환경오염의 우려가 있다.
한편, 축산 폐기물을 이용하여 바이오차 제조시 생산 수율 및 제조된 바이오차의 품질을 향상시키기 위해 축산 폐기물을 물리적(physical) 또는 화학적(chemical)으로 전처리하는 경우, 설치비용과 운영비용이 증가하고 2차 환경오염이 발생할 수 있어 상업화가 어려운 점이 있다.
따라서, 축산 폐기물을 이용하여 바이오차를 생산 시 경제적이고 친환경적으로 바이오차를 생산할 수 있으면서도, 제조된 바이오차가 우수한 품질 특성을 가지도록 하기 위한 새로운 바이오차 제조 방법의 연구가 요구되고 있다.
이에, 본 발명자들은 축산 폐기물을 이용하여 바이오차를 생산 시 축산 폐기물에 복합 미생물을 전처리 단계에 투입함으로써 열분해 시간을 단축하여 경제적이고 효율적으로 바이오차를 생산할 수 있고, 투입된 복합 미생물이 축산 폐기물에 함유된 유기물의 셀룰로오스, 리그닌 성분을 가수분해함에 따라 축산 폐기물 내 질소 함량이 증가되어 제조된 바이오차의 질소량을 증가시킬 수 있으며, 상기 제조된 바이오차를 토양에 적용하는 경우, 작물의 질소 흡수량을 증가시키는 효과가 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 축산 폐기물로부터 경제적이고 친환경적이며 높은 효율로 바이오차를 생산하는 축분 바이오차의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 복합 미생물을 포함하며 질소 함량이 증가되어 우수한 품질특성을 가지는 축분 바이오차를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 축분 바이오차를 포함하는 작물 생육 촉진 및 토양 개량용 제제를 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 축산 폐기물 및 복합 미생물을 혼합하는 단계 (b) 상기 혼합물을 숙성하는 단계 및 (c) 상기 숙성된 혼합물을 열분해하는 단계를 포함하는 축분 바이오차의 제조방법을 제공할 수 있다.
상기 (a) 단계에서, 상기 축산 폐기물 100톤 기준으로 복합 미생물을 10L 내지 100L 혼합할 수 있다.
상기 (a) 단계에서, 상기 축산 폐기물은 40% 내지 90%의 함수율을 가질 수 있다.
상기 (b) 단계에서, 상기 숙성은 상온에서 수행될 수 있다.
상기 (b) 단계에서, 상기 숙성은 5일 내지 20일간 수행될 수 있다.
상기 (c) 단계에서, 상기 열분해는 무산소 조건에서 간접 가열 방식으로 수행될 수 있다.
상기 (c) 단계에서, 상기 열분해는 350℃ 내지 450℃에서 건조 및 탄화가 동시에 이루어질 수 있다.
상기 (c) 단계에서, 상기 열분해는 함수량에 따라서 5분 내지 30분동안 수행될 수 있다.
상기 복합 미생물은 호묘균, 젖산균, 광합성세균, 방선균, 사상균 및 유용 세균으로 이루어진 군으로부터 선택되는 2종 이상을 포함할 수 있다.
상기 복합 미생물은 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis), 아스페르길루스(Aspergillus) 속, 락토바실러스(Lactobacillus) 속, 남세균(cyanobacteria), 홍색세균(purple bacteria) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 2종 이상을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 제조방법에 따라 제조된 축분 바이오차를 제공할 수 있다.
상기 축분 바이오차는 전체 성분에서 질소 함량이 3% 이상일 수 있다.
상기 축분 바이오차는 복합 미생물이 생존한 상태로 포함될 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 바이오차를 포함하는 작물 생육 촉진 및 토양 개량용 제제를 제공할 수 있다.
본 발명은 축산 폐기물로부터 경제적이고 친환경적이며 높은 효율로 바이오차를 생산하면서도, 생산된 바이오차의 질소 함량이 증가되어 우수한 품질특성을 가지는 축분 바이오차 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.
구체적으로, 축산 폐기물에 복합 미생물을 전처리 단계에 투입함으로써 열분해 시간을 단축하여 경제적이고 효율적으로 바이오차를 생산할 수 있으며, 투입된 복합 미생물이 축산 폐기물에 함유된 유기물을 분해함에 따라 축산 폐기물 내 질소 함량이 증가되어 제조된 바이오차의 질소량을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 제조된 바이오차 내에 복합 미생물이 생존한 상태로 포함될 수 있어, 이를 이용하는 경우 바이오차 내에 존재하는 복합 미생물이 고유의 기능을 발휘할 수 있다.
이에 따라, 상기 생산된 계분 또는 우분 바이오차를 토양에 적용하는 경우, 작물의 질소 흡수량을 증가시키고 작물 생육을 촉진시켜 기존의 화학비료를 대체할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 축분 바이오차를 포함하는 작물 생육 촉진 및 토양 개량용 제제를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따라 제조된 축분 바이오차 내에 복합 미생물이 존재하는 모습을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실험예 2에 따른 축분 바이오차의 비료효과 검증을 위한 상추 재배 시험 사진의 일부를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실험예 3에 따른 축분 바이오차의 비료피해 검증을 위한 5종 작물 재배 시험 사진의 일부를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실험예 2에 따른 축분 바이오차의 비료효과 검증을 위한 상추 재배 시험 사진의 일부를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실험예 3에 따른 축분 바이오차의 비료피해 검증을 위한 5종 작물 재배 시험 사진의 일부를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 구현 예에 따른 축분 바이오차 및 이의 제조방법에 대해 설명하기로 한다.
본 명세서에서 달리 정의되지 않는 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 통상의 기술자들에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본 발명에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 구체예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 '포함'의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 상기 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서, 예를 들어 '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이라는 표현이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수 있다.
본 명세서에서, 예를 들어 '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간적 선후 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이라는 표현이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.
본 명세서에서 '적어도 하나'의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
발명의 일 구현 예에 따르면, (a) 축산 폐기물 및 복합 미생물을 혼합하는 단계 (b) 상기 혼합물을 숙성하는 단계 및 (c) 상기 숙성된 혼합물을 열분해하는 단계를 포함하는, 축분 바이오차의 제조방법이 제공된다.
상술한 바와 같이 축산 폐기물을 이용하여 바이오차 제조시 생산 수율 및 제조된 바이오차의 품질을 향상시키기 위해 축산 폐기물을 물리적(physical) 또는 화학적(chemical)으로 전처리하는 경우, 설치비용과 운영비용이 증가하고 2차 환경오염이 발생할 수 있어 상업화가 어려운 점이 있으며, 생물학적(biological)으로 전처리하는 경우, 친환경적인 장점이 있으나 처리해야 할 면적이 크고 처리 속도가 느리며, 효율적인 전처리를 위해 통제된 환경을 제공해야 하는 등 비용 증가에 따른 문제가 있다.
이에, 본 발명자들은 축산 폐기물을 이용하여 바이오차를 생산 시 축산 폐기물에 복합 미생물을 전처리 단계에 투입함으로써 친환경적으로 바이오차를 생산할 수 있으면서도, 열분해 시간을 단축하여 경제적이고 효율적으로 바이오차를 생산할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명에 따르면, 축산 폐기물에 복합 미생물을 혼합한 이후 숙성 단계를 거치는 경우, 투입된 복합 미생물이 축산 폐기물에 함유된 셀룰로오스, 리그닌 등의 유기물을 분해함에 따라 축산 폐기물 내 질소 함량이 증가되어 제조된 바이오차의 질소량을 증가시킬 수 있으며, 상기 제조된 바이오차를 토양에 적용하는 경우, 작물의 질소 흡수량을 증가시키는 효과가 있음을 확인하였다.
또한, 본 발명에 따르면, 복합 미생물의 전처리 후 높은 온도에서 열분해하는 과정을 거치더라도 제조된 바이오차 내에 복합 미생물이 생존할 수 있어 복합 미생물이 함유된 바이오차의 제조가 가능하며, 이를 이용하는 경우 바이오차 내에 존재하는 복합 미생물이 고유기능을 발휘할 수 있는 효과를 가질 수 있다.
구체적으로 상기 일 구현예에 따른 축분 바이오차의 제조방법은 (a) 축산 폐기물 및 복합 미생물을 혼합하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 축산 폐기물 100톤 기준으로 복합 미생물을 10L 내지 100L, 바람직하게는 15L 내지 80L, 보다 바람직하게는 20L 내지 50L로 혼합할 수 있다.
상기 혼합되는 복합 미생물의 함량이 축산 폐기물 100톤 기준으로 10L 미만인 경우, 복합 미생물의 역할을 제대로 수행하지 못하여 생산된 축분 바이오차의 품질 향상 기능이 감소할 수 있으며, 100L를 초과하는 경우, 생산된 바이오차의 품질에 큰 영향이 없으나 비용이 현저하게 증가하게 되어 비경제적일 수 있다.
한편, 상기 복합 미생물은 균주 또는 이의 배양물을 유효성분으로 포함하는 것으로, 동결 건조된 균주 또는 액상의 고농축 균주를 사용할 수 있다.
예를 들어, 상기 복합 미생물을 스테비아, 설탕 또는 당밀 등의 탄소원을 이용하여 배양한 배양액을 사용하거나, 혹은 상기 배양액을 원심 분리하여 얻어진 하층부의 미생물만을 사용하거나, 또는 상기 하층부의 미생물을 동결 건조하여 얻어진 미생물이 사용될 수 있다.
이때, 상기 복합 미생물의 배양액을 제조하는 데 사용되는 미생물의 접종 농도, 탄소원의 함량, 배양환경 및 기간은 특별히 제한되지 않으며, 복합 미생물로 호묘균, 젖산균, 광합성세균, 방선균, 사상균 및 유용 세균으로 이루어진 군으로부터 선택되는 2종 이상을 포함하는 것으로 시중에 판매되고 있는 것을 사용하는 것도 가능하다.
즉, 상기 복합 미생물은 호묘균, 젖산균, 광합성세균, 방선균, 사상균 및 유용 세균으로 이루어진 군으로부터 선택되는 2종 이상을 포함할 수 있다.
상기 효모균은 유기물을 분해하여 유기산 및 항균물질 등을 생산하며, 토양 속에서 식물 세포의 활성화와 뿌리의 분화를 촉진시키고 젖산균과 사상균의 증식을 돕는 역할을 한다. 예를 들어, 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae), 갈락토마이세스 지오트리쿰(Galactomyces geotrichum), 히포피치아 부르토니(Hyphopichia burtonii), 칸디다 유틸리스(Candida utilis) 등이 있다.
상기 젖산균(유산균)은 유해한 미생물을 억제하고 효모와 같은 유용미생물의 증식을 도와 유기물의 급격한 분해를 증가시키며, 리그닌과 셀룰로오스 같은 유기물의 분해를 향상시키는 역할을 한다. 예를 들어, 락토바실러스 애시도필러스(Lactobacillus acidophilus), 락토바실러스 불가리쿠스(Lactobacillus bulgaricus), 락토바실러스 플란타룸(Lactobacillus plantanum), 락토바실러스 카제이(Lactobacillus casei), 스트렙토코커스 패칼리스(Streptococcus faecalis), 스트렙토코커스 락티스(Streptococcus lactis) 등이 있다.
상기 광합성세균은 주변의 유익균을 불러 모으는 역할과 광합성을 통해 식물 뿌리에 산소를 공급하고 유리 질소를 고정하며 작물 생장 촉진 물질을 분비하고 유해물질을 분해하여 제거하는 역할을 하며, 산소발생 광합성세균(oxygen-producing photosynthetic bacteria)으로 남세균(cyanobacteria), 산소 비발생 광합성세균(Anoxygenic Phototrophic Bacteria)으로 홍색세균(purple bacteria) 등이 있다. 예를 들어, 로도박터 캅슐라투스(Rhodobacter capsulatus), 로도박터 스페로이드스(Rhodobacter sphaeroides), 로도박터 루부럼(Rhodobacter rubrum), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodopseudomonas palustris) 등이 있다.
상기 방선균은 분해하기 어려운 유기물을 분해하거나 항생 물질과 같은 생리활성물질을 생산하며, 병원균 등의 증식을 억제하여 다른 유용한 미생물이 살기 좋은 환경을 만드는 역할을 한다. 예를 들어, 스트렙토마이세스 히그로스코피커스(Streptomyces hygroscopicus), 스트렙토마이스 그리세우스(Streptomyces griceus), 스트렙토마이스 알부스(Streptomyces albus) 등이 있다.
상기 사상균은 여러 가지 생리활성물질을 생성하여 유용미생물의 증식을 돕고, 악취를 저감하며, 유해곤충의 침입을 방지하는 역할을 하며, 누룩균은 누룩으로 분리되어진 곰팡이로 사상균의 일종이다. 예를 들어, 트리코데르마 하지아눔(Trichoderma harzianum), 트리코데르마 하마툼(Trichoderma hamatum), 아스페르길루스 니게르(Aspergillus niger), 아스페르길루스 오리제(Aspergillus oryzae), 아스페르길루스 플라부스(Aspergillus flavus), 무코르 히에말리스(Mucor hiemalis) 아아크레모니움 스트릭툼(Acremonium strictum) 등이 있다.
나아가, 상기 유용 세균은 유기물을 분해와 더불어 작물의 병해를 예방하며, 예를 들어, 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis), 바실러스 스테아로써모필루스(Bacillus stearothermophilus), 바실러스 세레우스(Bacillus cereus), 바실러스 메가테리움(Bacillus megaterium), 바실러스 리체니포르미스(Bacillus licheniformis), 슈도모나스 푸티다(Pseudomonas putida), 슈도모나스 플루오레스센스(Pseudomonas fluorescens), 슈도모나스 세파시아(Pseudomonas cepacia) 등이 있다.
바람직하게는, 상기 복합 미생물은 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis), 아스페르길루스(Aspergillus) 속, 락토바실러스(Lactobacillus) 속, 남세균(cyanobacteria), 홍색세균(purple bacteria) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 2종 이상을 포함할 수 있다.
이때, 상기 미생물 중 2종 이상의 조합으로 복합 미생물을 사용하는 경우, 어느 한 미생물을 단독으로 사용하는 경우에 비해 유기물 분해 정도가 상당히 높고 발효시간을 크게 단축시킬 수 있으며, 이후 열분해 단계에서 열분해 시간을 단축하여 경제적이고 효율적으로 바이오차를 생산할 수 있다.
또한, 상기 복합 미생물을 전처리 단계에 투입함으로 인해 미생물을 형태(고상 또는 액상)에 관계없이 사용할 수 있을 뿐 아니라, 적은 양의 미생물로도 효과적으로 바이오차를 생산할 수 있어 비용 감소 및 품질 향상의 효과가 있다.
한편, 상기 축산 폐기물은 계분, 우분, 돈분 등의 가축의 분뇨 및 폐사체 등의 다양한 축산 폐기물을 모두 포함한다.
이때, 상기 축산 폐기물의 크기는 일정할 필요 없으나, 복합 미생물과의 숙성 시간을 단축하고, 상기 숙성된 혼합물을 열분해시 건조 및 탄화시간을 줄이기 위해, 투입된 축산 폐기물 중 크기가 큰 일부를 일정크기 이하로 파쇄할 수 있다.
상기 파쇄는 파쇄 또는 분쇄를 목적으로 통상적으로 사용되는 것을 제한없이 사용할 수 있으며, 파쇄 시 축산 폐기물의 크기는 투입되는 축산 폐기물의 종류 및 양, 투입되는 복합 미생물의 양, 열분해 시간 등을 고려하여 필요한 크기로 적절히 조절할 수 있다.
한편, 상기 축분 바이오차 제조를 위해 초기 투입되는 축산 폐기물의 함수율은 40% 내지 90%, 바람직하게는 40% 내지 80%일 수 있으며, 예를 들어 우분은 약 70 내지 80%의 함수율을, 계분은 약 40 내지 60%의 함수율을 가질 수 있다.
즉, 상기 축산 폐기물은 고상의 폐기물뿐 아니라 액상 폐기물도 가능하며, 폐기물의 분리 작업 또는 상기 폐기물의 추가 건조 없이 복합 미생물과 바로 혼합할 수 있다.
한편, 축산 폐기물에 소정의 복합 미생물을 투입한 후, 교반을 통해 균일하게 혼합할 수 있다. 이때, 교반 시간 및 교반 속도는 특별히 제한되지 않으며 상기 축산 폐기물과 복합 미생물이 골고루 혼합되어 균일한 분포를 갖기 위한 바람직한 조건으로 설정될 수 있다.
한편, 상기 일 구현예에 따른 축분 바이오차의 제조방법은 (b) 상기 혼합물을 숙성하는 단계를 포함한다.
상기 숙성은 영하 20 ℃에서부터 영상 60 ℃까지 온도에 관계없이 진행될 수 있으나, 상온에서 수행하는 것이 숙성을 위한 별도의 온도조절 설비 등을 필요하지 않아 경제적이고 효율적이라는 점에서 보다 바람직하다.
상기 상온은 가열하거나 냉각하지 않은 자연 그대로의 기온을 의미하는 것으로, 보통 20±5 ℃의 범위를 가리킨다.
또한, 상기 숙성은 5일 내지 20일간, 또는 7일 내지 18일간, 또는 10일 내지 15일간 수행될 수 있다.
상기 숙성 기간은 투입되는 복합미생물의 함량, 복합미생물의 형태(고상 또는 액상), 액상의 복합미생물을 사용하는 경우 상기 액상 복합미생물을 물과 희석하는 농도 등에 따라 달라질 수 있다.
예를 들어 액상의 복합미생물을 사용하는 경우, 상기 복합 미생물 35L를 1/1000 물로 희석하여 축산 폐기물 100톤에 혼합하는 경우 상기 숙성은 약 15일 소요될 수 있으며, 상기 복합 미생물 35L를 1/500 물로 희석하여 축산 폐기물 100톤에 혼합하는 경우 상기 숙성은 약 7일이 소요될 수 있다.
한편, 상기 숙성이 5일 미만으로 수행되는 경우 상기 축산 폐기물이 충분히 발효 및 분해되지 않을 수 있고, 20일을 초과할 경우 지나치게 건조되고 발효가 되어 열분해시 작업성이 하락할 수 있다.
따라서, 상기 복합 미생물이 첨가된 혼합물을 상온에서 5일 내지 20일간 숙성함으로써, 상기 복합 미생물의 성장을 촉진시켜, 최종 생산된 축분 바이오차 내의 복합 미생물의 밀도를 증가시킬 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이 축산 폐기물에 복합미생물을 혼합하여 숙성함에 따라, 축산 폐기물 내 질소 함량을 증가시킬 수 있을 뿐 아니라, 초기 투입된 축산 폐기물의 함수율을 낮춰 추후 열분해시 건조 및 탄화의 효율을 높일 수 있다.
예를 들어, 초기 투입되는 축산 폐기물이 약 70%의 함수율을 가진 경우, 복합 미생물을 혼합하고 숙성하는 단계를 거침에 따라, 숙성된 혼합물은 약 50%의 함수율을 가지게 되어, 함수율을 약 30% 이상 감량하는 효과를 가질 수 있다.
한편, 상기 일 구현예에 따른 축분 바이오차의 제조방법은 (c) 상기 숙성된 혼합물을 열분해하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 열분해는 무산소 조건에서 간접 가열 방식으로 수행될 수 있다.
상기 열분해는 산소 공급이 차단된 환경에서 진행되는데, 숙성된 혼합물이 열풍 등에 의해 간접적으로 가열됨에 따라, 외부 산소의 유입에 따른 위험이 없고, 열손실을 최소화하여 경제적이고 안정적으로 바이오차를 생산할 수 있다.
또한, 간접 가열로 인해 열분해장치 내부에 투입된 숙성된 혼합물의 가열면적과 건조 및 탄화가 이루어지는 기화면적이 동일하여 우수한 건조효율 및 탄화효율을 가질 수 있으며, 정밀한 온도제어가 가능하여 균질하고 변질 없는 고품질의 바이오차를 생산할 수 있고, 화석연료를 연소시키는 등의 직접가열에 비해 환경적으로 안정하며 열분해장치 기기의 수명을 연장시킬 수 있다.
한편, 상기 열분해는 350℃ 내지 700 ℃, 바람직하게는 350℃ 내지 450℃에서 건조 및 탄화가 동시에 이루어질 수 있다.
예를 들어, 열분해장치에 투입된 숙성된 혼합물 중 함수율이 높은 일부 혼합물에 대해 먼저 건조가 이루어지고, 이후 건조된 혼합물의 탄화가 이루어짐과 동시에 함수율이 낮은 일부 혼합물의 건조가 이루어지면서, 열분해장치 내에서 혼합물의 건조 및 탄화가 동시에 이루어질 수 있다.
한편, 국제 기구인 IPCC는 바이오차 권장 탄화 온도를 약 350℃ 이상으로 하고 있으나, 경제적인 생산 수율을 얻기 위해 건조 및 탄화 온도를 350℃ 내지 450℃로 조절함으로써, 최적화된 공정으로 우수한 품질의 바이오차를 경제적이고 효율적으로 생산할 수 있다.
만약, 상기 건조 및 탄화가 350℃ 미만에서 이루어지는 경우, 투입된 혼합물의 탄화가 제대로 이루어지지 않아 일부 생성물이 바이오차가 아닌 유기물 형태를 이루어, 최종 생산된 바이오차의 질소 함량 및 토양 개선 효과 등이 떨어질 수 있다.
또한, 상기 건조 및 탄화가 700 ℃를 초과하여 이루어지는 경우, 투입된 혼합물 내의 복합 미생물이 지나친 고온으로 인해 사멸할 위험이 있으며, 건조 및 탄화 과정에서 PAH와 같은 발암물질이 함께 발생할 수 있다. 또한 생산 수율이 감소하여 사업성이 떨어질 수 있어 최적의 공정을 위해 350℃ 내지 450 ℃에서 건조 및 탄화가 이루어지는 것이 바람직하다.
한편, 상기 열분해는 본체, 본체를 둘러싼 재킷 및 본체와 재킷 사이의 소정 크기의 공간을 가지는 열풍전달부를 포함하는 열분해장치에서 수행될 수 있다.
예를 들어, 고온의 열풍이 본체와 본체를 둘러싼 재킷 사이의 소정 크기의 공간을 가지는 열풍전달부 내부를 순환하면서 본체를 간접적으로 가열시키게 되고, 이후 열풍으로 인해 간접적으로 가열된 본체가 일정한 온도에 도달하면, 열분해장치의 본체 내부로 투입된 혼합물의 건조와 탄화가 동시에 이루어질 수 있다.
이때, 상기 열분해장치는 본체 내부 중앙의 회전축 및 상기 회전축에 설치된 적어도 하나 이상의 블레이드를 포함할 수 있다.
구체적으로 상기 열분해장치는 본체 내부 중앙의 회전축에 설치된 적어도 하나 이상의 블레이드를 포함하여, 상기 블레이드가 회전하면서 발생하는 원심력에 의해, 투입된 혼합물이 가열된 내부 벽면에 얇은 막형태로 접촉하면서 건조 및 탄화가 이루어질 수 있다.
상기 열분해장치는 중앙의 회전축이 회전하면서 발생하는 원심력에 의해 투입된 혼합물이 고온의 내부 벽면으로 이동하여 건조 및 탄화가 동시에 이루어지기 때문에 투입된 혼합물이 내부 벽면에 접촉되는 속도가 빨라 가열 속도가 빠르며, 내부 벽면의 가열면적과 건조 및 탄화가 이루어지는 기화면적이 동일하여 우수한 건조효율 및 탄화효율을 가질 수 있다.
또한, 수분함량이 높은 것이 우선적으로 가열된 내부 벽면에 접촉하게 되고, 이러한 과정이 빠르게 반복되면서 건조 및 탄화가 동시에 이루어져 단시간에 급속으로 건조 및 탄화가 이루어질 수 있다.
한편, 상기 열분해는 5분 내지 30분동안 수행될 수 있으며, 상기 열분해에 소요되는 시간은 투입되는 축산 폐기물의 수분함량에 따라 달라질 수 있다.
예를 들어, 함수율 70 내지 80%의 우분은 약 15분 내지 25분 동안, 함수율 40 내지 60%의 계분은 약 7분 내지 15분 동안 급속으로 건조 및 탄화가 이루어질 수 있다.
이에 따라, 짧은 시간 내에 건조 및 탄화 이루어짐으로써 숙성 혼합물의 열분해장치 내의 체류시간이 짧아, 균질하고 변질 없는 고품질의 바이오차를 생산할 수 있다.
한편, 본체 내부 중앙의 회전축에 설치된 블레이드가 회전하면서 발생하는 원심력에 의한 회오리 방식의 박막 건조 탄화 열분해 과정, 30분 이하의 길지 않은 열분해 시간, 복합 미생물이 생존할 수 있을 정도의 적절한 열분해 온도 등에 의해, 투입된 혼합물 내의 복합 미생물들이 자기방어를 할 수 있는 시간 및 공간을 만들 수 있어 고온의 열분해 단계에서도 복합 미생물이 생존할 수 있다.
즉, 투입된 혼합물 내의 복합 미생물들이 열분해 과정에서 포자를 형성하여 휴면상태로 되어 바이오차 내에 존재할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따라 제조된 축분 바이오차 내에 복합 미생물이 존재하는 모습을 나타낸 것으로, 복합 미생물이 고온의 열분해 단계에서 생존하여 최종 생산된 축분 바이오차 내에 존재하고 있음을 확인할 수 있다.
한편, 이와 같이 제조된 축분 바이오차는 복합 미생물의 단백질, 탄수화물, 섬유질 등을 잘게 분해하는 기능으로 인해 질소 함량이 증가되어 우수한 품질특성을 가질 수 있다.
질소(N)는 광합성에 관계하는 엽록소를 만들어 작물의 줄기와 잎, 키를 키우는 역할을 하는 작물 생육에 가장 중요한 성분으로, 여기서 질소(N) 함량은 제조된 바이오차의 총 질량에서 질소의 원소량 비율(%)을 의미한다.
종래 알려진 바이오차의 평균 질소 함량은 계분 바이오차의 경우 약 2.71%, 우분 바이오차의 경우 약 2.17%로, 전체 성분에서 질소의 원소량이 3%를 넘지 못하였다.
그러나, 본 발명에 따른 축분 바이오차는 계분 바이오차 및 우분 바이오차 모두에서 질소 함량이 전체 성분의 3%를 이상으로 종래 바이오차 대비 질소의 함량이 증가하였다.
이와 같이, 축분 바이오차 내에 질소 함량이 증가함으로써, 축분 바이오차의 단점인 N:P:K=2:4:4의 비율을 비료의 최적 구성비인 N:P:K= 4:2:2 구성비에 근접하도록 할 수 있다.
나아가, 본 발명은 상기 축분 바이오차를 포함하는 작물 생육 촉진 및 토양 개량용 제제를 제공할 수 있다.
상술한 바와 같이 바이오차는 표면적이 넓고 미세다공 구조로서 흡착력으로 인한 보비력과 보습력이 있어 대기 중의 이산화탄소 농도를 저감시킬 수 있는 탄소 포집 기능 및 토양 속에 있을 때는 공기 순환을 증가시키고, 유용미생물의 거주지 역할을 하는 토양 개선 효과 등을 가지고 있다.
본 발명에 따른 축분 바이오차는 질소 함량이 증가되어 우수한 품질특성을 가지므로, 토양 내 미생물 번식에 적합한 공간 및 양분을 제공할 수 있으며, 이를 통해 토양 환경 개선 및 작물 생육 촉진 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기 축분 바이오차는 복합 미생물을 포함하여 상기 복합 미생물을 통해 유기물의 공급 및 유해물질을 분해, 및 양분 공급을 증대시켜 한층 향상된 토양 환경 개선 및 작물 생육 촉진 효과를 얻을 수 있다.
이하, 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예들이 제시된다. 그러나 하기의 실시예들은 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명을 이들만으로 한정하는 것은 아니다.
<실험예 1: 축분 바이오차의 성분 분석>
[실시예 1 내지 7]
먼저, 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis) 및 아스페르길루스 플라부스(Aspergillus flavus)를 포함한 복합 미생물 35L를 1/1000 물로 희석하여 축산 폐기물 100톤에 혼합한 뒤, 상기 혼합물을 상온에서 15일간 숙성하였다.
상기 숙성된 혼합물을 하기 표 1의 온도 및 시간으로 열분해를 진행하여 축분 바이오차를 제조하였다.
상기 제조된 축분 바이오차를 한국화학융합시험연구원(KTR)에 시험의뢰하여, 축분 바이오차 내에 함유된 원소(C, H, N)의 함량을 분석하였다.
| 샘플 | 축산 폐기물 종류 |
열분해 온도 |
열분해 시간 |
원소분석 결과(wt%) | ||
| C | H | N | ||||
| 실시예 1 | 계분1 | 379~388℃ | 7분 | 28.7 | 2.2 | 3.6 |
| 실시예 2 | 계분2 | 369~374℃ | 9분 | 31.1 | 2.4 | 3.2 |
| 실시예 3 | 계분3 | 367~370℃ | 9분 | 34.0 | 2.5 | 4.6 |
| 실시예 4 | 우분A | 351~380℃ | 15분 | 49.6 | 3.7 | 3.7 |
| 실시예 5 | 우분B | 365~375℃ | 20분 | 48.3 | 3.4 | 3.7 |
| 실시예 6 | 우분C | 353~371℃ | 21분 | 41.0 | 3.1 | 3.3 |
| 실시예 7 | 우분D | 370~379℃ | 15분 | 43.9 | 3.7 | 3.9 |
[비교예 1 내지 9]
축산 폐기물 100 중량부를 하기 표 2의 온도 및 시간으로 열분해를 진행하여 축분 바이오차를 제조하였다.
이후, 상기 제조된 축분 바이오차 내에 함유된 질소, 인산 및 칼리 성분의 함량을 분석하였다. 하기 표 2에서 질소 전량은 원소로서의 질소의 원소량을 의미한다.
| 샘플 | 축산 폐기물 종류 |
열분해 온도 |
열분해 시간 |
주성분(wt%) | ||
| 질소 전량 |
인산 전량 |
칼리 전량 |
||||
| 비교예 1 | 계분1' | 375~387℃ | 14분 | 2.8 | 2.5 | 5.8 |
| 비교예 2 | 계분2' | 362~376℃ | 18분 | 2.2 | 1.7 | 5.0 |
| 비교예 3 | 계분3' | 367~371℃ | 17분 | 1.9 | 5.3 | 6.2 |
| 비교예 4 | 계분4' | 359~386℃ | 16분 | 2.8 | 5.3 | 4.5 |
| 비교예 5 | 우분A' | 353~375℃ | 29분 | 1.9 | 3.9 | 3.9 |
| 비교예 6 | 우분B' | 366~376℃ | 33분 | 2.1 | 3.4 | 3.9 |
| 비교예 7 | 우분C' | 352~367℃ | 30분 | 2.0 | 3.6 | 5.1 |
| 비교예 8 | 우분D' | 360~376℃ | 31분 | 1.9 | 3.3 | 4.3 |
| 비교예 9 | 우분E' | 372~391℃ | 28분 | 2.0 | 4.0 | 4.8 |
상기 표 1 및 표 2에 의하면, 축산 폐기물을 이용하여 바이오차를 생산 시 축산 폐기물에 복합 미생물을 전처리한 실시예 1 내지 7의 경우, 제조된 계분 바이오차 및 우분 바이오차 모두에서 질소(N) 함량이 전체 성분의 3%를 이상으로 복합 미생물을 전처리하지 않은 비교예 1 내지 9에 비해 바이오차 내 질소 함량이 증가한 것을 확인할 수 있다.
<실험예 2: 축분 바이오차의 비료효과 검증을 위한 상추 포장시험>
계분 바이오차 및 우분 바이오차 처리에 따른 작물의 생육 및 수량에 미치는 효과 및 비해 등을 확인하기 위해 하기와 같은 비효 시험을 진행하였다.
가. 시험물질의 성분
| 함량 | ||
| 항목 | 계분 바이오차 | 우분 바이오차 |
| 질소 전량 | 3.8 % | 3.62 |
| 인산 전량 | 7.51 % | 3.56 |
| 칼리 전량 | 5.83 % | 6.6 |
| 수분 | 1.8 % | 2.5 |
| 유기물 | 31.1 % | 64.2 |
| 염분 | 0.7 % | 0.7 |
| pH | 9.5 | 11 |
| 비소 | 4.12 mg/kg | 1.9 mg/kg |
| 카드뮴 | 불검출 | 불검출 |
| 수은 | 불검출 | 불검출 |
| 납 | 2.99 mg/kg | 2.39 mg/kg |
| 크롬 | 10.99 mg/kg | 15.67 mg/kg |
| 구리 | 172.04 mg/kg | 98.728 mg/kg |
| 니켈 | 10.31 mg/kg | 11.66 mg/kg |
| 아연 | 658.17 mg/kg | 348.72 mg/kg |
나. 시험작물: 상추(탑그린, 권농종묘)
다. 처리내용
1) 무처리구: 시험물질 계분/우분 바이오차 무처리, 생석회, 황산고토 기준량 처리
2) 대조구1: 대조비료(시중 유통되는 혼합 유기질 비료: 4.2-1.8-1.0 + 유기물 60% 이상), 생석회, 황산고토 기준량 처리
3) 대조구2: 대조비료(시중 유통되는 숯: 유기물 60% 이상), 생석회, 황산고토 기준량 처리
4) 기준구: 시험물질 계분/우분 바이오차 기준량 처리
5) 배량구: 시험물질 계분/우분 바이오차 배량 처리
라. 처리결과
| 샘플 | 시험종류 | 시험작물 | 엽장 | 엽폭 | 엽수 | 수량 |
| 계분 바이오차 |
비효시험 | 상추 | 7~8% 증가 | 8~9% 증가 | 11~13% 증가 | 14~17% 증가 |
| 엽의 변색, 반점, 엽소, 생장지연, 발아저하 등 비료 피해 발생 없음 | ||||||
| 우분 바이오차 |
비효시험 | 상추 | 9~10% 증가 | 7~8% 증가 | 12~14% 증가 | 15~18% 증가 |
| 엽의 변색, 반점, 엽소, 생장지연, 발아저하 등 비료 피해 발생 없음 | ||||||
본 발명에 따라 제조된 계분 바이오차 처리에 따른 생육조사 결과에서 상추의 생육특성을 살펴보면, 엽장은 무처리구보다 기준구와 배량구에서 7~8% 증가, 엽폭은 8~9% 증가, 엽수는 11~13% 증가 효과를 나타내었다.
또한, 상추 수량 특성을 살펴보면, 수량은 무처리구보다 기준구 및 배량구에서 각각 14~17% 증가하여 통계처리(DMRT)결과 5%수준에서 유의성이 인정되는 결과를 보였다.
한편, 시험물질 계분 바이오차 시비에 따른 작물 영향 조사 결과 작물 재배기간 전반에 걸쳐 반점, 엽의 변색, 엽소, 생장지연, 발아(입모)저조 등의 증상이 발견되지 않아 시험물질이 상추에 비해(비료피해)의 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.
본 발명에 따라 제조된 우분 바이오차 처리에 따른 생육조사 결과에서 상추의 생육특성을 살펴보면, 엽장은 무처리구보다 기준구와 배량구에서 9~10% 증가, 엽폭은 7~8% 증가, 엽수는 12~14% 증가 효과를 나타내었다.
또한, 상추 수량 특성을 살펴보면, 수량은 무처리구보다 기준구 및 배량구에서 각각 15~18% 증가하여 통계처리(DMRT)결과 5%수준에서 유의성이 인정되는 결과를 보였다.
한편, 시험물질 우분 바이오차 시비에 따른 작물 영향 조사 결과 작물 재배기간 전반에 걸쳐 반점, 엽의 변색, 엽소, 생장지연, 발아(입모)저조 등의 증상이 발견되지 않아 시험물질이 상추에 비해(비료피해)의 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.
<실험예 3: 축분 바이오차의 작물 생육에 미치는 비료피해 시험>
계분 바이오차 및 우분 바이오차 처리에 따른 작물 생육에 미치는 비료피해(이하, 비해) 발생 여부를 확인하기 위해 하기와 같은 비해 시험을 진행하였다.
가. 시험물질의 성분: 상기 표 3과 동일한 계분 바이오차 및 우분 바이오차
나. 시험작물: 배추(가을맛배추, 팜한농), 상추(열풍, 권농종묘), 참깨(태강, 그린하트바이오), 콩(대풍), 무(멋진맛깔무, 농우바이오)
다. 처리내용
1) 무처리구: 무처리
2) 기준구: 계분/우분 바이오차 기준량 시비
3) 배량구: 계분/우분 바이오차 배량 시비
라. 처리결과
| 샘플 | 시험종류 | 시험작물 | 엽장 | 엽폭 | 엽수 | 수량 |
| 계분 바이오차 |
비해시험 | 배추, 상추, 참깨, 콩, 무 | 40일간 5개작물 비료피해 발생하지 않음 | |||
| 우분 바이오차 |
비해시험 | 배추, 상추, 참깨, 콩, 무 | 40일간 5개작물 비료피해 발생하지 않음 | |||
본 발명에 따라 제조된 계분 바이오차 시비에 따른 비해 시험 결과, 40일간의 비해 시험기간 동안 시험물질 계분바이오차 시비에 따른 5개 작물의 피해는 발견되지 않았으며, 무처리와 비교하여 기준구 및 배량구에서 비해로 판단될만한 증상은 나타나지 않았다.
마찬가지로, 본 발명에 따라 제조된 우분 바이오차 시비에 따른 비해 시험 결과, 40일간의 비해 시험기간 동안 시험물질 우분바이오차 시비에 따른 5개 작물의 피해는 발견되지 않았으며, 무처리와 비교하여 기준구 및 배량구에서 비해로 판단될만한 증상은 나타나지 않았다.
Claims (14)
- (a) 축산 폐기물 및 복합 미생물을 혼합하는 단계;
(b) 상기 혼합물을 숙성하는 단계;
(c) 복합 미생물이 포함된 상기 숙성 혼합물을 350℃ 내지 450℃에서 열분해하는 단계; 및
(d) 상기 복합 미생물이 생존한 상태로 포함되어 있는 축분 바이오차를 얻는 단계;를 포함하는 축분 바이오차의 제조방법으로서,
상기 열분해는 본체, 본체를 둘러싼 재킷 및 본체와 재킷 사이의 소정 크기의 공간을 가지는 열풍전달부를 포함하는 열분해장치에서 간접 가열 방식으로 5분 내지 30분동안 수행되고,
상기 축분 바이오차는 전체 성분에서 질소 함량이 3 wt% 이상인,
축분 바이오차의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (a) 단계에서, 상기 축산 폐기물 100톤 기준으로 복합 미생물을 10L 내지 100L 혼합하는, 축분 바이오차의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (a) 단계에서, 상기 축산 폐기물은 40% 내지 90%의 함수율을 갖는, 축분 바이오차의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서, 상기 숙성은 상온에서 수행되는, 축분 바이오차의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서, 상기 숙성은 5일 내지 20일간 수행되는, 축분 바이오차의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서, 상기 열분해는 무산소 조건에서 수행되는, 축분 바이오차의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서, 상기 열분해는 건조 및 탄화가 동시에 이루어지는, 축분 바이오차의 제조방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 복합 미생물은 호묘균, 젖산균, 광합성세균, 방선균, 사상균 및 유용 세균으로 이루어진 군으로부터 선택되는 2종 이상을 포함하는, 축분 바이오차의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 복합 미생물은 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis), 아스페르길루스(Aspergillus) 속, 락토바실러스(Lactobacillus) 속, 남세균(cyanobacteria), 홍색세균(purple bacteria) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 2종 이상을 포함하는, 축분 바이오차의 제조방법.
- 제1항의 제조방법에 따라 제조된 축분 바이오차.
- 삭제
- 삭제
- 제11항의 축분 바이오차를 포함하는 작물 생육 촉진 및 토양 개량용 제제.
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2023
- 2023-02-09 KR KR1020230017442A patent/KR102602023B1/ko active IP Right Grant
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