KR20020016655A - 목초액 대용제로서의 왕겨탄화 응축물 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 왕겨를 탄화시켜 왕겨훈탄을 제조하는 과정에서 발생하는 연기를 응축시킨 다음 이를 정제하여 목재를 탄화시켜 제조되는 목초액의 대용제로 사용할 수 있는 왕겨 탄화 응축액 제조방법에 관한 것임. 정제한 왕겨 탄화 응축액은 목재로 제조한 목초액과 이화학적 특성 및 유기물질의 성분조성이 매우 유사하기 때문에 농축산 분야 및 환경정화 분야에서 목재를 탄화시켜 제조하는 목초액의 대용제로 사용할 수 있음. 또한 왕겨는 벼를 도정할 때 부산물로 얻어지기 때문에 조달이 용이할 뿐만 아니라 품질이 균일하고 가격이 저렴하기 때문에 경제적으로 유리한 장점이 있음.

Description

목초액 대용제로서의 왕겨탄화 응축물 및 그 제조방법{pyroligneous liquor of rice hull as a substitute of wood vinegar and it's manufacturing methods}

본 발명은 벼를 도정할 때 부산물로 얻어지는 왕겨를 탄화시켜 왕겨훈탄을 제조할 때 발생하는 연기를 응축시킨 다음 이를 정제하여 목재를 탄화시켜 제조하는 목초액 대용품으로 사용할 수 있는 왕겨 탄화 응축액을 제조하는 방법에 관한 것이다.

목초액이라 함은 보통 목재를 탄화시킬 때 발생하는 연기를 냉각시켜 얻어지는 응축물을 일정기간 동안 정치하여 분리되는 상층의 경질유와 하층의 타르를 제거한 가운데층의 수용액을 말한다. 목초액은 담적갈색 내지는 적갈색을 띠면서 목초액 특유의 자극적인 냄새를 지니고 있는데 외국에서는 오래 전부터 목초액을 항균, 살균, 보존성 향상, 항산화 효과 및 가공식품의 향취 개선을 위한 식품 첨가제로 사용하여 왔다(체크졸라, 푸드 테크놀로지, 1월, 70페이지, 1995년).

우리나라의 경우 목초액이 아직까지는 식품에 사용이 일반화되지 않고 있으나 농업 및 환경정화 분야에서 토양살균, 축산 분뇨의 탈취 및 작물의 해충 구제, 퇴비 발효촉진, 가축사료 첨가제, 식물생장 및 뿌리생육 촉진 등을 목적으로 사용되고 있다. 목초액은 그 수요량 또한 갈수록 증대되고 있다(대한민국특허 공개번호 1993-004371; 대한민국특허 공개번호 1997-036382; 대한민국특허 공개번호 1998-068014; 대한민국특허 공개번호 1999-012837; 대한민국 특허 공개번호 1998-087600; 대한민국특허 등록번호 10-0212472). 또한 식품이나 농업환경 분야 이외에도 약용 또는 의약용으로 사용하기 위한 목초액의 제조법이 개발되고 있다(미국 특허 5024713; 대한민국특허 공개번호 1996-023698; 대한민국 특허 공개번호 1999-031021).

목재를 탄화시켜 제조하는 목초액의 이화학적 특성은 pH가 2∼3 정도이고 구성성분의 80∼90%는 수분이며 나머지가 유기물질로서 목초액은 적당한 농도로 희석하여 시판하거나 용도에 따라 적당한 농도로 희석하여 사용하게 된다. 목초액 중 수분을 제외한 유기물질은 280여종의 성분으로 구성되어 있는데 그중 주요 구성성분은 휘발성 유기산과, 페놀 화합물들이며 목초액이 항균, 살균, 살충, 곤충의 기피효과를 나타내는 것은 주로 휘발성 유기산과 페놀 화합물들에 기인한다.

목초액의 제조는 전통적으로 참나무를 사용하여 숯을 제조하는 과정에서 발생하는 연기를 응축시켜 제조하여 왔으나 근래에는 공장규모로 대량의 목초액이 제조되고 있으며, 목초액 제조를 위한 원료로서 활엽수와 침엽수의 원목, 제제목, 톱밥, 수피 또는 대나무류, 오가라이트 등이 사용되고 있다. 그러나 최근에는 산림자원의 고갈로 목초액 제조를 위한 양질 원료의 입수가 갈수록 어려워지고 있고 또한 사용된 목재의 종류나 탄화방법에 따라 얻어지는 목초액의 품질이나 성분조성이 달라지기 때문에 제조된 목초액의 품질 균일성에서 문제점이 나타나고 있다.

따라서 본 발명자들은 벼를 도정한 후 부산물로 생산되는 왕겨를 탄화시켜 왕겨훈탄을 제조하는 과정에서 발생되는 연기를 응축시킨 다음 이를 정제하여 얻어진 왕겨 탄화 응축액의 이화학적 특성이나 성분조성이 목재를 탄화시켜 제조된 목초액의 성분조성과 매우 유사함을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.

국내에서 왕겨의 생산량은 연간 약 100만톤 정도이고 왕겨는 무정형 규소로 치밀하게 피복되어 있어 부숙이 어려워 퇴비로 사용이 어려운 실정이며, 분쇄가 용이하지 않아 축산사료 등으로도 활용가치가 떨어지기 때문에 주로 축산농가에서 배설물 처리용 깔개나 혼합재 등으로 사용하거나 왕겨 훈탄을 제조하여 농업 보온재나 해충 방제용으로 활용하고 있다.

이와 같은 왕겨의 이용성 증대를 목적으로 왕겨를 탄화시켜 훈탄을 제조하는 몇 가지 방법이 시도되었다(대한민국 특허공고 제78-12호, 대한민국 특허번호 제20-0145025호, 대한민국 특허번호 제20-0148825호, 대한민국 특허번호 제20-0160345호, 대한민국 특허번호 제20-0177607호). 그러나 이러한 선행 기술들은 훈탄 제조공정 중 탄화연료로서 경유가 묻은 왕겨를 훈탄 제조탱크에 투입 및 착화시켜 훈탄 작업을 수행해야만 되므로 작업이 번거롭고 불편할 뿐만 아니라 탄화시간이 많이 소요됨은 물론 작업의 비연속성으로 효율성이 저하되는 문제점이 있었다. 또한 선행 기술들은 주로 왕겨 훈탄 제조의 용이성이나 작업의 편리성 또는 왕겨훈탄 제조의 효율성 개선을 주목적으로 한 것으로서 왕겨 훈탄 제조과정에서 발생하는 탄화 응축액의 제조 및 이에 대한 활용성에 주안점을 둔 경우는 드물며, 왕겨를 탄화시키는 과정에서 발생하는 연기나 응축액은 그대로 방출할 경우 대기 및 수질오염의 원인이 될 수도 있다.

따라서 본 발명자들은 왕겨훈탄 제조과정에서 초기 착화 후에 외부의 연료 투입 없이도 연소에 의한 훈탄공정이 연속적으로 이루어질 뿐만 아니라 이로 인해 작업의 효율성 및 생산성 향상을 기할 수 있고, 다량의 탄화 응축액을 회수할 수 있는 직화식 왕겨 훈탄 제조장치와 간접가열식 왕겨 훈탄 연속자동제조장치를 개발한 바 있다(대한민국 특허출원번호 제10- 1999-0051712호, 대한민국 특허출원번호 제10-1999- 0051713호). 또한 직화식 왕겨 훈탄 제조장치와 간접가열식 왕겨 훈탄 제조장치를 이용한 왕겨 훈탄 제조과정에서 회수된 탄화 응축액을 정제후 각종 기기분석을 통하여 조사한 결과 정제된 왕겨 탄화 응축액의 이화학성이나 유기물질의 성분조성이 목재를 탄화시켜 제조한 목초액과 매우 유사하다는데 착안하여 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 왕겨로부터 목초액 대용품을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

전술한 본 발명의 목적은 벼를 도정할 때 부산물로 얻어지는 왕겨를 탄화시켜 왕겨 훈탄을 제조하는 과정에서 발생하는 연기를 응축시킨 다음 이를 정제하여 목재를 탄화시켜 제조하는 본 발명의 왕겨 탄화 응축액 제조방법에 의하여 달성된다.

본 발명은

왕겨를 300∼700℃의 온도에서 탄화시키는 왕겨 탄화 단계,

왕겨 탄화 단계에서 발생하는 연기를 응축기를 통과시키면서 40∼100℃의 온도로 냉각하여 왕겨 탄화 조 응축액을 회수하는 단계,

상기 조 응축액을 1개월 내지 6개월간 정치하여 숙성시키는 단계,

숙성된 응축액에서 상층의 경질유와 하층의 응고성 타르를 분리 제거하고 가운데층을 회수하는 단계, 및

회수된 가운데 층의 응축액을 정제하는 단계

를 포함하는 목재를 탄화시켜 제조하는 목초액의 대용제로 사용할 수 있는 왕겨 탄화 응축액 제조방법으로 구성된다.

왕겨를 고온에서 탄화시킬 경우 탄화과정에서 수분, 응고성 타르, 가연성 가스 및 휘발성 유기물질 등이 생성되는데 이를 냉각관을 부착하여 냉각하면 응축액이 얻어진다. 이와 같이 얻어진 응축액 중에는 침전물, 현탁물, 물에 불용이면서 유해한 성분들이 함유되어 있으므로 양질의 왕겨 탄화 응축액을 얻기 위해서는 보다 정제하는 것이 바람직하다. 정제방법으로는 목재를 이용한 목초액 제조과정에서 사용되는 정제법, 즉 정치법, 여과법, 증류법, 분배법 중 어느 방법을 사용하여 무방하나 경제성 면에서 정치법이 바람직하다. 정치법에 의한 왕겨 탄화 응축액의 제조법은 응축액을 실온에서 수일 내지는 수개월, 바람직하게는 1개월 내지는 6개월 정치하게 되면 3개의 층으로 분리되는데 그중 상층의 경질유와 하층의 응고성 타르를 분리 제거하고 가운데층만을 취한 다음 이를 여과 또는 분배법에 의해 정제함으로서 농황색의 투명한 왕겨 탄화 응축액을 얻게 된다.

이와 같이 얻어진 정제 왕겨 탄화 응축액은 pH, 산도, 전 고형분 함량 등의 이화학성, 가스 크로마토그라피 및 메스 스펙트로메트리법에 의한 분석결과 유기성분 조성이 목재를 탄화시켜 제조한 목초액과 유사한 것으로 나타났다. 따라서 본 발명의 왕겨 탄화 응축액은 토양살균, 축산 분뇨의 탈취 및 작물의 해충 기피, 식물생장 및 뿌리생육 촉진, 퇴비 발효촉진, 가축사료 첨가제 등으로 사용되고 있는 목재를 탄화시켜 제조한 목초액의 대용제로 사용이 가능하다. 특히 농업용으로 사용하는 경우에는 질소, 인산, 칼리, 마그네슘, 칼슘 같은 미량요소를 첨가하여 사용하는 것이 바람직하다.

이와 같은 본 발명의 정제 왕겨 탄화 응축액은 유기물질 함량이 높기 때문에 사용 목적에 따라 10∼5000배 정도로 희석하여 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면 왕겨 훈탄 제조과정에서 배출되어 폐기되는 연기로부터 목초액 대용품으로 사용할 수 있는 왕겨 탄화 응축액을 염가로 얻을 수 있는 효과가 있다.

이하 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시예 1

수분 11%의 왕겨를 직화식 왕겨훈탄 연속제조장치(대한민국 특허출원 번호 10-1999- 51713)를 사용하여 탄화시킨다. 즉, 직경 50cm, 높이 2m의 탄화통에 탄화층 균일유지용 교반봉을 탄화통 중앙에 수직으로 설치하고 탄화물 배출용으로 하단에는 턴-테이블을 설치하였고, 탄화통으로의 공기유입을 차단하도록 로타리 댐퍼를설치하였으며, 2m의 탄화통에는 통과물의 온도를 측정하기 위하여 30∼40cm 간격으로 온도계를 설치했다. 탄화통 상단에 연장구역으로 직경 100cm, 높이 30cm의 원통형을 붙이고 상단에 왕겨투입구(직경 30cm)와 측면에는 왕겨연소로 발생하는 배출가스를 통과시키는 수냉식 응축기를 설치하였다. 왕겨를 분당 4kg의 속도로 연속적으로 투입하면서 탄화통의 중앙부위에 500∼600℃의 연소층이 유지되도록 탄화시키면서 배출가스를 45∼50℃의 콘덴서로 통과시키면 응축액이 얻어진다. 응축액은 실온에서 3개월 동안 정치하여 분리된 상층의 경질유와 하층의 응고성 타르를 제거하고 가운데 층만을 분리 회수하여 여과지로 여과한다. 이와 같은 방법에 의해 왕겨 100kg을 탄화시켜 고형분 함량(디클로로메탄 추출물 기준)이 13.6%인 32ℓ의 정제된 왕겨 탄화 응축액을 얻는다.

실시예 2

수분 11.3%의 왕겨를 수평식 간접탄화장치(대한민국 특허출원 번호 10-1999-51712)를 사용하여 탄화시킨다. 즉 간접탄화장치의 연소화실 최상단에 내경 20 X 길이 600cm의 탄화관 2본을 병열로 설치하고 (#1 탄화관) 그 밑에 내경 30cm X 길이 600cm의 탄화관 1본을 설치 (#2 탄화관), 다시 그 밑에 #2 탄화관과 같은 탄화관 1본(#3 탄화관)을 설치하였다. 각 탄화관 내부에는 왕겨를 서서히 이동시키도록 스크류봉을 설치하여 탄화관이 가열되면 투입된 왕겨가 스크류봉의 회전에 의하여 탄화관의 한쪽 방향으로 서서히 이동하면서 탄화되도록 제작하였다. 연소화실을 점화하여 경유를 연소시켜 가열하면 불꽃이 닿는 #3 탄화관부터 가열되어 #2 탄화관, #1 탄화관으로 점점 확산되어 탄화관이 가열된다. 화실의 온도를 800℃ 정도로 가열시켜 #3 탄화관이 550℃ 정도로 승온하면 왕겨를 투입하여 #1 탄화관(200℃정도)에서 왕겨의 수분을 증발시켜 수증기 함량이 많은 발생가스는 공기로 배출시키고 #1 탄화관을 통과한 왕겨를 #2 탄화관으로(350℃ 정도) 낙하시켜서 2차 열분해가 진행되도록 통과시킨 다음 다시 #3 탄화관(550℃)으로 낙하시켜서 3차 열분해가 종료되도록 단계별로 탄화시킨다. #2, #3 탄화관에서 열분해되면서 발생되는 건류가스는 송풍기로 뽑아서 수냉 응축관(45∼50℃)을 통과시켜 응축액을 얻은 다음, 응축액은 실온에서 1개월 동안 정치하여 분리된 상층의 경질유와 하층의 응고성 타르를 제거하고 가운데 층만을 분리 회수한 다음 여과지로 여과한다. 이와 같은 방법으로 왕겨 100kg으로부터 고형분 함량(디클로로메탄 추출물 기준)이 8.5%인 30ℓ의 정제된 왕겨 탄화 응축액을 얻었다.

실시 예 1 및 2의 방법으로 얻어진 왕겨 탄화 응축액과 목재를 탄화시켜 제조된 것으로서 현재 미량요소 복합비료로 시판되고 있는 목초액과 이화학성을 비교한 결과는 표 1에 기재한다. 그리고 가스크로마타그라피번에 의하여 본 발명에 의한 왕겨 탄화 응축액과 시판 목초액에 함유된 주요 유기물질의 함량 비교한 결과는 표 2에 기재한다.

전반적으로 정제된 왕겨 탄화 응축액의 유기물질 조성은 목재로 제조된 시판 목초액과 아주 유사하였으나 고형분 함량은 왕겨 탄화 응축액에서 높았으며, 왕겨 탄화 응축액 원액은 물을 사용하여 적당한 농도를 희석했을 때에는 고형분 함량이나 유기물질 농도가 시판 목초액과 유사하게 되었다.

표 1. 왕겨 탄화 응축액과 시판 목초액의 이화학성 비교

이화학성	정제 왕겨탄화 응축액	시판 목초액
	직접탄화법	간접탄화법	제품 A	제품 B	제품 C
고형분(디클로메탄 추출물 %)	13.6	8.5	1.7	3.5	0.6
Brix(25℃)	25.2	17.1	2.8	8.7	2.3
비중(20℃)	1.045	1.067	1.004	1.027	1.004
굴절율(25℃)	1.373	1.359	1.337	1.346	1.336
pH	3.34	3.34	3.03	3.00	2.97
산도(0.1N NaOH소비량 기준)	5.6	5.5	5.1	6.3	5.3

표 2. 왕겨 탄화 응축액과 시판 목초액의 유기물질 조성 비교 (mg/100g)

구 분	GC분석에 의해확인된 성분 수	정제 왕겨탄화 응축액	시판 목초액
		직접탄화법	간접탄화법	제품 A	제품 B	제품 C
유기산류	초산 등11개 성분	871	656	125	93	121
알데히드 및케톤류	아세톤 등23개 성분	1,803	1,263	213	442	138
푸란 및피란류	푸르푸랑 등22개 성분	1,669	1,310	181	25	151
페놀류	페놀 등 28개성분	2,302	1,732	392	392	190
기타 성분	베라트롤 등8개 성분	128	67	14	28	7
합 계	6,773	5,028	925	980	607

Claims (5)

1. 왕겨를 300∼700℃의 온도에서 탄화시키는 왕겨 탄화 단계,

   왕겨 탄화 단계에서 발생하는 연기를 응축기를 통과시키면서 40∼100℃의 온도로 냉각하여 왕겨 탄화 조 응축액을 회수하는 단계,

   상기 조 응축액을 1개월 내지 6개월간 정치하여 숙성시키는 단계,

   숙성된 응축액에서 상층의 경질유와 하층의 응고성 타르를 분리 제거하고 가운데층을 회수하는 단계, 및

   회수된 가운데 층의 응축액을 정제하는 단계

   를 포함하는 목재를 탄화시켜 제조하는 목초액의 대용제로 사용할 수 있는 왕겨 탄화 응축액 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 이 방법이 왕겨 탄화 응축액을 농업 및 환경분야에 사용할 수 있도록 하기 위하여 정제단계를 거친 왕겨 탄화 응축액에 식물 생장에 필요한 미량 요소와 살균제 같은 첨가제를 첨가하는 공정을 포함함을 특징으로 하는 방법.
3. 제2항에서, 미량 요소가 질소, 인산, 칼리, 마그네슘, 칼슘 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 성분임을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 이 방법이 정제 단계를 거친 왕겨 탄화 응축액을 10-5000배로 희석하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 정제 단계가 여과법과 분배법 중에서 선택된 방법을 포함함을 특징으로 하는 방법.