KR20200051918A - 작물생장 촉진용 바이오차의 제조방법 및 이를 유효성분으로 포함하는 비료 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 작물생장 촉진용 바이오차의 제조방법 및 이를 유효성분으로 포함하는 비료 조성물에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 분쇄한 유칼립투스를 무산소 조건에서 열분해하여 제조된 작물생장 촉진용 바이오차 및 이를 유효성분으로 포함하는 비료 조성물에 관한 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 유칼립투스를 무산소 조건에서 열분해하여 제조된 바이오차를 유효성분으로 포함하는 비료 조성물은 작물의 발근 및 생육을 촉진시키는 우수한 효과가 있으므로 이를 천연비료 성분으로 용이하게 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 비료 조성물은 탄화과정을 거쳐 생성된 바이오차(Biochar)로, 인축에 매우 안전할 뿐만 아니라 안정성도 매우 탁월하므로, 친환경 농산물을 안전하게 생산하는데 적합하다.

Description

작물생장 촉진용 바이오차의 제조방법 및 이를 유효성분으로 포함하는 비료 조성물{Manufacturing Method of Biochar for Promoting Crop Growth and Fertilizer Comprising the Same as an Effective Ingredient}

본 발명은 작물생장 촉진용 바이오차의 제조방법 및 이를 유효성분으로 포함하는 비료 조성물에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 분쇄한 유칼립투스를 무산소 조건에서 열분해하여 제조된 작물생장 촉진용 바이오차 및 이를 유효성분으로 포함하는 비료 조성물에 관한 것이다.

고유가와 교토의정서에 의한 기후변화 대처가 절실한 상황에서 저비용의 신재생에너지 생산 및 조기 성과창출, 온실가스 감축을 위해 폐자원 및 바이오매스 에너지에 대한 관심이 고조되고 있으며, 그 일환으로 각국에서 가축분뇨 자원화, 농산 바이오매스 에너지화 및 바이오디젤 생산, 수산 및 해양바이오매스 에너지화, 산림 바이오매스 에너지화 등이 추진되고 있다.

산림 바이오매스 이용 부문에서 가장 활성화된 분야는 미활용 목재 및 부산물을 이용한 목재펠릿 연료 산업인데, 목재펠릿은 발열량이 4,300kcal/kg 내외로 화석 연료 대비 현저히 낮고 목재 특유의 흡습성에 기인한 자연 분해에 따른 품질저하 문제로 저장비용이 높은 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위하여 최근 유럽을 기점으로 탄화바이오매스의 개발이 가속화되고 있다.

탄화란 무산소 상태에서 외부 가열원에 의한 간접가열(흡열)로 환원반응에 의해 열분해되어 유기성분 중 탄소를 최종 생성물에 고정하기 위해 진행하는 열분해 공정을 말하며, 유기물을 무산소 환경에서 열적 분해하게 되면, 최종 생성물이 열분해 가스, 열분해 오일, 탄화물(char) 등이 생성되게 되는데, 이중 열분해 오일을 목적으로 하는 경우를 ‘유화(油化)’, 탄화물을 회수대상으로 하는 경우를 ‘탄화(炭化)’라고 한다.

또한, 탄화바이오매스는 바이오매스를 200~300℃로 열분해하여 흡습성분인 헤미셀룰로오스를 분해하여 하이드록실 라디칼(hydroxyl radicals)을 감소시킴으로써 흡습성을 감소시키고 휘발성 유기화합물을 제거하여 공정에서 에너지원으로 재활용함으로써 목재펠릿 대비 제조원가를 절감하는 한편, 탄소 비율을 높임으로써 석탄 특성에 보다 가까운 에너지원으로 변환하는 것으로 바이오차(bio-char) 또는 바이오콜(bio-coal)이라고 불린다.

국내에서도 커피빈 등 다양한 유기 폐기물을 활용한 탄화 가공공정 연구가 2010년도 이래 지속적으로 이루어져 왔으며(오도건 외, “반탄화에 의한 커피박 연료특성”, New & Renewable Energy 2013. 9 Vol. 9, No. 3), 또한 고에너지밀도 펠릿제조를 위하여 목재 칩을 이용한 탄화 특성연구도 최근 전남대학교와 국립산림과학원 등이 공동으로 진행하여 관련 연구결과를 논문에 발표한 바 있다(이재원 외, 고에너지밀도 펠릿제조를 위한 목재칩 반탄화 특성, Korean Chem. Eng. Res., Vol. 50, No. 2, April, 2012, pp. 385-389). 그러나, 상기 산림 바이오매스의 탄화 가공공정 연구는 생성된 바이오차의 연료 효율에 초점을 맞추어 진행됐고, 이 밖에도 특허공개 제10-2012-0017600호 ‘임목 부산물로부터 제조되는 중금속 오염수 처리용 바이오 차 및 그 제조방법’, 특허공개 제10-2012-0067809호 ‘옥수수 잔유물에서 유래한 바이오차를 이용하여 토양에서의 이산화탄소를 저감시키는 방법’ 등 바이오차의 흡착능에 초점을 맞추어 이산화탄소나 중금속을 제거하는 것을 목적으로 진행된 연구가 일부 있었으나, 바이오차가 갖는 작물 생장 촉진 효능에 대한 연구는 아직까지 미진한 편이다.

한편, 유칼립투스(Eucalyptus globulus)는 아열대 고지대 원산의 식물로, 수피는 매끄러우며 청회색을 띤 흰색이다. 잎은 엽병 없이 마주나고 회녹색이고, 꽃은 2~3개가 모여 피며, 과실은 2.5cm 정도로 동그스름한 특징을 갖는다. 유칼립투스의 에센셜 오일은 강한 살균작용이 있어 입욕제로 사용하면 피부를 정화하고 피부 장애에 효과가 있는 것으로 알려져 고대 이집트 시대부터 사용되었고, 벼룩과 이 등의 해충에 살충 효과가 있는 것으로 알려져 있다.

그러나, 유칼립투스를 열분해하여 생성된 바이오차가 갖는 작물생장 촉진에 관한 효능은 아직까지 공지된 바 없다.

따라서, 본 발명의 주된 목적은 작물생장을 촉진하는 효과가 있는 바이오차(biochar)의 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 작물생장 촉진용 바이오차(biochar)를 유효성분으로 포함하는 비료 조성물을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.

본 발명의 한 양태에 따르면, 본 발명은 유칼립투스(Eucalyptus globulus)를 건조하는 단계; 상기 건조된 유칼립투스를 박피하는 단계; 상기 박피한 유칼립투스를 분쇄하는 단계; 및 상기 분쇄한 유칼립투스를 탄화하여 바이오차를 제조하는 단계;를 포함하는 작물생장 촉진용 바이오차(biochar)의 제조방법을 제공한다.

본 발명자들은 작물생장 촉진의 관점에서 산림 바이오매스의 이용을 제고하고자 예의 연구노력한 결과, 유칼립투스의 탄화 과정에서 생성된 바이오차(biochar)가 작물생장 촉진에 뛰어난 효과가 있어 비료조성물로 유용하게 사용될 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

또한, 본 명세서에서 사용된 용어, "바이오매스(biomass)"란 에너지원으로 사용되기 위해서 사용되는 식물이나 동물 같은 생물체를 의미한다. 본 명세서에서 사용된 용어, "바이오차(biochar)"란 열분해(pyrolysis) 및 액화 공정(liquefaction technology)을 통하여 바이오 오일을 만드는 과정에서 발생하는 부산물로써, 산소가 제한된 환경에서 바이오매스(biomass)를 열분해하여 얻을 수 있는 탄소 함량이 높은 고체 물질이다.

본 발명에서 상기 유칼립투스(Eucalyptus globulus)는 아열대 고지대 원산의 도금양과 식물을 의미하며, 상기 유칼립투스 나무는 저온 탄화 과정에서도 안정적으로 열분해가 수행될 수 있고, 생성된 바이오차의 안정화가 이루어져 작물 생장 촉진용 비료 조성물에 사용될 수 있는 원료이다.

본 발명의 작물생장 촉진용 바이오차의 제조방법에서, 상기 유칼립투스(Eucalyptus globulus)의 건조는 수분함량 10% 내지 20%로 건조하는 것이 바람직한데, 여름철에는 15% 내지 20%로, 겨울철에는 10% 내지 15%로 건조하여 수분함량을 조절할 수 있다. 상기와 같이 수분 건조를 통해 열분해 과정에서 생성되는 수증기의 발생을 최소화하고, 바이오 가스를 통해 방출되는 유기물질의 손실을 방지할 수 있는 장점이 있다.

상기와 같이 건조된 유칼립투스는 박피하여 껍질을 제거하여 탄화 과정을 거치게 되는데, 껍질에 존재하는 수지성분 등이 탄화 과정에서 완전하게 열분해 되지 않고, 바이오차의 안정화를 방해하기 때문이다.

본 발명의 작물생장 촉진용 바이오차의 제조방법에서, 상기 박피된 유칼립투스는 분쇄하여 탄화시키는 것이 탄화시 열전달 측면에서 바람직하다. 상기 분쇄는 2cm 미만의 크기로 분쇄하는 경우에는 열분해는 촉진되나 작물생성 촉진 기능을 갖는 성분들이 파괴되며, 4cm를 초과하는 크기로 분쇄하는 경우에는 열전달이 원활하게 이루어지지 않아 열분해가 저하되게 되므로, 2cm 내지 4cm 크기의 분쇄물로 분쇄하는 것이 바람직하다.

본 발명의 작물생장 촉진용 바이오차의 제조방법에서, 상기 탄화는 상기 분쇄한 유칼립투스를 외부 가열원에 의한 간접가열 방식으로 무산소 조건에서 300℃ 내지 400℃의 온도로 12 시간 내지 18 시간 동안 탄화하는 것이 바람직하다. 상기 조건에서 분쇄된 유칼립투스의 탄화가 이루어지며, 상기 열분해 과정에서 탄화는 완전탄화가 아닌 반탄화(torrefaction) 형태의 탄화가 이루어지게 되며, 상기 탄화 과정을 통해 유칼립투스에 존재하는 유분, 수지, 당분 등의 성분이 작물생장을 촉진하는 성분들로의 변이가 이루어지는 것으로 추정된다.

본 발명의 작물생장 촉진용 바이오차의 제조방법에서, 상기 탄화 과정은 상기 분쇄한 유칼립투스에 300℃ 내지 400℃의 온도로 열을 가하는 동시에 유칼립투스를 교반해주면서 수행하는 것이 탄화 공정의 균일한 진행을 위해서 바람직하다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상기 작물생장 촉진용 바이오차의 제조방법으로 제조된 작물생장 촉진용 바이오차(biochar)를 유효성분으로 포함하는 비료 조성물을 제공한다.

본 명세서에서 사용된 용어, "비료(fertilizer)"란 유기질, 무기질, 천연산, 합성품이 있으며, 식물이 정상적으로 생육하기 위하여 필요한 원소의 하나 또는 그 이상을 공급하는 모든 물질을 의미한다.

본 발명의 비료 조성물은 식물의 생육촉진 효과가 우수하여 식물영양제, 토양개량제, 퇴비부숙제, 엽면살포제 또는 관주살포제 등으로 이용될 수 있다.

본 발명의 비료 조성물은 농업적으로 허용 가능한 담체를 포함할 수 있으며, 충전제(fillers), 용매, 부형제, 계면활성제(surfactants), 현탁제(suspending agents), 스프래더(spreaders), 부착제(adhesives), 소포제, 분산제, 습윤제, 드리프트 감소제(drift reducitng agents), 보조제(suxiliaries), 보강제(adjuvants) 또는 이의 혼합물을 포함할 수 있다.

본 발명의 비료 조성물은 농축물, 용액, 스프레이, 에어로졸, 침수용(immersion baths), 침지(dips), 에멀젼(emulsions), 현탁 농축액, 겔, 과립(granules) 등의 타입으로 제제화할 수 있다.

본 발명의 비료 조성물은, 상기 비료 조성물 단독 또는 다른 농업용 제제, 예를 들어, 농약(pesticides), 살충제(insecticides), 살응애제(acaracides), 살진균제(본 발명의 진균에 무해한 진균제), 살박테리아제, 제초제, 항생제, 항균제, 살선충제(nematocides), 쥐약(rodenticides), 곤충병원체(entomopathogens), 페로몬(pheromones), 유인제(attractants), 식물성장조절제(plant growth regulators), 식물 호르몬(plant hormones), 곤충성장 조절제(insect growth regulators), 화학불임제(chemosterilants), 미생물 작물보호제(microbial pest control agents), 방충제(repellents), 바이러스, 식자극제(phagostimulents), 식물 영양제, 식물비료 및 생물학적 방제제와 함께 배합하거나, 순차적으로 사용될 수 있다. 상기 살충제로는 카르바메이트, 유기 포스페이트, 유기 염소 살충제, 페닐피라졸, 피레트로이드, 네오니코티노이드, 스피노신(spinosin), 아버멕틴(avermectin), 밀베마이신, 유충 호르몬 유사체, 알킬할라이드, 유기 주석 화합물, 네레이스톡신(nereistoxin) 유사체, 벤조일우레아, 디아실히드라진, METI 살비제(acaricide)류의 살곤충제, 클로로피크린, 피메트로진, 플로니카미드, 클로펜테진, 헥시티아족스, 에톡사졸, 디아펜티우론, 프로파르지트, 테트라디폰, 클로르페나피르, DNOC, 부프로페진, 시로마진, 아미트라즈, 히드라메틸논, 아세퀴노실, 플루아크리피림, 로테논 또는 이들의 유도체와 같은 살충제가 사용될 수 있다. 상기 식물 영양제로는 통상적으로 사용되는 식물 영양공급용 비료를 사용할 수 있다. 또한 상기 비료로서, 유기질비료, 복합비료, 질소비료, 인산비료, 칼슘비료, 석회비료, 유산질비료, 황산비료, 마그네슘 비료, 미량원소비료, 유기질비료, 분뇨비료 등이 이용될 수 있다. 이 때, 상기 농업적 제제의 특정 예는 당업계의 통상의 지식을 가진 사람에게는 자명한 것으로, 용이하게 입수할 수 있다.

본 발명의 비료 조성물의 적용대상 식물은 농업용 작물로 사용되는 것은 어떤 것이든지 적용가능하나, 바람직하게는, 수수, 녹두, 쌀, 보리, 밀 율무, 참깨, 양대, 강낭콩, 들깨, 팥, 콩, 팥, 옥수수, 귀리, 메밀, 귤, 모과, 밤, 복숭아, 감, 살구, 은행, 자두, 유자, 호도, 사과, 배, 대추, 포도, 오렌지, 수박, 참외, 딸기, 오이, 단호박, 수세미, 토마토, 호박, 박, 방울토마토, 파프리카, 복분자, 멜론, 상추, 배추, 미나리, 부추, 갓, 쑥갓, 양배추, 열무, 우엉, 양파, 마늘, 무, 우엉, 연,감자, 고구마, 당근, 도라지, 더덕, 마, 토란, 파, 산마늘, 인삼 및 녹각영지 중에서 선택되는 1종의 식물에 대해 사용할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 유칼립투스를 무산소 조건에서 열분해하여 제조된 바이오차를 유효성분으로 포함하는 비료 조성물은 작물의 발근 및 생육을 촉진시키는 우수한 효과가 있으므로 이를 천연비료 성분으로 용이하게 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 비료 조성물은 탄화과정을 거쳐 생성된 바이오차(Biochar)로, 인축에 매우 안전할 뿐만 아니라 안정성도 매우 탁월하므로, 친환경 농산물을 안전하게 생산하는데 적합하다.

도 1은 본 발명의 바이오차를 함유하는 비료 조성물에서 재배된 배추 육묘(시험구) 및 바이오차 미함유 비료조성물에서 재배된 배추 육묘(대조구)의 사진이다.
도 2는 본 발명의 바이오차를 함유하는 비료 조성물에서 재배된 배추 육묘(시험구) 및 바이오차 미함유 비료조성물에서 재배된 배추 육묘(대조구)를 확대하여 촬영한 사진이다.
도 3은 본 발명의 바이오차를 함유하는 비료 조성물에서 재배된 배추 육묘(시험구) 및 바이오차 미함유 비료조성물에서 재배된 배추 육묘(대조구)의 뿌리 사진이다.
도 4는 본 발명의 바이오차를 함유하는 비료 조성물에서 재배된 배추 육묘(시험구) 및 바이오차 미함유 비료조성물에서 재배된 배추 육묘(대조구)의 뿌리를 확대하여 촬영한 사진이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.

실시예 1. 바이오차 및 이를 이용한 비료조성물의 제조

1-1. 바이오차의 제조

유칼립투스를 수분함량 13% 내지 17% 사이로 건조한 후 껍질을 제거하였다. 껍질이 제거된 유칼립투스를 2cm 내지 4cm 크기로 분쇄하여 반응기에 투입하였다. 상기 투입 원료를 무산소 분위기에서 300℃ 내지 400℃의 온도에서 간접가열 방식으로 교반시키면서 가열하는 방식으로 16 시간 동안 열분해를 수행하였다. 그리고 상기 반응기를 다시 상온으로 자연 냉각시켜, 바이오차를 수득하였다.

1-2. 바이오차를 이용한 비료조성물의 제조

2007년 농촌진흥청 국립농업과학원에서 기준을 정한 원예용 상토인 K-Media에 실시예 1-1에서 제조한 바이오차를 5 중량% 첨가하여 본 발명의 바이오차를 이용한 비료조성물(하기 표 1 참조, 시험구)을 제조하였다.

[표 1]

K-Media는 상토관련 연구를 실시할 때 통상적으로 사용하는 대조 상토(코코피트:피트모스:질석:펄라이트 = 55:15:15:15의 중랑% 비율임)로, 이하 실험에서 상기 K-Media를 대조구로 사용하였다.

실시예 1. 비료조성물의 이화학적 특성 분석

상기 실시예 1-2에서 제조한 본 발명의 비료조성물의 이화학적 특성 및 유해성분 존재 여부를 (주)판코리아 농업환경과학연구소에 의뢰하여 분석하였다.

그 결과, 아래 [표 2]에 나타낸 바와 같이 공정규격에 적합한 비료조성물인 것으로 확인되었다. 또한, 본 발명의 비료조성물은 바이오차가 혼합되지 않은 대조구에 비해 pH 값이 0.46 높은 것으로 조사되어 대조구에 비해 중성이 가까운 특성을 보였고, 전기전도도 값이 0.14 dS/m 낮아 염류농도가 대조구에 비해 더 낮은 것으로 측정된 반면, 암모니아태질소와 질산태질소의 함량이 더욱 높은 것으로 나타났다. 또한, 용적밀도 값이 0.02(Mg/m³) 낮은 것으로 측정되어 공극률이 더 증가한 것으로 나타났다.

[표 2]

한편, 상토의 유해성분 분석결과, 작물의 성장을 제한하는 중금속 유해성분은 불검출되었고, Cu, Ni 및 Zn 성분도 공정규격 이하로 검출되었다.

[표 3]

실시예 2. 식물생육촉진 효과 확인

상기 실시예 1-2에서 제조한 본 발명의 바이오차를 포함하는 비료조성물(시험구)의 배추 육묘 시험에 따른 생육 및 피해 발생 여부 등을 검증였다. 배추 육묘 시험은 유리온실 내에서 실시하였고, 온도조건은 낮에는 20~35℃, 야간에는 10℃ 내외로 유지하였다. 엽장, 엽폭, 엽수, 엽록소, 및 건물중량(mg/주, 지상부, 지하부)의 항목에 대하여 조사를 실시하였고, 생육조사는 파종 후 10일에 처리구 당 25주 평균값으로 조사하였다.

그 결과, 실시예 1-2에서 제조한 본 발명의 바이오차를 함유한 비료조성물(시험구)에 배추 파종 후 10일째의 생육 변화를 살펴보면 본 발명의 바이오차가 첨가되지 않은 대조구에 비해 엽장과 엽폭이 각각 4%, 엽록소 함량은 5% 정도 증가하였고, 식물체 건물중량은 지상부와 지하부가 대조구보다 각각 5% 및 4% 정도 증가하는 결과를 나타내었다(도 1 내지 도 4 참조). 또한, 시험구에서 재배한 배추의 잎과 뿌리의 생육이 현저하게 좋은 것을 확인할 수 있었다.

[표 4]

상기 결과들을 종합하면, 본 발명의 바이오차를 포함하는 비료조성물에서 재배한 육묘는 육묘시험 전 기간에 걸쳐 배추의 황화, 위축, 오갈, 반점 등의 이상 증상과 잡초로 인한 피해는 발생되지 않았고, 파종 후 배추 육묘의 종합적인 생육 결과가 바이오차를 포함하지 않는 대조구와 비교하여 전반적으로 양호한 편이었으며, 식물체 지상부 및 지하부의 건물중량 변화에서도 각각 5% 및 4% 정도 증가하면서 뿌리 굵기가 굵어지고, 뿌리 길이도 길어지는 결과를 나타내어 작물 생육촉진 효과가 우수함을 확인할 수 있었다.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다.

따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (6)

1. 유칼립투스(Eucalyptus globulus)를 건조하는 단계;
   상기 건조된 유칼립투스를 박피하는 단계;
   상기 박피한 유칼립투스를 분쇄하는 단계;
   상기 분쇄한 유칼립투스를 탄화하여 바이오차를 제조하는 단계;를 포함하는 작물생장 촉진용 바이오차(biochar)의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 건조는 수분함량 10% 내지 20%로 건조하는 것을 특징으로 하는 작물생장 촉진용 바이오차(biochar)의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 분쇄는 2cm 내지 4cm의 분쇄물로 분쇄하는 것을 특징으로 하는 작물생장 촉진용 바이오차(biochar)의 제조방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 탄화는 상기 분쇄한 유칼립투스에 외부 가열원에 의한 간접가열 방식으로 무산소 조건에서 300℃ 내지 400℃의 온도로 탄화하는 것을 특징으로 하는 작물생장 촉진용 바이오차(biochar)의 제조방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 탄화는 상기 분쇄한 유칼립투스를 교반하면서 12 시간 내지 18 시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 작물생장 촉진용 바이오차(biochar)의 제조방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 작물생장 촉진용 바이오차(biochar)를 유효성분으로 포함하는 비료 조성물.

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