KR20160028719A - 인광석과 미생물을 이용한 천연비료의 제조방법 - Google Patents

인광석과 미생물을 이용한 천연비료의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인광석과 미생물을 이용한 천연비료의 제조방법에 관한 것으로, 인산칼슘을 다량으로 함유하는 인광석을 포함하는 광물로 이루어지는 광물분말과 유기물분말 및 난용성 인산염을 가용화시키는 혐기성의 유용 미생물을 이용한 발효 제조과정을 통하여 천연비료를 제조하도록 함으로써 토양에 잔존하는 인산의 식물 내 흡수율을 극대화하도록 구성되는 인광석과 미생물을 이용한 천연비료의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 광물분말형성단계(S100);와, 유기물분말형성단계(S200);와, 제1미생물배양단계(S300);와, 제2미생물배양단계(S400);와, 혐기 조건에서 5~10일간 숙성시키는 제1차발효단계(S500);와, 호기 조건에서 3~7일간 숙성시키는 제2차발효단계(S600);와, 건조단계(S700);와, 포장단계(S800);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

인광석과 미생물을 이용한 천연비료의 제조방법{The producing method of natural fertilizer using rock phosphate and bacteria}
본 발명은 인광석과 미생물을 이용한 천연비료의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인산칼슘을 다량으로 함유하는 인광석을 포함하는 광물로 이루어지는 광물분말과 유기물분말 및 난용성 인산염을 가용화시키는 혐기성의 유용 미생물을 이용한 발효 제조과정을 통하여 천연비료를 제조하도록 함으로써 토양에 잔존하는 인산의 식물 내 흡수율을 극대화하도록 구성되는 인광석과 미생물을 이용한 천연비료의 제조방법에 관한 것이다.
최근 환경 오염으로 인한 경작지 감소, 인구 증가와 같은 제반 현상들로 인해 농작물 생산량의 제고가 절실히 요구되고 있으므로 최신식의 대량재배시설과 각종 화학합성비료의 개발을 통해 생산량의 확대 및 생산비용의 감소를 꾀하고 있으나 이에 따른 환경적 부작용의 심각성이 대두 되고 있는 실정이다. 특히, 과도한 화학적 비료의 사용으로 인해 토양에 인산이 과다 축적되어 식물의 생장에 지장을 초래하는 사례가 발생하고 있는데 이는 비료에 함유된 인산 성분의 75~85%가 토양에 고착되어 불용성 인산염의 형태로 토양 내에 축적됨으로 인해 나타나는 현상이다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 난용성 인산염을 식물에 가용화하기 위한 방법이 많이 제시되고 있다. 그 중에 대표적인 방법이 토양 내 식물의 근권부에 서식하는 유용 미생물의 균주를 배양하여 증식함으로써 미생물에 의해 난용성 인산염을 인산 이온으로 분해하는 것이다. 상기 유용 미생물은 아래 표 1에 나타나는 바와 같이 용도와 기작에 따라 여러 부류로 나뉜다.
용도 기작 관련 미생물

양분공급		 인산가용화
(유기산분비)		 Bacillus
Aspergillus
질소고정
(질소고정효소)		 Rhizobium
Azospirillum
착화합물 생성
(시데로포아 등)		 Pseudomonas

뿌리 활력 증진
호르몬 분비(IAA, GA)
효소 분비(ACC deaminase)		 Pseudomonas
Bacillus
Aeromonas
Agrobacterium

토양 개량
중금속 불활성화
토양 입단화		 Bacillus
Trichoderma
Azotobacter
Rhizobium

물질 순환
유·무기물 분해 및 합성
난분해성 화학물질 분해		 Lactobacillus
Streptomyces
Bacillus
Pseudomonas
한편, 등록특허공보 제10-2002-0078452호에서는 불용성 인산염을 가용화하는 레클레르시아 아데카르복실라타 KSJ8이 토양 내에 있는 불용성 인산염인 3인산칼슘, 하이드록시아파타이트, 인광석, 파이테이트 등을 생물이 사용하는 가용성 인산 이온으로 만드는 것에 관한 방법이 공지된 바 있다. 불용성 인산염을 가용화하는 효과는 가지고 있으나 해당 균주를 배양하여 토양에 접종하기 위하여 고도로 통제된 화학처리 과정이 필요하고 인산비료 시비 과정과 균주 접종 과정이 별도로 분리되어 있어 농작물의 재배 과정상 번거로움이 발생하여 생산성이 저하되며 인건비가 상대적으로 많이 투입되어야 하는 등의 문제점이 있다.
또한, 미생물에 의한 비료의 발효는 미생물의 성질에 따라 호기 발효와 혐기 발효로 구분할 수 있는데 호기 발효는 미생물에 산소를 공급하여 단시간에 발효시킬 수 있는 이점이 있으나 발효시 고온으로 인한 영양 손실의 부담이 있고, 반면에 혐기 발효는 산소를 차단하므로 발효에 장시간이 걸린다는 단점이 있으나 영양 손실을 최소화할 수 있는 이점이 있는바, 종래 비료 제조방법은 사용되는 미생물의 성질에 따라 호기 또는 혐기 중에서 선택된 발효공정을 실시하여 사용되는 미생물의 선택에 한계가 있고 호기 또는 혐기 각각의 방식이 가지는 이점 또는 단점을 상호 보완할 수 없는 문제점이 있었다.
예컨대, 등록특허공보 제10-2001-0002684호에서는 서로 다른 형태의 인산염을 모두 정 인산 이온으로 바꾸어 주는 시료 전처리과정을 거친 후 화학분석 정량공법에 의해 인(P) 성분을 정량하는 중합인산칼슘의 정량방법 및 중합인산칼슘을 포함하는 천연 중합인회석 분말을 유효성분으로 포함하는 중합인산칼슘 비료의 제조방법이 공지된 바 있다. 난용성 인산염을 용해하는 미생물이 비료에 첨가되어 인산염의 이용률을 높이는 효과가 있으나 호기성 발효과정만으로 진행됨으로써 상기한 바와 같이 발효과정 중에 영양 손실이 발생하는 단점이 있다. 아울러, 식물의 흡수성 측면에서 식물체에서 분비되는 유기산에 용해되는 구용성이기 때문에 효과가 늦고 장기 효과는 있지만 3~9개월 걸리는 농업의 특성상 비효율적이라는 문제점 역시 내포하고 있다.
등록특허공보 제10-2002-0078452호 토양의 불용성 인산염을 가용화하는 신규의 균주 레클레르시아 아데카르복실라타 케이에스제이8. 등록특허공보 제10-2001-0002684호 중합인산칼슘의 정량방법 및 중합인산칼슘을 포함하는 비료.
본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 칼슘 및 인산을 함유하여 구연산에 용해되도록 조성된 인광석을 포함하는 광물로 이루어지는 광물분말과 유기물분말 및 토양 내에 고정화된 인산염을 분해하여 유리 인산으로 변환시키는 데에 사용되는 유용 미생물을 이용한 발효 제조과정을 통하여 천연비료를 제조하도록 함으로써 인광석 비료 내에 존재하는 인산염의 가용화는 물론, 기존 토양 내에 잔존해 있는 불용성 인산염도 용해할 수 있는 인광석과 미생물을 이용한 천연비료의 제조방법을 제공하는 것이 해결하고자 하는 과제이다.
아울러, 발효단계에 사용되는 각각의 미생물의 특성을 극대화하기 위하여 미생물의 배양 및 비료조성물의 발효시 혐기 조건 및 호기 조건으로 조성되는 다단계의 제조방법을 구성하여 발효 시 비료의 영양 성분 파괴와 재료의 원형 분해를 최소화하고 각각의 미생물이 유발하는 순기능을 비료에 부여하여 작물의 생육 효율을 크게 증진시키는 고품질의 비료를 제조하도록 하는 것이 본 발명의 또 다른 해결 과제이다.
이와 같은 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 인광석과 미생물을 이용한 천연비료의 제조방법은,
인광석 45~48중량%와, 게르마늄, 벤토나이트, 질석, 맥반석, 맥섬석, 옥석, 황토, 토탄, 질석 중에서 선택된 2종 이상의 광물 52~55중량%를 입도 100~200메쉬로 분쇄한 후 150℃ 이상의 스팀을 수분 간 분사해 잡균을 살균하여 광물분말을 획득하는 광물분말형성단계(S100);와, 쌀겨, 두부박, 골분, 깻묵, 어박 중에서 선택된 2종 이상의 유기물을 동일 중량비로 혼합하여 입도 80~120메쉬로 분쇄한 후 150℃ 이상의 스팀을 수분 간 분사해 잡균을 살균하여 유기물분말을 획득하는 유기물분말형성단계(S200);와, 바실러스, 락토바실러스, 로도슈도모나스 중에서 선택된 1종 이상의 미생물에 상기 유기물분말을 1:1~1.5의 중량비로 첨가하여 교반한 후 30~35℃의 혐기 조건에서 5~7일간 배양하는 제1미생물배양단계(S300);와, 아스퍼질러스, 슈도모나스 중에서 선택된 1종 이상의 미생물에 상기 유기물분말을 1:1~1.5의 중량비로 첨가하여 교반한 후 45~50℃의 호기 조건에서 3~5일간 배양하는 제2미생물배양단계(S400);와, 상기 광물분말 85.5~89.5중량%와, 유기물분말 10~14중량%와, 제1미생물 0.2~0.5중량%를 교반하여 비료조성물을 형성한 후 30℃의 혐기 조건에서 5~10일간 숙성시키는 제1차발효단계(S500);와, 상기 1차 발효된 비료조성물에 제2미생물 0.2~0.5중량%를 첨가하여 교반한 후 45℃의 호기 조건에서 3~7일간 숙성시키는 제2차발효단계(S600);와, 상기 2차 발효된 비료조성물을 -30℃ 내지 -60℃에서 30~60분간 진공상태로 급속냉동한 후 15~25℃에 도달할 때까지 5~10℃ 단위로 가온하여 함수량이 25중량%가 되도록 건조하는 건조단계(S700);와, 상기 건조된 비료를 폴리프로필렌 포장지에 담아 진공 포장하는 포장단계(S800);를 포함하여 구성된다.
아울러, 상기 유기물분말형성단계(S200)에서는 유기물분말에 35~40℃의 열풍을 송풍하여 함수량이 30~40중량%로 조성되도록 건조시키는 공정을 포함하여 구성되고, 상기 제1미생물배양단계(S300) 및 제2미생물배양단계(S400)에서는 배양된 제1미생물 및 제2미생물을 1~2일 동안 건조시키는 공정을 포함하되, 30~45℃의 열풍과 15~20℃의 상온풍을 교대로 송풍하여 함수량이 35~45중량%로 조성되도록 구성된다.
상술한 바와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명에 의하면, 비료 자체의 인산 가용성을 높일 뿐만 아니라 경작 토양 내에 과다 집적된 불용성 인산염을 유리 인산으로 변환하여 작물의 인산 이용률을 극대화함으로써 비료 소모량의 절감과 토양 영양성분의 개선이 이루어지는 효과가 있다.
또한, 유용 미생물의 배양 및 발효시 호기 및 혐기 조건으로 조성되는 다단계의 제조방법을 구성하여 발효 시 비료의 영양 성분 파괴와 재료의 원형 분해를 최소화하고 각각의 미생물이 유발하는 순기능을 비료에 부여하여 종래 비료에 비해 작물의 생육 효율을 크게 증진시키는 고품질의 비료를 제조하도록 효과가 있으며, 주원료 광물인 인광석 외에 게르마늄, 맥반석, 토탄 등의 광물이 혼합되어 토양 내 중금속 흡수와 토양의 보수력 및 배수력을 향상시키는 토양 개량의 부가적 효과도 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 인광석과 미생물을 이용한 천연비료의 제조방법을 도시한 흐름도.
이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 후술되는 설명은 본 발명의 원리를 예시하기 위한 하나의 실시예로서 제공되는 것이며, 본 발명은 실시예에 한정되지 않고 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있다. 그리고 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 인광석과 미생물을 이용한 천연비료의 제조방법을 도시한 흐름도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 인광석과 미생물을 이용한 천연비료의 제조방법은 크게 광물분말형성단계(S100), 유기물분말형성단계(S200), 제1미생물배양단계(S300), 제2미생물배양단계(S400), 제1차발효단계(S500), 제2차발효단계(S600), 건조단계(S700), 포장단계(S800)를 포함하여 구성된다.
상기 광물분말형성단계(S100)는 인광석 45~48중량%와, 게르마늄, 벤토나이트, 질석, 맥반석, 맥섬석, 옥석, 황토, 토탄, 질석 중에서 선택된 2종 이상의 광물 52~55중량%를 입도 100~200메쉬로 분쇄한 후 150℃ 이상의 스팀을 수분 간 분사해 잡균을 살균하여 광물분말을 획득하는 단계이다.
인광석(Rock phosphate)은 인산칼슘을 다량으로 함유하는 광석으로서 대표적인 물질로 인회석, 인회토, 구아노(guano) 등이 있으며 인산비료의 주원료가 된다.
상기 인광석은 인산과 질소(N), 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO)이 주성분으로 구성된 천연화합물이 2% 구연산(citric acid)에 용해되는 원리를 이용하여 비료 조성에 사용되는데, 인광석의 구용성을 높이고 토양 내에 집적된 불용성 인산염을 분해하기 위해 토양 미생물을 비료 조성 시에 투입하여 토양 내 인산의 이용률을 크게 개선하고자 하는 것이 본 발명의 요지이다.
인광석 내에 함유된 인산은 구연산(citric acid)에 용해되어, 유리 인산으로 변환되는 성질을 가지는데, 상기 구연산은 검은곰팡이(Aspergillus niger)에 의해 생성되어 인산의 분해에 이용된다. 인광석의 구성 성분 중에 칼슘과 인이 주요 구성 물질인데, 칼슘과 인의 비율에 따라 인광석으로부터 조성된 인산비료의 수용성, 구용성 및 불용성 여부가 결정된다. 결과적으로 인의 함량은 칼슘에 비해 적을수록 구용성이 강해 비료의 지속성이 증가되며 인산의 식물체 내 흡수율이 높아져 비료의 가치가 증대된다.
한편, 상기 인광석과 함께 구성되는 광물로서 게르마늄, 벤토나이트, 질석, 맥반석, 맥섬석, 옥석, 황토, 토탄, 질석이 제시되는데, 이산화규소(SiO2)와 산화알루미늄(Al2O3)을 주성분으로 하는 광물질들로써 다공질로 형성되어 산소공급과 더불어 비료 및 유기물의 수분을 흡착 및 분해하여 식물에 공급하는 역할을 한다. 상기 게르마늄은 인체에 독성을 가지는 무기게르마늄과 인체의 면역작용을 증진시키고 항암작용을 하는 유기게르마늄으로 구분된다. 유기게르마늄은 미생물 또는 효모에 의한 발효과정을 통해 생성되거나 여러 종류의 식물 내에 함유되어 있는데 본 발명에서는 유용 미생물을 이용한 발효를 통해 게르마늄 광물에서 유기게르마늄을 추출하였다. 게르마늄, 맥반석, 맥섬석, 옥석, 황토는 산성화된 토양과 중화반응하여 토양을 정화하는 기능을 하는 것으로 잘 알려져 있다. 벤토나이트는 이온 교환성이 높아 토양의 중금속을 흡수하여 토양의 질을 개선하고, 토탄은 늪지대에 자라는 이끼, 갈대 및 기타 식물의 유기체가 수 천년의 퇴적을 반복하면서 지형 또는 자연조건의 변화로 지하수위가 낮아져 유기물만이 매몰 집적된 것으로서 토양의 보수력, 통안력, 배수력을 향상시키고, 토양의 질을 개량하는 천연의 유기질 토양개량제로 이용될 수 있다.
상기 광물분말형성단계(S100)에서 광물의 배합 비율은 인광석이 적게 포함될 경우에는 일회 시비 시 작물에 인산 공급이 부족할 수 있고 다량 포함시에는 인산 과다로 인해 영양분의 균형적인 흡수가 불가능해 질 수 있으므로 상기한 바와 같은 총 광물분말의 45~48중량%로 구성하는 것이 바람직하다. 아울러, 잔여분은 상기 나열한 광물 중에서 2종 이상을 선택하여 52~55중량% 비율로 혼입하는 것이 토양의 영양 성분 구조상 적합하다.
또한, 분쇄시에는 광물분말의 입도가 100메쉬 미만일 경우에는 광물분말 사이의 공간으로 공기가 침투할 소지가 있어 후술되는 제1차발효단계(S500)에서 혐기 조건을 구성하는데 지장을 초래할 수 있다. 반면, 광물분말의 입도가 200메쉬 이상일 경우에는 미생물과의 접촉성이 증가하여 발효는 촉진되나 경작지에 시비될 때 비료의 통기성이 현저히 감소하여 토양의 호흡을 저해하고 작물 생장에 악영향을 줄 수 있다.
이와 더불어, 발효 효율의 극대화를 위하여 광물분말에 잔류하는 각종 잡균을 제거하도록 고온의 스팀을 수분 동안 분사하는 살균과정을 거치도록 하는 것이 바람직하다.
상기 유기물분말형성단계(S200)는 쌀겨, 두부박, 골분, 깻묵, 어박 중에서 선택된 2종 이상의 유기물을 동일 중량비로 혼합하여 입도 80~120메쉬로 분쇄한 후 150℃ 이상의 스팀을 수분 간 분사해 잡균을 살균하여 유기물분말을 획득하는 단계이다.
상기 쌀겨, 두부박, 골분, 깻묵, 어박은 미생물의 배양 및 발효시 영양을 공급하는 유기물로 구성된 것으로, 쌀겨는 제초효과 증대, 병충해방제 및 토양의 산성화 방지 및 토양 미생물의 번식을 증대시키는 대표적인 유기물로서 쌀겨의 발효로 인해 광합성세균이 번식하여 식물의 탄소동화작용을 촉진하기도 하며, 두부박은 두부 또는 두유의 제조과정에서 배출되는 찌꺼기로서 단백질, 섬유소 등 영양 성분이 풍부하고, 깻묵은 유박의 한 종류로써 불리며 녹말 및 단백질의 함량이 높아서 가축사료로 쓰일 뿐만 아니라 유기물과 질소 함량이 높고, 인산 및 칼륨 성분을 함유하고 있어 비료로도 사용된다. 골분은 질소, 인산, 칼슘을 함유하는 물질로서 토양의 염류집적을 방지하고 토양의 산성화를 교정하는데 그 종류는 소성골분, 육골분, 증제골분으로 나뉘는바 본 발명에서는 인산 함량이 가장 높고 순수하게 뼈만 분리되어 건조 및 분쇄된 증제골분을 사용하여 구성한다. 어박은 동물성 유기질 비료의 하나로서 어류의 찌꺼기를 증숙한 후 압착, 건조 및 분쇄하여 조성되는데 질소, 인산을 함유하고 있다.
한편, 상기 유기물분말형성단계(S200)에서는 유기물분말에 35~40℃의 열풍을 송풍하여 함수량이 30~40중량%로 조성되도록 건조시키는 공정을 포함하여 구성된다. 유기물분말의 함수량을 조절하는 것은 발효단계에서 유기물의 과발효 또는 부패와 같은 부작용을 방지하기 위함이다.
상기 제1미생물배양단계(S300)는 바실러스, 락토바실러스, 로도슈도모나스 중에서 선택된 1종 이상의 미생물에 상기 유기물분말을 1:1~1.5의 중량비로 첨가하여 교반한 후 30~35℃의 혐기 조건에서 5~7일간 배양하는 단계이다.
상기 바실러스와 락토바실러스는 미호기성 혹은 통성혐기성 미생물로써 산소가 없는 환경에서도 생육이 가능하며 식물의 근권부에서 유기산을 분비하거나 특정 효소를 분비하여 토양 내의 불용성 인산염(insoluble phosphate)을 유리 인산(free phosphate)으로 전환시키는 인산염가용화미생물(Phosphate solubilizing bacteria)이다. 로도슈도모나스(Rhodopseudomonas sp.) 역시 통성혐기성 미생물로써 광합성세균으로 알려져 있다. 광합성세균은 배양시 빛을 공급해주어야 하는데 빛의 종류에 따라 배양률이 크게 달라지는데 특히, 배양용 인큐베이터를 사용하지 않고 실험실 공간의 백열등과 같은 빛을 이용할 경우 온도제어에 어려움이 따르므로 자칫 배양에 실패할 수 있어 주의가 필요하다.
따라서, 본 단계를 통해 배양된 제1미생물을 이용하여 후술되는 제1차발효단계(S500)에서 혐기 조건 발효 시 질소분과 유기물의 에너지 손실 및 비료의 영양 성분 파괴와 재료의 원형 분해를 최소화하여 토양 개량효과 및 작물 생육 효율의 향상을 도모하도록 한다.
상기 제2미생물배양단계(S400)는 아스퍼질러스, 슈도모나스 중에서 선택된 1종 이상의 미생물에 상기 유기물분말을 1:1~1.5의 중량비로 첨가하여 교반한 후 45~50℃의 호기 조건에서 3~5일간 배양하는 단계이다.
상기 아스퍼질러스(Aspergillus sp.)는 배양시 구연산을 생성하는 호기성 미생물이다. 슈도모나스(Pseudomonas sp.)는 작물의 뿌리 선단의 세포분열에 작용하여 뿌리 생장 활성을 촉진시키는 호기성 미생물로써, 특히 뿌리의 길이 및 뿌리 군락형성을 현저하게 증가시킨다.
따라서, 본 단계를 통해 배양된 제2미생물을 이용하여 후술되는 제2차발효단계(S600)에서 호기 조건 발효 시 상기 미생물이 유발하는 순기능을 비료에 부여하도록 구성하되 혐기 조건 발효의 단점을 극복하여 보다 단시간에 발효를 진행하여 장시간 발효로 인한 부패나 과발효와 같은 부작용 역시 해소할 수 있다.
한편, 상기 제1미생물배양단계(S300) 및 제2미생물배양단계(S400)에서는 배양된 제1미생물 및 제2미생물을 1~2일 동안 건조시키는 공정을 포함하되, 30~45℃의 열풍과 15~20℃의 상온풍을 교대로 송풍하여 함수량이 35~45중량%로 조성되도록 구성한다. 건조 온도는 혐기성의 유용 미생물의 파괴를 막으면서도 발효를 지연시키기 위한 최적의 온도로서 열풍 건조로 인한 유효 미생물의 손실을 최대한 방지하도록 구성되었다. 아울러, 건조 시 트레할로스(Trehalose)를 0.01M 이상 첨가하면 미생물을 생존율과 생활성도를 보존할 수 있다.
상기 제1차발효단계(S500)는 광물분말 85.5~89.5중량%와, 유기물분말 10~14중량%와, 제1미생물 0.2~0.5중량%를 교반하여 비료조성물을 형성한 후 30℃의 혐기 조건에서 5~10일간 숙성시키는 단계이다.
유기물분말의 함량은 미생물에 비해 과도하게 많을 경우 유기물에 의해 발효가 지장을 받을 수 있고 발효 시 pH 조절에 어려움이 발생하기 때문에 상기 기술된 중량 범위를 따르는 것이 바람직하다. 또한, 본 단계는 혐기 발효로 이루어져 발효탱크 내에서 진공 상태를 유지하면서 발효되는데 영양 성분 손실을 최소화하도록 구성된다. 상기 발효 온도는 혐기성 발효에 가장 적합한 온도로서 영양 성분의 손실이 최소화되어 최종 비료 조성물에 포함된 인산을 비롯한 영양성분이 지속되게 되며 발효는 균체의 종류에 따라 차이가 있으나 대체로 5~10일의 경우에 균체의 농도가 최고점에 달하는 것으로 나타나 이를 적용하였다.
아울러, 혼합시 교반기 내로 미생물보호제로 사용되는 우유를 첨가하여 교반 과정에서 교반기와 상기 혼합물 간의 마찰에 의해 발생하는 열로 인해 발효미생물이 파괴되는 범위를 최소화하도록 구성함이 바람직하며, 우유 이외에 글리세롤, 동식물유가 사용될 수도 있다.
상기 제2차발효단계(S600)는 상기 1차 발효된 비료조성물에 제2미생물 0.2~0.5중량%를 첨가하여 교반한 후 45℃의 호기 조건에서 3~7일간 숙성시키는 단계이다. 본 발효 단계를 통해 제2미생물은 유기산을 형성하는데 그 중에 구연산이 토양 내의 불용성으로 존재하는 인산염을 유리 인산으로 분해하는 기작을 가진다.
전술한 제1차발효단계(S500) 및 제2차발효단계(S600)를 거치면서 각 원료의 유기적인 결합을 통해 비료조성물 전체에 골고루 인산 가용화 성분 및 토양 개량 성분이 확산되도록 구성되고, 특히 광석분말 중 게르마늄은 무기게르마늄의 형태인데 이는 인체에 독성 및 유해적인 요소가 있기 때문에 유용 미생물에 의한 발효과정을 거쳐 유기게르마늄인 Ge-132로 변환되어 식물의 생장을 촉진하는 역할을 하게 된다. 인광석 역시 발효단계를 거치면서 산성화(bioacidulation)되고 인산의 가용화가 증진되기 시작한다.
상기 건조단계(S700)는 2차 발효된 비료조성물을 -30℃ 내지 -60℃에서 30~60분간 진공상태로 급속냉동한 후 15~25℃에 도달할 때까지 5~10℃ 단위로 가온하여 함수량이 25중량%가 되도록 건조하는 단계이다. 발효혼합물의 함수량이 20% 이하로 조성되도록 하여 발효가 계속적으로 진행되는 속도를 지연시켜주어 경작지에 시비되는 시점에 투입되어 사용될 수 있도록 한다.
급속냉동으로 발효혼합물의 발효는 일시 중단되는데 -60℃보다 낮은 온도에서는 발효미생물의 조직에 변형이 발생할 수 있고 -30℃보다 높은 온도에서는 발효가 미미하게나마 진행될 소지가 있으므로 상기 범위의 온도에서 실시함이 바람직하다. 아울러 가온시의 최종 도달 온도인 15~25℃는 미생물의 증식이 최소화되고 유기물의 영양 성분에 손상이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 아울러, 건조시 트레할로스(Trehalose)를 0.01M 이상 첨가하면 미생물을 생존율과 생활성도를 보존할 수 있다.
마지막으로, 상기 포장단계(S800)는 건조된 비료를 폴리프로필렌 포장지에 담아 진공 포장하는 단계이다. 외부재질은 자외선 및 직사광선으로부터 차폐가 가능한 Acryl, PVC 소재의 포장지로 이중포장하여 비료 내 영양 성분의 손상 또는 제품의 변형이 발생하지 않도록 구성한다.
이하, 전술한 바와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명을 포함하는 실시예 1 내지 실시예 2를 구성하고 실제 작물의 재배에 적용함으로써 일반 화학비료 및 인산 비료와의 생육발달의 비교 분석 및 본 발명의 미생물의 다양한 구성을 통해 그에 따른 효과에 대해서도 면밀하게 파악하고자 한다.
실시예 1에서는 본 발명에 따른 비료와 타 비료의 사용시 작물의 생육발달을 비교한다. 실험에 사용된 작물은 배추로 선정하였으며 재배 면적은 각각 10㎡의 경작지에 배추를 30포기씩 재배하는 것으로 재배 환경을 구성하였다.
본 발명의 비료의 제조는 전술한 제조방법에 따라 실시하되 구체적인 조성비는 아래 표 2와 같이 하여 실험구를 준비하였고, 일반 화학비료인 대조구 1과 구용성 인산비료인 대조구 2를 준비하여 배추밭의 밑거름용으로 0.09㎏/㎡만큼 전층 시비하고 토양과 잘 혼합한 후에 배추의 씨앗을 파종하여 재배일자에 맞춰 정식하는 방법으로 배추 재배를 시작하였다.
실험구(본 발명)의 제조방법에 따른 원료의 구체적 조성비
원료 조성비(단위: 중량%)
인광석 45
게르마늄 14.5
황토 14.5
토탄 14.5
쌀겨 2.8
두부박 2.8
골분 2.8
어박 2.8
제1미생물(바실러스,로도슈도모나스) 0.3
제2미생물(아스퍼질러스,슈도모나스)
아래 표 3에는 본 발명의 실험구 및 대조구 1, 대조구 2의 화학적 조성비를 나타내었다.
각 비료의 화학적 조성비(단위: %)
성분 실험구
(본 발명)		 대조구 1
(화학비료)		 대조구 2
(인산비료)
칼슘(CaO) 37.9 25.8 34.5
인산(P2O5) 15.2 18.7 22.6
질소(N) 12.6 4.7
마그네슘(MgO) 5.6 2.6
불소(F2) - 유해함 2.5 1.34
배추의 재배기간은 70여 일이 소요되었으며 각 배추의 생육발달 결과는 아래 표 4와 같다. 표 4에서 알 수 있듯이 배추의 무게, 엽수, 엽폭, 구폭에서 실험구가 대조구1 보다는 현저히 높은 수치를 보였으며 구용성 인산비료인 대조구 2 보다도 다소 높은 수치를 보이고 있다. 특히 수량지수에서 실험구가 122로 대조구 1, 대조구 2보다 높아 단위 재배면적당 생산되는 배추의 무게가 큰 것으로 나타나 생산성 증가가 유의한 수준으로 나타남을 인지할 수 있다.
각각의 비료에 따른 배추의 생육발달 비교 결과
구분 실험구
(본 발명)		 대조구 1
(화학비료)		 대조구 2
(인산비료)
무게(g) 1880 1350 1550
엽수(매) 25.6 17.0 22.0
엽장(cm) 36.1 26.5 35.4
엽폭(cm) 24.9 18.6 23.4
구고(cm) 26.1 20.2 26.7
구폭(cm) 17.1 11.4 13.5
수량(kg/㎡) 5.35 4.39 4.66
수량지수 122 100 106
실시예 2에서는 본 발명에 따른 비료의 제조방법에 있어서 상기 실시예 1에서 제1미생물로 바실러스와 로도슈도모나스, 제2미생물로 아스퍼질러스, 슈도모나스를 이용하여 혐기 조건의 제1차발효단계(S500)와 호기 조건의 제2차발효단계(S600)를 실시한 것에 대비하여, 바실러스와 로도슈도모나스를 이용하여 혐기 조건의 제1차발효단계(S500)만 실시한 실시예 2를 구성하여 배추의 생육발달 결과를 비교해보고자 한다. 상기 미생물의 배양 조건 및 나머지 원료의 조성은 동일하게 구성하였다.
상기와 같이 준비된 실시예 2에 의한 비료와 실시 예 1에서 조성된 비료와의 생육발달 비교 결과를 아래 표 5에 나타내었다.

구분		 실시예 1
(제1차발효단계+제2차발효단계)		 실시예 2
(제1차발효단계)
무게(g) 1880 1650
엽수(매) 25.6 21.6
엽장(cm) 36.1 31.7
엽폭(cm) 24.9 23.4
구고(cm) 26.1 25.2
구폭(cm) 17.1 14.8
수량(kg/㎡) 5.35 4.85
수량지수 110 100
상기 아스퍼질러스는 난용성 인산염을 가용화하는 기작을 나타내는 구연산(citric acid)을 생성하는 균주로 이용되고 슈도모나스는 호르몬과 효소를 분비하여 작물 뿌리의 활력을 증진시키는 작용을 하는 것으로 알려져 있는데 두 미생물은 호기 조건에서 배양률이 높은 호기성 미생물이다. 따라서, 혐기 조건 및 호기 조건에서 발효단계를 거치는 실시예 1이 혐기 조건의 발효단계만 거치는 실시예 2에 비해 근권부를 포함하는 작물의 전반적인 생육이 개선되는 결과를 보이는 것을 알 수 있다. 다시 말해, 호기 발효가 비록 혐기 발효에 비해 영양분의 손실률이 높다는 단점이 있으나 아스퍼질러스나 슈도모나스와 같은 호기성 미생물이 가진 이점을 발효단계에 적용하기 위해서는 호기 발효를 혐기 발효와 함께 적절하게 구성하여 실시하는 것이 작물의 생육에 더욱 효과적인 비료를 제조하도록 하는 것을 알 수 있다.
실시예 3에서는 본 발명에 따른 비료의 제조방법에 사용되는 광합성세균인 로도슈도모나스 스페로이데스(Rhodopseudomonas sphaeroides)를 이용하여 광합성세균에 따른 작물의 광합성에 대한 영향력을 파악해보고자 한다.
로도슈도모나스 스페로이데스는 통성혐기성의 유용 미생물로서 탄소동화작용의 촉진을 통해 재배 작물의 광합성을 개선하는 효과를 부여하도록 한다. 광합성세균을 수득하기 위해 유기물이 부식되기에 적합한 강, 논, 습지 등의 수계 혐기층에서 토양을 채취하여 멸균된 생리식염수로 희석한 후 30℃에서 200W의 백열등으로 빛 조사하여 60시간 배양한 후, PDA 배지에 0.5ml를 투입하여 10일간 배양하여 광합성세군인 로도슈도모나스 스페로이데스를 분리하였다. 분리된 로도슈도모나스 스페로이데스에 유기물인 쌀겨를 1:1.5의 중량비로 투입하여 5일간 30℃의 온도에서 추가 증식하여 광합성세균을 준비하였다.
작물의 재배 방법 및 기타 조건을 상기 실시예 1과 동일하게 구성하되 상기 광합성세균의 배양액 농도를 2%, 10%, 20%, 50%로 각각 달리 형성하여 실험구 1 내지 실험구 4로 구성하여 광합성세균의 함량에 따른 작물에 함유된 영양 성분을 비교한 결과를 표 6에 나타내었다.
성분 실험구 1
(2%)		 실험구 2
(10%)		 실험구 3
(20%)		 실험구 4
(50%)
조단백질(Crude protein) 58.7 59.2 61.5 57.7
조섬유(Crude fiber) 2.6 2.5 3.1 2.8
조회분(Crude ash) 5.4 5.3 5.2 4.9
조지방(Crude fat) 7.4 7.7 7.2 7.4
실험구 1 내지 실험구 4에서 광합성세균의 배양액 농도가 20%인 실험구 3에서 조단백질과 조섬유의 함량이 가장 높음을 알 수 있다. 또한, 50%의 배양액 농도에서는 오히려 영양 성분 함량이 타 실험구에 비해 감소함을 알 수 있어 광합성세균의 배양액 농도는 20% 내외가 적합함을 알 수 있었다.
전술한 바와 같은 실시예 1 내지 실시예 3을 통해서 본 발명에 따른 천연 비료가 기존의 인산비료 및 화학비료와 비교하였을 때 식물의 생육발달에 있어 유의한 정도의 우수성을 가짐을 입증할 수 있었으며, 아울러 각각의 미생물의 특성에 맞도록 혐기 및 호기 조건으로 조성되는 제1차 및 제2차발효단계(S500,S600)를 실시하여 인산 가용화 유용 미생물뿐만 아니라 식물의 광합성 작용을 보조해주는 광합성세균 및 뿌리의 생육을 활성화하는 미생물의 적절한 배양을 통한 발효 효과의 증대를 통해 고품질의 비료를 제조함으로써 시비된 작물에 함유된 영양 성분 역시 유의한 수준으로 개선됨을 파악하였다.
따라서, 본 발명에 따른 인광석과 미생물을 이용한 천연 비료의 제조방법이 농작물 생산성 증대와 토양 환경 보존이라는 관점에서 실효성을 가짐을 확인할 수 있었다.
이상에서 설명한 본 발명은, 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 명확히 하여야 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
S100: 광물분말형성단계
S200: 유기물분말형성단계
S300: 제1미생물배양단계
S400: 제2미생물배양단계
S500: 제1차발효단계
S600: 제2차발효단계
S700: 건조단계
S800: 포장단계

Claims (3)

  1. 인광석 45~48중량%와, 게르마늄, 벤토나이트, 질석, 맥반석, 맥섬석, 옥석, 황토, 토탄, 질석 중에서 선택된 2종 이상의 광물 52~55중량%를 입도 100~200메쉬로 분쇄한 후 150℃ 이상의 스팀을 수분 간 분사해 잡균을 살균하여 광물분말을 획득하는 광물분말형성단계(S100);와,
    쌀겨, 두부박, 골분, 깻묵, 어박 중에서 선택된 2종 이상의 유기물을 동일 중량비로 혼합하여 입도 80~120메쉬로 분쇄한 후 150℃ 이상의 스팀을 수분 간 분사해 잡균을 살균하여 유기물분말을 획득하는 유기물분말형성단계(S200);와,
    바실러스, 락토바실러스, 로도슈도모나스 중에서 선택된 1종 이상의 미생물에 상기 유기물분말을 1:1~1.5의 중량비로 첨가하여 교반한 후 30~35℃의 혐기 조건에서 5~7일간 배양하는 제1미생물배양단계(S300);와,
    아스퍼질러스, 슈도모나스 중에서 선택된 1종 이상의 미생물에 상기 유기물분말을 1:1~1.5의 중량비로 첨가하여 교반한 후 45~50℃의 호기 조건에서 3~5일간 배양하는 제2미생물배양단계(S400);와,
    상기 광물분말 85.5~89.5중량%와, 유기물분말 10~14중량%와, 제1미생물 0.2~0.5중량%를 교반하여 비료조성물을 형성한 후 30℃의 혐기 조건에서 5~10일간 숙성시키는 제1차발효단계(S500);와,
    상기 1차 발효된 비료조성물에 제2미생물 0.2~0.5중량%를 첨가하여 교반한 후 45℃의 호기 조건에서 3~7일간 숙성시키는 제2차발효단계(S600);와,
    상기 2차 발효된 비료조성물을 -30℃ 내지 -60℃에서 30~60분간 진공상태로 급속냉동한 후 15~25℃에 도달할 때까지 5~10℃ 단위로 가온하여 함수량이 25중량%가 되도록 건조하는 건조단계(S700);와,
    상기 건조된 비료를 폴리프로필렌 포장지에 담아 진공 포장하는 포장단계(S800);로 구성되는 것을 특징으로 하는 인광석과 미생물을 이용한 천연비료의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유기물분말형성단계(S200)에서는 유기물분말에 35~40℃의 열풍을 송풍하여 함수량이 30~40중량%로 조성되도록 건조시키는 공정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 인광석과 미생물을 이용한 천연비료의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1미생물배양단계(S300) 및 제2미생물배양단계(S400)에서는 배양된 제1미생물 및 제2미생물을 1~2일 동안 건조시키는 공정을 포함하되, 30~45℃의 열풍과 15~20℃의 상온풍을 교대로 송풍하여 함수량이 35~45중량%로 조성되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 인광석과 미생물을 이용한 천연비료의 제조방법.
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