KR20060003837A - 수분조절제 및 팽화제로 해조류 부산물을 첨가한부산물비료 제조방법 - Google Patents

Abstract

해조류 부산물을 부산물비료 제조공정의 수분조절제·팽화제로 이용함으로써 해조류 부산물로 인한 연안 해양환경 오염부하 경감, 부산물비료 제조공정에서 톱밥이나 수피와 같은 유기질 자원 대체 효과 그리고 사용가능한 양질의 유기성 폐기물의 자원순환시스템을 구축과 관련된 발명으로서,

첫째, 해조류를 이용한 부산물비료의 수분조절제·팽화제 제조공정으로는 ① 해조류의 양식과 가공과정에서 발생하는 부산물을 수세하여 이물질을 제거한 다음 일광 또는 건조기에서 건조하여 함수율을 10 내지 30% 이하로 하는 공정 ② 건조된 해조류 부산물을 깨끗한 물에 6시간 이상 침지후 다시 깨끗한 물로 수회 수세하여 표면에 잔류하는 염분을 충분히 제거한 후 염분농도가 0.5% 이하가 되도록 하는 공정 ③ 염분제거 및 수세가 완료된 해조류 부산물을 함수율 10 내지 20% 이하가 되도록 건조하는 공정 ④ 건조된 해조류 부산물을 1 내지 2mm 크기 입자로 분쇄하는 공정 ⑤ 해조류 부산물 40 내지 90 중량%와 제올라이트 10 내지 60 중량%를 혼합하는 공정으로 구성되어 있다.

둘째, 고체-액체 분리탱크에 축산분뇨(우분, 돈분, 계분)를 단독 또는 혼합하여 투입한 후 교반기로 2 내지 4시간 정도 해리후 고체(糞)와 액체(尿)로 분리하는 고-액 분리공정으로 구성되어 있다.

셋째, 수분조절제·팽화제의 기능을 갖는 해조류 부산물과 축산분뇨의 혼합 및 발효공정으로 ① 교반식 발효조에 상기에서 얻어진 축산분뇨 고형물질 50 내지 90 중량%와 수분조절제(해조류 부산물 10 내지 70 중량%와 제올라이트 30 내지 90 중량%를 혼합분) 10 내지 50 중량%를 투입한 후 잘 교반하여 유기물 대 질소의 비가 20 내지 40 이하가 되도록 조정하는 혼합공정 ② 교반식 발효조에서 약 3주 정도의 발효공정을 거친 후 수분함량 30% 이하인 부산물비료를 제조하는 공정으로 구성되어 있다.

본 발명에 따른 해조류 첨가 부산물비료는 육상에서 얻을 수 있는 부산물비료 유기재료에 비해서 다양한 무기성분 뿐만 아니라 Auxin과 Cytokinin 같은 식물생장호르몬이 다량 함유되어 있어서 일반 부산물비료 보다 식물영양학적, 토양물리·화학적인 측면에서 우수한 양질의 부산물비료를 제조할 수 있다.

해조류 부산물, 유기성 폐기물, 부산물비료, 오옥신, 사이토키닌

Description

수분조절제 및 팽화제로 해조류 부산물을 첨가한 부산물비료 제조방법 {METHOD FOR ORGANIC BY-PRODUCT FERTILIZER USING SEAWEED BY-PRODUCT AS BULKING AGENT}

도 1은 우리나라 시도별 등록 퇴비(부산물비료·유기질비료) 생산업체의 원료현황을 예시하는 도표이다.

도 2는 본 발명에 사용된 해조류 부산물 분말 (다시마)을 예시하는 사진이다.

도 3은 본 발명에 사용된 해조류 부산물 분말 (다시마)을 예시하는 사진이다.

도 4는 본 발명에 사용된 건조미역과 건조 다시마에 함유되어 있는 식물영양성분의 농도를 예시하는 도표이다.

도 5는 본 발명에 사용된 건조미역과 건조 다시마에 함유되어 있는 식물생장 호르몬 농도를 예시하는 도표이다.

도 6은 본 발명에서 개발한 해조류 부산물비료의 비료공정규격에 제시되어 있는 항목 분석결과를 예시하는 도표이다.

도 7은 본 발명에서 개발한 해조류 부산물비료를 예시하는 사진이다.

도 8은 본 발명에서 개발한 해조류 부산물비료를 이용하여 30일 동안 재배 한 상추의 생육상태를 예시하는 사진이다.

도 9는 시중에서 유통중인 일반 부산물비료를 이용하여 30일 동안 재배한 상추의 생육상태를 예시하는 사진이다.

도 10은 본 발명에서 개발한 해조류 부산물비료와 일반 부산물비료를 이용하여 30일 동안 재배한 상추의 생육상태를 예시하는 사진이다.

도 11은 일반 부산물비료와 본 발명에서 개발한 해조류 부산물비료를 이용하여 30일 동안 재배한 상추의 생육 및 수량지수를 비교 예시한 도표이다.

도 12는 일반 부산물비료와 본 발명에서 개발한 해조류 부산물비료를 이용하여 30일 동안 상추 재배후 토양의 물리화학적 특성변화를 비교 예시한 도표이다.

도 13은 일반 부산물비료와 본 발명에서 개발한 해조류 부산물비료를 이용하여 30일 동안 상추 재배후 토양의 내수성 입단화도를 비교 예시한 도표이다.

비료는 보통비료와 부산물비료가 있다. 보통비료라 함은 부산물비료 외의 비료로서 공정규격이 정하여진 것을 말하며, 부산물비료는 농업·임업·축산업·수산업·제조업 또는 판매업을 영위하는 과정에서 나온 부산물, 인분뇨, 음식물류 폐기물, 토양미생물제제, 토양활성제 등 비료성능이 있는 물질로서 농림부장관이 지정하는 것을 말한다.

부산물비료의 법 적용 예외는 농업·임업·축산업 또는 수산업을 영위하는 자가 그 영위과정에서 나온 부산물비료를 다른 비료의 원료로 판매하거나 포장하지 아니하고 판매하는 경우에는 대통령령이 정하는 바에 의하여 이 법의 규정을 적용하지 아니하며(법률 제3조 제2항), 농업·임업·축산업 또는 수산업을 영위하는 자가 당해 업의 영위과정에서 나오는 부산물을 이용하여 1일 1.5톤 이하의 부산물비료를 생산하여 판매하는 경우로 한다(시행령 제1조의 2).

유기질비료는 대부분 동?식물체의 찌꺼기인 박류를 원료로 사용하여 비료의 원료를 쉽게 확인할 수 있도록 원료를 부숙시키지 않고 포장해서 판매되고 있으며, 순도가 높은 원료를 사용해서 제조하므로 무기성분인 3요소 함량이 높아 토양에 시용할 경우 미생물에 의해 분해되는 각종 아미노산, 유기산, 핵산, 부식산 등이 부산물비료에 비해서 월등히 많다. 유기질비료는 비료공정규격에 17종으로 규정하고 있는데, 비료제조에 사용되고 있는 원료에 따라서 일반적으로 식물질비료, 동물질비료, 혼합유박비료, 혼합유기질비료로 크게 구분할 수 있다. 식물질비료에는 대두박, 채종유박, 면실유박, 깻묵, 낙화생유박, 아주까리유박, 기타 식물성유박, 미강유박, 아미노산발효부산비료, 맥주오니가, 동물질비료에는 어박(어분 포함), 골분,잠용유박, 계분가공비료, 증제피혁분이 있다. 혼합유박비료는 식물질비료를 2종 이상이 혼합된 것이며, 혼합유기질비료는 유기질비료가 2종 이상 혼합된 것을 말한다.

부산물비료는 농림축산물업의 부산물을 주원료로 사용해서 제조하고, 비료의 3요소 성분은 적어서 거의 보증하지 않으며, 수분함량이 높고, 유기물 함량이 낮으며, 사용되고 있는 원료의 C/N율이 유기질비료보다 높아서 인위적으로 부숙(발효)시켜야 하며, 이물질이 혼입될 가능성이 있는 등 비료의 품질은 일반적으로 유기질비료 보다 낮은 것으로 알려져 있다. 비료공정규격에는 퇴비, 부숙겨, 재(草·木灰), 분뇨잔사, 부엽토, 아미노산발효부산비료(액), 건계분, 건조축산폐기물(가축의 도축과정에서 생기는 폐기물로 제조된 것), 부숙왕겨 및 톱밥, 토양미생물제제(미생물효소) 및 토양활성제제로서 총 10종이 규제되어 있다. 부산물비료는 유기질비료와 달리 비료공정규격의 주성분에는 유기물(20∼30% 이상)을, 유해성분에는 중금속함량(비소 50, 카드뮴 5, 수은 2, 납 150, 크롬 300, 구리 500mg/kg)을, 기타규격에는 유기물 대 질소의 비(50% 혹은 70% 이하), 염분(NaCl 1.0% 이하), 수분(30% 이하), 염산불용해물(10% 이하)을 비종에 따라 규제하고 있다.

우리나라의 농업은 1960년대 이후 화학비료를 집약적으로 투입하여 단위면적당 고수확, 고소득을 올리는 농업정책으로 일관하여 왔다. 그 결과 우리나라의 토양은 유기물 함량이 대단히 부족한 상태에 있으며, 이로 인한 지력저하가 농업생산력 증대에 커다란 장애가 되고 있다. ‘친환경농업 육성정책’과 ‘논농업 직불제’ 확대 등으로 화학비료는 지원감축 등으로 사용량이 줄고 친환경 농산물 생산을 위한 유기질, 부산물 비료의 소비는 증가할 것으로 예상되고 있다. 이러한 환경변화에 따라 정부는 화학비료에 대한 정부보조를 폐지하는 대신 2006년 100만톤, 400 억원 수준으로 농가에 대한 퇴비 지원을 확대할 계획이어서, 향후에는 유기질?부산물비료의 농가사용이 증가하게 될 것으로 예상된다.

우리나라 시?도에 등록된 퇴비생산업체의 원료는 축산분뇨에 톱밥을 혼합하여 제조한 퇴비가 가장 많고, 축산분뇨와 톱밥에 동물 및 식물잔재물과 수피를 혼합한 것이 그 다음으로 많은 것으로 알려져 있다(도 1). 앞서 언급한 바와 같이 매년 유기질?부산물비료에 대한 수요가 증가하다 보니 제조공정에 수분조절제, 팽화제로 사용되는 톱밥이나 수피의 가격이 급등하기도 하고, 재료가 원활하게 공급되지 못하는 경우가 발생하여 제조과정에 큰 어려움을 겪고 있다. 그러다 보니 일부 부산물비료 제조업체에서는 여러 가지 유해한 유기화합물로 코팅된 가구 목재를 톱밥으로 사용하거나 부산물비료 원료로 사용할 수 없는 산업폐기물을 이용하여 제조한 불량 부산물비료를 공급하여 막대한 농가피해를 초래하고 있다. 불량 부산물비료가 농경지에 처리될 경우 중금속 오염물질로 인한 생물농축과 토양오염 문제, 그리고 정상적인 발효가 이루어지지 않은 불량퇴비로 인한 가스장애가 발생하여 농업생산성에 막대한 피해를 끼칠 우려가 상존하고 있다.

최근 우리나라의 경우 수입 유기질비료의 국내 유입이 급증하고 있다. 정부가 국제식품규격위원회(CODEX) 기준에 충족한 유기농산물 생산을 목적으로 2006년부터 공장형 축산분뇨퇴비 사용을 금지했기 때문이다. 또한 부산물비료를 제조하는데 필수적인 수분조절제·팽화제로서 유기물 자원의 확보가 어려워지자 비료생산업 체에서는 제품생산 보다는 고가의 유기질비료를 수입하여 농가에 공급하고 있다. 현재 수입 유기질비료는 20kg 한 포대당 15,000원∼37,000원대로 국내에서 생산된 제품보다 3∼8배 이상 비싼 것으로 알려져 있다. 현재 수입되는 유기질비료가 자국내 인증기관으로부터 인증 받은 제품이라고 하나 이를 입증할만한 정확한 자료가 부족하고 국내에서의 안전성 검증도 이루어지지 않은 채 고가에 무분별하게 농업인들에게 보급되고 있다. 이 모든 경영부담이 농업인과 정부 당국에게 돌아가고 있다는 사실을 간과해서는 안된다. 상기와 같은 문제점이 발생하게 된 배경은 다름 아닌 부산물비료의 수분조절제·팽화제인 톱밥이나 수피가 농가수요를 충족할 만큼 충분하게 공급되지 못한데 그 원인이 있다고 할 수 있다.

토양에서 유기물은 식물의 양분을 저장하고, 수분을 흡수, 유지하며 토양의 물리화학성을 개선하는 등 식물생육에 지대한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 우리나라의 농업이 국제적인 경쟁력을 갖추고, 친환경농업을 통한 안전농산물을 생산하는 시스템을 구축하기 위해서는 양질의 우수한 유기질 자원의 확보가 무엇보다도 선행되어야 한다. 그리하여 국내 농업관련 연구기관에서는 톱밥이나 수피를 대체할 수 있는 양질의 부산물비료 수분조절제·팽화제를 개발하기 위해 많은 연구를 수행해 오고 있으나 아직까지 만족할만한 결과를 도출해내지 못하고 있는 실정이다.

한편, 우리나라는 3면이 바다에 접해 있어서 미역, 다시마, 톳 등과 같은 해조류의 양식과 가공이용이 활발하지만 이들의 수거, 양식 및 가공과정에서 발생되는 부산물의 재활용은 미미할 뿐만 아니라 환경오염의 원인이 되고 있는 실정이다. 특히 미역의 경우 전체 미역 생산량의 40∼60%인 14∼21만여 톤이 양식장에 그대로 버려져 전라남도 완도나 부산시 기장 지역의 미역을 전멸하게 했던 좁쌀병의 원인이 되고 있어 이들 폐기물의 수거와 재활용 방법의 모색은 시급히 해결해야 할 문제이다(농림부, 2003).

해조류는 수천년 전부터 식품, 의약 및 비료로 사용하여 왔으며, 최근에 와서는 식·의약품 첨가제, 사료첨가제 및 환경산업 등에서 다양하게 이용하고 있다. 특히 유럽 등지의 바다를 끼고 있는 국가에서 오래 전부터 토양개량제나 비료로 사용하여 왔는데, 초기에는 해조류의 수집 건조 및 운반에 소요되는 비용 때문에 해안지역의 농민들이 소규모로 이용한 것으로 알려져 있다. 최근에 와서 해조류 추출물이나 해조류 분말제 등이 농업용으로 상품화되어 있으며 토양과 여러 작물에서 그 효과가 확인된 바 있다(농림부, 2003).

최근의 연구결과에 따르면 해조류에는 육상식물에서 보다 많은 70여종 이상의 미량원소를 함유되어 있고 유기 구성성분 중 탄수화물, 단백질, 지방 및 항균특성과 식물생육을 촉진하는 물질과 비타민 등이 함유되어 있다고 알려지고 있다. 그렇기 때문에 해조류 관련 제품을 토양과 작물에 시용함으로서 토양미생물의 활성증 진, 토양과 양분유실 억제, 수분유지, 비옥도 증진 등의 효과를 얻을 수 있어 토양의 물리화학적 특성과 미생물적 특성을 동시에 향상시킬 수 있다는 것이다(농림부, 2003).

본 출원인은 그동안 친환경농업 및 토양화학과 관련된 장기간의 연구를 수행해 오면서 우리나라 농업현실에 알맞은 우수한 부산물비료의 수분조절제·팽화제를 개발하는 과정에 해조류 부산물을 이용하였다.

해조류를 토양에 투입함으로서 기대할 수 있는 기능으로서는 첫째, 해조류는 육상에서 얻을 수 있는 유기재료에 비해서 다양한 무기성분 뿐만 아니라 식물생장 호르몬의 일종인 Cytokinin이 함유되어 있어서 식물생장촉진제나 비료로서의 효과를 얻을 수 있고, 둘째, 해조류가 갖는 화학적 특성에 의한 토양입단 안정성 증가로 통기성을 증진시키는 효과를 기대할 수 있어서 재배작물의 근권 환경이 개선됨으로 생산성과 품질향상에 크게 영향을 미칠 것으로 예상된다. 일반적으로 신선한 해조류에는 질소, 칼리성분을 다량 함유하고 있고, 유효성 미량요소들이 고루 함유되어 있으며 토양물리성에 영향을 미치는 성분으로 중요한 alginic acid가 함유되어 있기 때문에 식물영양성분으로서 토양개량제로서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다(농림부, 2003).

대한민국 특허 10-2002-0004664에, 퇴비나 농축산물의 부산물비료 그리고 유 기질비료와 무기질비료를 원료로 하여 소정 크기의 정제형 펠릿비료를 제조하는 시스템에 관해 제시되어 있으며, 대한민국 특허 10-2002-0016215에, 계분과 톱밥을 섞어 우드칩 발효공법으로 완전히 발효시켜 퇴비로서의 기능 및 미생물군집으로서의 기능을 활성화시키고 고추 역병균 및 탄저병균 저항성 균주인 바실러스 서브틸리스(Bacilus subtilis)를 대량 배양하여 첨가하는 부산물비료 및 그 제조방법에 관해 예시되어 있다. 또한 대한민국 특허 10-2001-0037488에, 식물성 유박에 석회석이나 결착제를 첨가하여 클럼블 형태로 부산물 비료를 제조하는 방법이 예시되어 있다. 그리고 대한민국 특허 10-2001-0083075에, 퇴비의 발효와 미생물의 배양을 극대화하는 방법으로 키토산의 특성중 유효미생물 증식, 토양개량, 염분축적 예방 등의 특성을 이용하여 부산물비료의 발효시 축산분뇨과 톱밥의 발효 기간을 단축시켜 생산원가 절감과 퇴비의 부숙과정에서의 유효 미생물 증식으로 양질의 퇴비를 생산할 수 있는 방법이 제시되어 있다.

US 특허 4337077(1982)에 의하면, 농업용 미생물 접종물 조성에 해조류를 첨가한 사례가 예시되어 있고, US 특허 4383845(1983)에는, 해조류를 이용한 작물생육 촉진용 엽면살포제 개발이 예시되어 있고, US 특허 5797976(2000)에도 유사한 개발사례가 예시되어 있다. 또한 US 특허 2935853(1960)에는 해조류 추출물을 이용한 토양침식 방지제 개발과 관련된 방법이 예시되어 있다. 현재 미국이나 캐나다에서는 상품명으로 “AGGRAND” 이라는 천연 유기질비료가 공급되고 있는데 이는 수용성 어류추출물, 켈프 추출물과 일부 미생물 활성제를 조합한 것이다. 이와 함께 Kelp[켈프, 해초의 일종; 대형의 갈조(褐藻)] 추출물을 이용한 액체비료가 개발되 어 농가에 보급되고 있으며, 해조류 추출물을 이용하여 조경, 잔디, 레저타운, 원예 및 산림분야에서 토양침식방지제로 상품명으로 “Seanure”, “Terrabind” 등을 사용하고 있는데 이들은 토양내에서 수분 보유력 향상, 질소비료 대체, 살균제와 살충제를 대체하며 작물의 생육을 촉진하는 것으로 알려져 있다. 현재 미국, 캐나다 및 유럽에서 사용되고 있는 해조류를 이용한 기능성 엽면살포용 액체비료를 개발하여 널리 사용하고 있다.

우리나라에서 해조류를 이용한 선행발명에 대한 검토결과, 식품첨가물로서 해조류를 이용한 경우가 대부분을 차지하고 있었다. 대한민국 특허 10-0181367- 0000에, 해조류를 이용한 마그네슘의 함유량이 높은 천연 무기질소재의 제조방법이 예시되어 있고, 대한민국 특허 10-0157478-0000에, 해조류가 함유된 과일잼과 그 제조방법이 예시되어 있고, 대한민국 특허 10-2003-0013683에 의하면, 해조류 및 전두유를 이용한 식품의 제조방법이 예시되어 있다. 또한 대한민국 특허 10-2000- 0063563에는 해조류의 추출물을 이용한 건강식품의 제조방법이 예시되어 있다. 대한민국 특허 10-2003-0036389에는 해조류를 주재료로 가두리 양식용 물고기 사료 및 그 제조방법이 예시되어 있다.

우리나라에서도 일부 해조류를 농업적, 산업적으로 응용한 사례가 조사되었는데 대한민국 특허 10-1977-0002595에, 화초용 식물영양제를 제조하는데 있어 아조토박터, 포스포박터, 버티리슘, 부숙균 등을 토탄침출액 40%, 토양 침출액 15%, 골분액 20%, 해조류즙 25%를 첨가한 제조방법이 예시되어 있고, 대한민국 특허10-1967-0000702에, 근류균 비료를 제조하는데 있어 두과식물의 뿌리로부터 분리한 근류균을 두과식물의 열배 전즙 및 건초침출액 25%와 해조류의 폐물을 농염산으로 섭씨 21 내지 21.5도의 온도로 분해시켜 석회유로 중화한 액 15%, 토양침출액 60% 및 주류박을 비롯한 각종 첨가제를 혼합하여 살균한 액체배지에서 증식배양하여 비료로 제조하는 방법이 예시되어 있다. 대한민국 특허 10-1963-0000604에, 세균비료를 제조하는데 해조류를 토양세균의 증식매체로 이용한 사례가 예시되어 있다. 대한민국 특허 10-1959-0000195에, 섬유질 모종분 제조과정에 백토와 함께 해조류의 분말을 일부 혼합한 사례가 예시되어 있다. 대한민국 특허 10- 1952-0000168에, 갈조류를 물 또는 산으로 처리하여 무기염류를 제거한 후 알칼리 또는 수산암모늄 용액을 가온한 다음 여과한 여액에 동이나 아연 또는 알루미늄 등의 가용성 염류수용액을 가하여 생성된 침전을 암모니아수에 용해하여 목재방부제 제조방법이 예시되어 있고, 대한민국 특허 10-1997-0051227에, 황토 흙판의 제조과정에 다시마 등의 해초류를 소량으로 첨가하는 방법이 예시되어 있고, 대한민국 특허 10-2003- 0079858에, 해조류 톳을 사료첨가제로 사용함으로써 증체량 및 사료효율이 개선되고, 콜레스테롤 수치를 낮출 뿐만 아니라 항암효과까지 기대되는 기능성 돼지사료 첨가제 개발방법이 예시되어 있고, 대한민국 특허 10-2002-0071797에, 축우사료를 개발하는데 있어 볏짚에 파인애플과 해조류를 첨가제로 처리하는 방법이 예시되어 있고, 대한민국 특허 10-2004-0034981에, 생황토벽돌, 생황토타일, 생황토구들, 생황토몰탈, 생황토판넬에 있어서의 그 혼합재와 결합재로서 해조류의 미역, 다시마 등에서 추출한 끈적끈적한 알긴산의 주성분을 결합제로 사용한 방법이 예시되어 있다.

국내·외 선행 발명에 대해 예의 검토한 결과, 본 발명에서 목적하는 바와 같이 해조류 부산물을 이용하여 부산물 비료를 제조하는데 필요한 수분조절제·팽화제로 사용한 사례가 전무한 것으로 조사되었다. 일부 해조류 부산물의 경우 산분해 공정(acid digestion)을 거쳐 추출한 식물호르몬을 액체상태로 조제하여 식물체에 엽면시비용으로 개발되고 있을 뿐이다. 따라서 본 발명에서는 해조류의 양식 및 가공과정에서 발생되는 폐기물을 농업분야에 유기물 자원으로 공급함으로써 재이용이 가능한 유기성 폐기물의 활용범위를 넓히고, 토양의 물리화학적 특성 개량, 작물의 수량증대를 통하여 그 효과를 극대화 할 수 있는 방안을 마련하고자 한다.

해조류의 양식과 가공?유통과정에서 발생하는 해조류 부산물의 수거 및 재활용 과정에서 파생되는 종래의 문제점을 해소하는데 있으며, 이를 위해 해조류 부산물을 부산물비료 제조과정에서 필수적인 수분조절제·팽화제로 사용하는데 있다. 이는 부산물비료 제조공정에서 광범위하게 사용되는 톱밥을 대체할 수 있는 유용 유기물 자원의 확보와 함께, 해조류 부산물의 친환경적인 자원재순환 시스템을 구축할 수 있으며, 해조류 유래 유용 식물영양성분의 농경지 투입으로 인한 작물생산성 증대 및 농가경쟁력 확보와도 직결되어 있다

위와 같은 종래의 문제점을 해결할 수 있는 해조류 부산물을 이용한 부산물비료를 토양에 처리함으로서 기대할 수 있는 장점으로는 첫째, 해조류는 육상에서 얻을 수 있는 유기재료에 비해서 다양한 무기성분 뿐만 아니라 식물생장 호르몬의 일종인 Cytokinin이 함유되어 있어서 식물생장촉진제나 비료로서의 효과를 얻을 수 있고, 두 번째로, 해조류가 갖는 화학적 특성에 의한 토양입단 안정성 증가로 통기성을 증진시키는 효과를 기대할 수 있어서 재배작물의 근권 환경이 개선됨으로 생산성과 품질향상에 크게 기여할 것으로 예상된다. 일반적으로 신선한 해조류에는 질소, 칼리성분을 다량 함유하고 있고, 유효성 미량요소들이 고루 함유되어 있으며 토양물리성에 영향을 미치는 성분으로 중요한 alginic acid가 함유되어 있기 때문에 식물영양성분으로서 부산물비료 자원으로 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

본 발명의 목적은 해조류의 양식과 가공과정에서 수거 및 재활용 등 많은 문제점을 야기하고 있는 해조류 부산물을 양질의 친환경 농업자재로 개발하여 유용 자원의 효율적인 재이용과 해조류 유래 여러 기능성 식물호르몬과 알긴산 등의 유입으로 인한 토양환경을 개선하는 효과를 창출하고자 한다.

본 발명의 추가의 목적은 위와 같은 종래의 문제점을 해결할 수 있는 해조류 부산물을 이용한 부산물비료를 토양에 처리함으로서 해조류 유래 여러 식물생장호르몬의 식물생육촉진효과, 알긴산의 토양물리성 개선효과 등을 종합적으로 평가하여 재배되는 작물의 생산성과 품질향상에 기여할 것으로 예상된다.

본 발명을 공정별로 좀 더 상세히 설명하면 제 1 공정은 해조류 부산물의 전처리, 화학성분 분석 및 분말제형 제조, 제 2 공정은 해조류 부산물을 이용한 부산물비료의 수분조절제·팽화제 개발, 제 3 공정은 해조류 부산물 수분조절제·팽화제와 부산물비료 원료의 혼합 및 발효공정, 제 4 공정은 개발된 해조류 부산물비료와 일반 부산물비료를 이용한 작물재배시험으로 구성되어 있다.

본 출원인은 제조된 해조류 첨가 부산물비료를 대상으로 농림부 부산물비료 공정규격에 제시되어 있는 유기물 함량, 중금속 함량, 염분, 수분, 염산불용해물 등의 적합성 여부를 조사하였다. 이와 함께 해조류 유래 식물호르몬인 오옥신(auxin)과 사이토키닌(cytokinin)의 함량변화, 배추재배후 토양의 물리화학적 특성변화에 대해서도 체계적으로 조사하였다. 이하 본 발명을 실시예로 예시할 것이지만, 본 발명은 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시 예 1 : 해조류 부산물의 전처리, 화학성분 분석 및 분말제형 제조

본 발명에 사용한 해조류는 우리나라 서·남해안 지역에서 주로 양식되고 있고, 비교적 대량으로 손쉽게 채취할 수 있는 다시마와 미역을 대상으로 하였다. 다 시마의 가격이 정상적일 때는 양식과정이나 수확하는 과정에서는 바다에 폐기되는 양은 매우 적고, 해양오염 문제도 그리 심각하지 않다. 그러나 가격 경쟁력이 없는 해에는 대략 전체의 20∼30%가 수확되지 않은 채 버려지기도 하고, 수확기가 지나면 품질이 떨어져 식용으로 사용할 수 없으므로 바다에 그대로 방치되어, 물 속에서 자연 용해되어 해양오염과 해조류 양식에 막대한 피해를 끼치기도 한다(농림부, 2003).

반면에 미역은 남해안 지역에서 대단위로 양식되고 있는데, 수확할 때에 식용으로 상품화할 부분만 채취하고 아래의 줄기와 부착부분은 잘라서 바로 현장에 폐기하므로 바다의 환경문제를 야기시킨다. 폐기되는 양은 미역가공업체가 받아주는 가식부분과 거의 같은 양으로, 미역 전체의 약 45%에 해당하며 폐 다시마와 같이 다량을 저가로 구입할 수 있다. 본 연구의 결과에 따라 폐 미역이 재활용되면, 미역양식 해역에 줄기, 포자엽 및 부착기 부분을 그대로 폐기함으로서 발생되는 연안 해양환경의 악화를 줄이고, 유기성 폐기물을 토양환경 개선제로 활용할 수 있는 효과를 기대할 수 있다(농림부, 2003).

본 발명에 사용한 해조류 부산물은 전라남도 완도군 완도읍 양식장에서 수확후 폐기된 다시마(Laminaria sp)와 미역(Undaria pinnatifida)을 획득하여 사용하였다. 채취한 시료는 해조류 가공업체에서 상품성이 낮아 폐기한 것으로서 겉표면에는 끈적끈적한 점액물질이 일부 흐르고 있었으며, 채취하면서 미역과 다시마에 묻어있는 이물질을 제거하였으며, 이들을 자연상태에서 일광건조하여 수분 함량이 20% 이하가 유지되도록 건조하였다.

그 후 건조된 해조류 부산물을 깨끗한 물에 6시간 이상 침지후 다시 깨끗한 물로 수회 수세하여, 표면에 잔류하는 염분을 충분히 제거한 후 염분농도가 0.5% 이하가 되도록 하였다. 마지막으로 염분제거 및 수세가 완료된 해조류 부산물을 함수율 20% 이하가 되도록 건조한 후에 1 내지 2mm 크기 입자로 분쇄하여 분말제형을 조제하였다(도 2, 도3).

본 발명에 사용한 잎과 줄기를 포함하여 폐기되는 상태의 전체를 대상으로 미역과 다시마를 수세·건조·분쇄후 유기물, 식물영양성분, 유용 식물생장호르몬과 유해중금속물질 등에 대해 농촌진흥청의 토양 및 식물체 분석방법에 기준하여 분석하였다. 조사결과 유기물 함량이 70% 수준, 식물영양성분인 질소, 인산, 칼리의 함량도 부산물비료 자원으로 합당한 수준이었고, 유해 중금속물질의 농도도 Cd와 Pb의 경우에는 불검출에서 흔적 수준으로 낮게 나타났다(도 4).

해조류에는 오옥신(auxin)이나 사이토키닌(cytokinin)과 같은 식물생장조절 호르몬이 많이 함유되어 있다. 오옥신 중에서 식물체에 가장 중요한 것은 IAA (Indole-3-acetic acid)로 식물세포의 신장과 분화에 관여한다. 사이토키닌은 주로 식물의 뿌리에서 합성되어 다른 필요부위로 전달되어 세포분열을 촉진하는 물질로 알려져 있어, 부정아의 유도와 어린 식물체의 증식을 목적으로 주로 이용되고 있다. 사이토키닌 중에서 식물체에 중요한 종류는 Zeatin, Kinetin, BA, 2-IP이 있는 것으로 알려져 있다(농림부, 2003).

본 발명에서는 오옥신 계열의 식물호르몬은 indole-3-acetic acid(IAA)를, 사이토키닌 계열에서는 Zeatin을 대상으로 액체크로마토그래피를 이용하여 성분함량을 조사하였다. 인돌아세트산(IAA)의 함량을 보면, 미역의 경우 19.4mg/kg, 다시마는 13.2mg/kg을 나타내었으며, Zeatin의 함량은 미역에서 16.9mg/kg, 다시마는 11.7mg/kg을 나타내어 발명에 사용한 두가지 해조류 모두 높은 식물호르몬을 함유하고 있음을 확인하였다(도 5).

결론적으로 해조류의 양식 및 가공공정에서 부산물로 발생되는 다시마나 미역을 농업분야에 재이용 할 경우 식물생리학적으로 아주 우수한 유기물 자원이 될 수 있는 것으로 나타났다.

실시 예 2 : 해조류 부산물을 이용한 부산물비료의 수분조절제·팽화제 개발

축산분뇨의 발효에 적당한 탄질율, 통기성과 함수율을 제어하기 위해 상기에서 제조한 미역과 다시마 분말을 각각 시판중인 상업용 제올라이트와 중량%로 혼합하였다. 혼합비율은 ① 해조류 부산물 40%+제올라이트 60%, ② 해조류 부산물 50%+제올라이트 50%, ③ 해조류 부산물 60%+제올라이트 40%, ④ 해조류 부산물 70%+제 올라이트 30%, ⑤ 해조류 부산물 80%+제올라이트 20%, ⑥ 해조류 부산물 90%+제올라이트 10%로 조정하여 혼합한 다음 별도의 사이로에 저장하였다.

상기 배합비율대로 혼합된 수분조절제·팽화제를 대상으로 용적밀도(추다짐법, Plunger compaction method)와 관수에 따른 수분 흡수 및 배수 정도를 관능검사를 통해 평가하였다. 해조류 부산물이 80% 이상 첨가된 ⑤, ⑥ 처리구는 관수시에 바로 수분을 흡수하지 못한 상태에서 육묘용기 밖으로 흘러 넘쳤다. 이들 처리구는 지속적인 관수를 수행할 경우 해조류 부산물이 수분을 흡수하면서 팽창하여 부풀어 올라 적절하지 못한 것으로 평가되었다.

반면에 ①과 ② 처리구에서는 과량의 제올라이트가 함유되어 있었고, 유기물 함량이 낮은 관계로 수분보유력이 떨어져 관수 즉시 물이 육묘용기 바닥으로 흘러 손실되었다. 해조류 부산물 60% 또는 70% 이상이 첨가된 처리구에서는 상기와 같은 문제점이 발생되지 않아 합리적인 배합비율로 평가되었다.

용적밀도를 평가한 결과, 해조류 부산물, 미역과 다시마 모두 해조류 부산물 70%+제올라이트 30%에서 가장 양호한 결과를 나타내었다. 해조류(미역) 부산물 70%+제올라이트 30%에서 용적밀도 0.25Mg/m³로 나타났고, 해조류(다시마) 부산물 70%+제올라이트 30%에서 용적밀도 0.29Mg/m³로 나타나 수분조절제·팽화제로 사용하는데 바람직한 결과가 도출되었다. 따라서 본 발명에서는 부산물비료의 수분조절 제?팽화제로 미역과 다시마 모두 해조류 부산물 70%+제올라이트 30%로 혼합된 것을 사용하였다.

실시 예 3 : 해조류 부산물 수분조절제·팽화제와 축산분뇨의 혼합 및 발효공정

전라북도 장수군 장수축협과 인근 축산농가에서 수거한 반습식 형태의 우분, 돈분, 계분을 동일 중량비율로 혼합하여 고체-액체 분리탱크에 투입한 후 나선형 스크류식 교반기로 2시간 정도 해리후 고체(糞)와 액체(尿)로 분리하였다. 탈수된 액체(尿)는 제 3 공정에 부산물비료 탄질율(炭窒率) 조절의 용도로 재이용할 수 있다.

이와 같이 축산분뇨의 고액분리를 수행하는 것은 각각의 축산분뇨별로 함유되어 있는 유기물과 질소의 함량이 다르고 그대로 처리할 경우 탄질율을 조정하기가 힘들어지기 때문이다. 탄질율이 적합하지 않을 경우 발효과정중에 질소기아현상, 발효불량, 발효숙성기간의 지연과 같은 바람직하지 못한 현상이 발생할 우려가 있다. 고액분리후 얻어진 고형물의 함수율이 50% 정도 되도록 순환통풍 건조하였다.

교반식 발효조에 상기에서 얻어진 축산분뇨 고형분과 수분조절제?팽화제를 배합하여 최적의 발효조건을 검토하였다. 축산분뇨에 첨가하는 수분조절제?팽화제는 상기 실시예 2에서 도출된 미역과 다시마 모두 해조류 부산물 70%+제올라이트 30% 혼합분을 사용하였다.

배합비율은 ① 축산분뇨 고형분 80%+수분조절제 20%, ② 축산분뇨 고형분 70%+수분조절제 30%, ③ 축산분뇨 고형분 60%+수분조절제 40%, ④ 축산분뇨 고형분 50%+수분조절제 50%였다. 해조류 부산물과 축산분뇨의 혼합물을 대상으로 탄질율을 조사하면서 탄질율의 범위가 50이하로, 본 발명에서는 30 내지 40 정도가 유지될 수 있는 조건으로 하면서 질소원이 부족할 경우 상기공정에서 얻어진 축산분뇨 유래 액상물질을 첨가하였다. 교반식 발효조에 공기를 공급하면서 3주 동안 고온발효시켰다.

발효공정이 진행되는 3주 동안 매일 수분함유 정도를 관능검사를 수행하면서 부족한 수분을 공급하였으며 발효 종료시점에 수분함량은 30% 수준이었다. 최종적으로 발효가 종료된 부산물비료를 대상으로 비료공정규격에 제시되어 있는 항목에 대한 성분분석을 수행한 결과 모든 기준항목에서 일반 시판 부산물비료 보다 우수한 것으로 나타났다(도 7).

실시 예 4 : 개발된 해조류 부산물비료와 일반 부산물비료를 이용한 작물재배시험

시판중인 S社(전라북도 김제 소재)의 부산물비료를 대조구로 하고, 본 발명에서 최종적으로 개발한 해조류(미역, 다시마) 부산물비료(축산분뇨와 수분조절제 혼합비율 4종)를 대상으로 상추작물을 재배하면서 적용가능성을 비교하였다(도 8, 도 9, 도 10).

부산물비료의 처리량은 소형 폿트에 4ton/10a(우리나라 부산물비료 농경지 시비량 기준)이었으며 재배기간은 총 30일이었다.

상추재배 30일째에 상추를 수확하여 여러 가지 수량지수. 즉, 미역과 다시마가 각각 첨가된 부산물비료를 처리한 후 상추의 생체중, 엽폭, 엽장을 조사한 결과, 축산분뇨 고형분 70%와 수분조절제 30%를 처리한 육묘폿트에서 상추의 수량지수가 가장 높게 나타났다(도 11). 그 다음에는 축산분뇨 고형분 60%와 수분조절제 40%를 첨가한 처리구의 순으로 나타났다. 전체적으로 일반 시판 상토에 비해 해조류 부산물이 첨가된 시험구에서 수량지수가 높게 나타났으며, 해조류 부산물을 이용한 수분조절제·팽화제가 50% 이상 첨가된 경우 작물의 수량지수는 우수하게 나타났지만 육묘폿트 내에서 해조류 부산물(미역과 다시마)이 부풀어 올라 작물의 착근에 일부 불리하게 작용할 수 있음을 확인할 수 있었다.

상추재배 30일째 수확이 끝나고 상추가 재배되었던 토양을 채취하여 토양 pH, 총질소, 총인, 유기물, 전기전도도, CEC, 내수성 토양 입단화도를 조사하였다. 토양입단화도를 조사한 목적은 해조류에 함유되어 있는 알긴산(alginic acid)가 토양의 물리적 특성개량에 어느 정도 효과를 나타내는지를 검토하기 위해 수행되었다. 본 발명에서는 상기에서 상추의 수량지수가 가장 우수하게 나타났던 축산분뇨 고형분 70%와 수분조절제 30%가 처리되었던 조사결과를 중심으로 효과를 구명하였다.

시판 부산물비료와 개발 해조류 첨가 부산물비료 모두 토양내 식물영양성분의 공급측면에서 유리하게 작용하였고, 토양물리성 개선에도 효과가 있는 것으로 나타났다(도 12). 해조류 부산물을 농경지에 처리하는 과정에서 일부 우려가 되고 있는 나트륨 성분의 경우에는 함량변화가 거의 나타나지 않은 점으로 보아 큰 문제는 없을 것으로 사료된다. 시판 부산물비료에 비해 미역과 다시마를 첨가한 부산물비료에서 식물체의 필수영양성분인 칼륨의 함량이 크게 증가하였다는 점은 아주 유용한 결과로 해석된다.

일반적으로 토양물리성 평가에서 내수성 토양의 입단화도가 1.0mm 이상이 높은 비율을 차지할 수록 입단의 발달이 잘 된 토양으로 정의하고 있다. 본 발명에서 실험전 토양의 1.0mm 이상의 입단화도는 겨우 4.9%에 불과하였다. 그러나 본 발명에서 개발된 해조류 부산물을 토양에 부산물비료로 처리하였을 때 1.0mm 이상의 내수성 입단의 비율이 미역의 경우 12.1%로, 다시마의 경우 10.5%로 2배 이상 큰 폭으로 증가하였다(도 13). 시판 부산물비료도 어느 정도 내수성 입단의 형성에는 기여하는 것으로 조사되었다.

그러나 본 발명에서 해조류 부산물비료의 농경지 투입이 일반 부산물비료 보 다 그 효과가 훨씬 크게 나타난 것으로 조사되었다. 즉, 알긴산과 다당류(polysaccharide)가 토양내 미세 점토입자들을 서로 교착시키고 덩어리(土塊)를 형성함으로써, 토양내에서 수분과 공기의 원활한 흐름을 제공할 수 있을 뿐만 아니라 궁극적으로 작물의 수량증대와 토양내 유용미생물의 서식처로서 좋은 기능을 담당할 수 있을 것으로 판단된다.

본 발명에서 개발된 해조류 부산물을 이용한 수분조절제·팽화제(해조류 부산물 70 중량%와 제올라이트 30 중량%) 30 중량%를 축산분뇨 70 중량%로 혼합하여 발효시킨 부산물비료를 농경지에 처리하였을 때 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

해조류 생산과 가공과정에서 발생하는 폐부산물을 일반식품이나 건강보조식품 이용이 아닌 친환경적인 부산물비료의 수분조절제·팽화제로 사용함으로서 유기성 폐기물의 재활용 기술 확립과 친환경농업의 조기정착에 기여할 수 있다.

국내 농경지의 토양관리 측면에서 가장 문제가 되고 있는 화학비료의 과다투입으로 인한 염류집적 문제를 해결할 수 있고, 갈수록 수요가 증가하는 부산물비료의 유기물 자원을 대체할 수 있으며 최종적으로 안전 농산물 생산과 해조류 부산물 의 환경오염 부하를 경감시킬 수 있다.

해조류에 함유되어 있는 70여가지의 식물에 필요한 미량원소의 공급으로 작물재배과정에서 발생되기 쉬운 필수미량원소의 공급이 가능할 뿐만 아니라 작물생산성 향상, 식물양분의 흡수율 향상, 종자발아율 향상, 병충해 발생 저감 등 유용한 효과를 기대할 수 있다.

해조류에 함유되어 있는 알긴산의 농경지 토양으로의 유입에 따라 토양의 물리성 개량 효과 특히, 토양의 내수성입단의 증가로 인하여 토양 통기성과 수분흐름, 유용한 토양미생물의 활성도에 크게 기여할 수 있다.

Claims (6)

1. 우리나라 농림부 비료관리법 제 4조의 비료공정규격 별표1(농림부 제 97-59호)에서 규정하고 있는 부산물비료의 일반지정원료와 특별지정원료를 이용하여 유기질비료·부산물비료를 제조·유통·판매하는 과정에 작물생산성 향상, 식물양분의 흡수율 향상, 종자발아율 향상, 병충해 발생 저감의 목적으로 해조류 또는 해조류의 생산, 가공, 유통과정에서 발생되는 부산물을 1-90 중량% 첨가를 특징으로 하는 방법
2. 본 발명에서 규정하고 있는 해조류(海藻類, seaweeds)는 녹조류, 갈조류 그리고 홍조류를 지칭하며, 해조류 분말 0.01 내지 50mm 크기를 특징으로 하는 방법
3. 본 발명에서 규정하고 있는 해조류 및 해조류 부산물 분말 10 내지 70 중량%와 제올라이트, 규조토, 펄라이트, 버미큘라이트 30 내지 90 중량%를 혼합하여 부산물비료의 수분조절제 및 팽화제를 제조하는 방법과 이렇게 조제된 수분조절제·팽화제 10 내지 50 중량%와 축산분뇨를 50 내지 90 중량% 배합하여 제조하는 부산물비료 및 그 제조방법
4. 본 발명에서 규정하고 있는 해조류 또는 해조류 부산물을 가공·정제 또는 추출후 얻어진 오옥신(auxin) 계열 식물성 호르몬을 액체 및 분말의 형태로 작물생산성 향상, 식물양분의 흡수율 향상, 종자발아율 향상, 병충해 발생 저감의 목적으로 유기질비료·부산물비료의 제조공정 또는 유기질비료·부산물비료에 첨가하는 것을 특징으로 하는 방법
5. 본 발명에서 규정하고 있는 해조류 또는 해조류 부산물을 가공·정제 또는 추출후 얻어진 사이토키닌(cytokinin) 계열 식물성 호르몬을 액체 및 분말의 형태로 작물생산성 향상, 식물양분의 흡수율 향상, 종자발아율 향상, 병충해 발생 저감의 목적으로 유기질비료·부산물비료의 제조공정 또는 유기질비료·부산물비료에 첨가하는 것을 특징으로 하는 방법
6. 본 발명에서 규정하고 있는 해조류 또는 해조류 부산물을 가공·정제 또는 추출후 얻어진 기능성 식물영양성분을 액체 및 분말의 형태로 작물생산성 향상, 식물양분의 흡수율 향상, 종자발아율 향상, 병충해 발생 저감의 목적으로 유기질비료·부산물비료의 제조공정 또는 유기질비료·부산물비료에 첨가하는 것을 특징으로 하는 방법

Images