KR20230053207A - 생물 제재를 활용한 고함량 비료의 자동 살포 전용 친환경 비료의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 맹독성 원료인 아주까리박을 대체한 CJ 핵심원료를 이용하여 개량된 공정을 거친 친환경 고함량 비료를 양산하는 공정을 말한다. 원료 입자의 미세화와 정교한 원료 개량, 정밀한 배합, 펠렛 성형 시 스팀 첨가, (품온 상승에 의한 조리, 숙성) 펠렛 다이 직경 3mm로 교체 등으로 개발 생산한 제품은 고함량 (NPK+MgO: 14이상)과 유기물이 풍부한 비료를 공인기관 분석으로 검정되었다. 또한 압축 경도와 직경이 충족되어 자동살포기에 적합한 비료로 개발된 기술이다.
Description
독성물질인 리신이 다량 함유된 아주까리 박을 배제하고 친환경 원료만 사용하여 고함량 비료를 제조하기 위한 핵심원료 사용 및 성형을 위한 전분박 등을 사용하여 성형화하는 프로세스
기술개발의 목표는 ‘농업 생산성 감소 및 환경오염 문제 극복을 위한 스마트 농업 최적화 친환경 비료의 개발 및 산업화’이다. 최근 농촌 노동력의 양과 질의 감소(코로나19에 따른 외국인 노동자 감소)로 인해 농업 생산성이 급감하는 문제가 발생하고 있고, 독성물질이 함유된 기존 비료로 인해 환경오염 문제가 대두되고 있다. 상기 문제들을 극복하기 위해 첫째, 인간의 노동력 소모를 절감하는 스마트 농업에 최적화된 비료를 개발하고, 둘째, 독성물질이 제거되어 환경친화적인 비료의 개발이 필요한 실정이다. 이와 같이 스마트 농업에 최적화됨과 동시에 독성물질이 제거된 친환경 비료를 개발하는 것을 주요 목표로 삼고, 최종적으로 농가 소득을 증대시키고 농촌 사회의 지속 가능한 성장을 도모하고자 한다.
구체적으로 현존 유기복합비료는 N-P-K 함량이 낮고(4-2-1, 합이 7) 자동 살포에 부적합(펠렛 직경이 굵음)하며, 독성물질이 다량 내포되어 있는 등의 문제점을 가지고 있다. 이를 극복하기 위해, 본 기술개발은 N-P-K 전량 12 이상 / 유기물 함량 70% 이상 / 고토 함량 1.5% 이상 / 입자크기 3mm / 경도 유지 5° 이상 kg/cm² / 독성 물질이 제거 및 스마트 농업에 최적화된 환경친화적인 비료를 개발하고, 공정 도입을 통해 개발한 제품을 대량 양산화하고자 한다.
< 그림-1 > 기술 개발 배경
1. 기술 개발 선행 준비
당사는 2014년 설립 이후 다양한 유기질 비료를 개발하여 시판 중으로 본 기술개발을 위한 준비가 완비되었다. 혼합유기질 펠렛(4-2-1,4.5mm)은 2014년, 유기복합그래뉼(12-3-3, 3mm)은 2017년에 개발 완료하여 시중에 판매 중이다.
또한, 산업위기 지역인 전남 영암에 비료공장과 생산 설비를 완비하여 2019년에 생산허가를 득하였으며, 해당 공장에서 생산된 다양한 비료(혼합 유기질 비료, 유기 복합비료, 측조비료 등)의 생산 등기를 2020년에 득하였다.
본 기술개발의 핵심원료는 유기물 함량이 풍부함과 동시에, 스펙이 높은 핵심원료를 수급하는 것이다. 당사는 해당 핵심원료를 공급하는 CJ와 공동 연구 개발하여 국내에서 독점으로 수급 중이다.
| 항 목 | 아주까리박 | CJ 핵심원료 | 참조 |
| N | 4.9 | 18.7 | 조단백 117 |
| P | 1.95 | 0.16 | |
| K | 1.24 | 0.51 | |
| 유기물 | 78.79 | 95.96 | |
| 출 처 | 월간 원예 | AT 분석센타 |
(단위: %)
N: 질소, P: 인, K: 칼륨, 유기물: 기타 다량원소(칼슘, 마그네슘, 규소 등)와 미량원소 유기물
2. 기존 제품(유기복합비료) / 기술의 문제점
낮은 제품(N-P-K 함량 합8~9)으로 인해 동일 농지에 더 많은 비료를 투입해야하며, 많은 노동력이 소요된다.
분말 함량이 많고, 입상 크기가 4mm 이상에 불규칙하여 자동살포기를 활용하거나 드론살포시 비료 토출구의 막힘 현상이 자주 발생하여 비효율적이고 부적합하다.
주원료로 아주까리박을 사용중으로 N-P-K 합은 도달하지만 원료 특성상 독성 문제로 인해 사용이 제한되고 있다.
3. 개발 제품의 차별성, 목표
최대한 높은 스펙(N-P-K+Mgo 전량합이 14% 이상, 유기물 70% 이상, 수분 14% 이하)으로 설계하여 적은 비료 투입량으로도 높은 효과를 내는 것을 목표로 하였다.
환경에 악영향을 끼치는 리신이 검출되지 않도록 아주까리박을 사용하지 않는 것을 목표로 하였다.
분말이 적고 입상 크기가 3mm를 유지하면서 압축 강도를 강화하여 자동살포나 드론시비가 가능하도록 목표를 달성하여 과제의 해결 수단을 완성하겠다.
본 기술개발은 상기 언급된 문제들을 해결하고자 다음과 같은 방안을 고안하였다.
1) 스펙이 낮은 퇴비, 혼합유기질비료를 배제한다.
2) 환경오염 문제가 심각한 화학비료를 배제한다.
3) 유기복합비료를 선정한다.
4) 법령 및 가용 원료 범위 내 가장 높은 함량 (N-P-K 12 이상)으로 설계한다.
5) 자동살포에 적합하도록 입자를 작게 제형화한다. (3mm)
6) 독성물질인 아주까리박을 배제한 우수 유기질 원료를 포함하고자 한다.
스마트팜의 자동살포에 적합하도록 비료 입자의 크기와 영양분이 균일하고 적은 양으로도 효과가 우수한 친환경 고성능 유기비료를 제조함으로써 농업 자동화를 통한 노동력 감소와 비용 감소를 기대할 수 있다. 또한, 리신 성분을 저감시킴으로써 독성 위험을 낮춘 비료를 생산할 수 있다. 비료의 입상 크기 또한 작으므로 드론살포시 비료 토출구의 막힘 현상이 없을 것으로 기대된다.
*정 선: 로타리와 스크린 종류. 로타리 정선기는 원료의 다양한 이물질 제거
* 스크린 정선기: 펠렛 제품의 균일하고 청결함을 유지 즉 덩어리와 가루 제거
*분쇄기: 원료의 분쇄
*혼합기: 여러 종류의 원료를 정밀하게 배합
*컨디셔너: 원료와 스팀의 혼합을 통한 조리
* 펠렛 밀: 입상 형태로 성형 즉 제형화
* 냉각기: 열기와 수분 14%이상의 성형물을 풍력으로 수분 14%이하로 낮추는 장치
* 포장: 중량의 소포장화
* 스크린 정선기: 펠렛 제품의 균일하고 청결함을 유지 즉 덩어리와 가루 제거
*분쇄기: 원료의 분쇄
*혼합기: 여러 종류의 원료를 정밀하게 배합
*컨디셔너: 원료와 스팀의 혼합을 통한 조리
* 펠렛 밀: 입상 형태로 성형 즉 제형화
* 냉각기: 열기와 수분 14%이상의 성형물을 풍력으로 수분 14%이하로 낮추는 장치
* 포장: 중량의 소포장화
[배합비 부분]
배합비면에서, 유기질 비료 회사들이 가장 많이 사용하는(50% 내외) 아주까리박은 N 함량이 3.8~5로 비교적 낮고 리신이라는 독성이 포함되어 있으므로, 이를 대체하여 N 함량이 높은(17.5~19) CJ 핵심원료에 기타 식물성 유박 등 성형 증강원료를 사용하여 최종적으로 N 함량을 9 이상으로 높이고, 유기비료에 사용 가능한 골분, 기타 식물성 박 등으로 보완하였다. 또한, 투입되는 유기원료는 유기물 함량이 70%를 초과하는 원료 위주로 선발하여, 아주까리박과 같은 유해한 원료를 배제하고 유기물 함량이 높은 환경친화적인 비료 완제품 생산을 목표로 하였다.
고함량비료제품 개발에 다양한 원료가 사용이 된다면 최소비용 배합비가 가능하고 설계 기준치에 적합한 배합비(안)를 도출할 수 있다. 그 방안으로 다량의 원료빈을 마련(26기)하였다.
또한, 단순히 다양한 원료의 사용에 그친다면 균일한 제품의 대량 양산이 어렵고 Loss에 의한 원가 상승의 문제가 발생할 수 있다. 이에 개별 원료빈의 입출고량 및 재고량을 정밀측정하여 제품 품질의 균일화와 원가 관리를 도모하는게 중요하다.
배합비 조정 및 개선
1) 해결방안
과제 목표인 NPK 12 + MgO 1.5 달성을 위해, 다양한 스펙 원료의 배합이 필요하다.
단순 고 스펙 뿐 아니라, 독성 물질이 함유되지 않은 친환경 원료로써 유기물 함량이 풍부한 원료를 선정하고 배합하는 것이 핵심 성공 요인이다.
이를 위해 유기복합비료의 주원료로 주로 사용되었던 아주까리박(피마자박)을 전면 배제하였고, CJ 핵심원료를 비롯한 다양한 원료의 배합비 설계와 실험 생산을 진행하였다.
생산된 제품은 공인 인증기관에서 반복 실험을 통해 함량을 검증하였다.
2) 추진 방법 및 내용
1차 배합비를 설계하였다.
가. 배합비 설계 원칙
- 아주까리박(피마자박)은 전면 배제하였다.
- 펠렛 결착 및 유기물 공급을 위해 섬유질 소스를 추가하였다.
- 전분박, 두부박, 아미노산박 등 다양한 부산물 원료를 사용하였다.
- CJ 핵심원료의 사용량 한계 측정을 도모하였다.
나. 1차 배합비
| 원료명 | % |
| CJ원료 | 36.0 |
| 미강 | 3.3 |
| 당밀 | 1.5 |
| 버섯배지 | 5.0 |
| 계분 | 5.0 |
| 전분박 | 20.0 |
| 두부박 | 1.2 |
| 아미노산박 | 10.0 |
| NPK | 1.2 |
| 관석 | 7.9 |
| 유박 | 3.0 |
| 고토 | 2.2 |
| 초목회 | 2.0 |
| K | 1.7 |
1차 배합비를 기본으로 각 원료의 첨가량을 증감할 경우 원활
가. 실험 목적
- 1차 배합비를 기본으로 각 원료의 첨가량을 증감할 경우, 원활한 생산이 가능한지 여부를 확인코자 하였다.
- CJ 원료의 최대 사용치를 산정하는 것이 주목표 중 하나였다.
- 성형이 쉬운 4mm부터 시작하여, 점차적으로 3mm 성형으로 발전/개선을 목표로 하였다.
나. 실험 방법
- 초기 배합비 10가지 선정 후 펠렛 성형이 가능한지 실험하였다.
- 같은 배합비의 부형제를 고정하고 CJ 핵심원료의 첨가량을 20%에서 40%까지 증감하여 펠렛 성형을 시도하였다.
다. 실험 결과
- CJ 핵심원료를 30% 이상 투입 시 펠렛 성형은 가능하였으나, 분진 발생이 증가하여 성형에 애로가 있었다.
- 해결 방안으로, ① CJ 원료는 30% 이하로 고정하고, 대신에 부형제의 N-P-K 함량을 증가 ② CJ 원료를 30~40% 배합하되, 성형 협조값이 높은 부형제의 사용량을 증가하는 두 가지 방안을 고려하였다.
- 4mm 성형이 안정화된 후, 3mm 성형의 추진을 목표로 하였다.
2차 배합비를 설계하였다.
가. 배합비 설계 원칙
- CJ 원료의 투입량을 30%로 제한하였다.
- 스펙 충족을 위해 계분과 박류의 함량을 증가하였다.
- 결착력 증대를 위해 ATP를 1.5% 추가하였다.
나. 2차 펠렛 배합비
| 원료명 | % |
| CJ원료 | 30.3 |
| 아미노산박 | 10.0 |
| 버섯배지 | 11.0 |
| 건조 계분 | 15.1 |
| 카사바박 | 18.0 |
| 기타 박류 | 10.0 |
| 고토 | 2.6 |
| 초목회 | 1.0 |
| 염화카리 | 0.05 |
| ATP | 1.5 |
2차 배합비를 기반으로 3mm 펠렛 실 생산 실험을 하였다.
가. 실험 목적
- 2차 배합비를 기본으로 과제 목표인 3mm 펠렛의 원활한 생산이 가능한지 여부를 확인코자 하였다.
- 성형이 쉬운 4~4.5mm 펠렛 대비 3mm 펠렛 성형의 수율 확인을 목표로 하였다.
- 성형이 쉬운 4-2-1 비료 대비 과제 목표인 9-1-2 비료의 생산 수율 확인을 목표로 하였다.
나. 실험 방법
- 3mm와 4.5mm는 동일 배합비로 생산하였다.
- 각 실험은 연속 20분간 생산하였다.
다. 실험 결과
| 비종 | 3mm | 4.5mm |
| 4-2-1 | 735 kg | 2,891 kg |
| 9-1-2 | 627 kg | 1,977 kg |
- 9-1-2 제품이 4-2-1 제품 대비 생산 수율은 다소 저조했으나, 스펙이 높은 고부가가치/고가격 제품이므로 제품화에 충분한 생산 수율로 판정하였다.
- 3mm 제품이 4.5mm 제품 대비 생산 수율이 전반적으로 기대에 못 미치는 결과가 나왔으므로, 향후 스팀 사용량 / 압력 조절 / 펠렛 다이 개선 등 다양한 test를 통한 수율 개선이 필요하다.
3) 생산 제품 성능 측정
가. 비료 제품의 함량
에이티 분석센타 등 국가공인 인증기관에서 생산된 제품 샘플 5건의 함량을 측정하였다.
세부지표를 모두 100% 충족하여 개발 제품의 성능이 확인되었다.
| 주요 성능 지표 | N1 | N2 | N3 | N4 | N5 | 평균 | |
| N | 9.34 | 9.61 | 9.73 | 9.95 | 10.01 | 9.72 | 합 14.94 |
| P | 1.38 | 1.37 | 1.18 | 1.30 | 1.02 | 1.25 | |
| K | 3.64 | 1.91 | 2.31 | 1.81 | 1.73 | 2.28 | |
| MgO | 1.86 | 1.77 | 1.66 | 1.66 | 1.54 | 1.70 | |
| 유기물 | 78.08 | 79.35 | 78.40 | 80.24 | 79.13 | 79.04 | |
| 분석처 | AT분석센타 | 비토분석센타 | AT | 비토 | AT | ||
| 접수일 | 9.2 | 7.20 | 7.19 | 7.27 | 7.27 | ||
(단위: %)
[공정 부분]
배합공정 면에서, 펠렛 성형이 어려운 핵심원료의 단점을 보완하기 위하여 식물성유박 (유박, 미강 등)을 비율을 달리하여 사용하여, 이상적인 배합비율을 연구하였다. 이를 통해 비료의 입상 크기를 3mm로 균일화하여 자동살포 시 토출구의 막힘현상을 방지하여 일반적인 자동살포기와 드론 등 대부분의 자동살포기에 매우 적합하도록 제작하는 것을 목표로 하였다.
공정 부분에서 목표 당성하기 위한 핵심 3mm 직경의 펠렛 성형화, 그리고 펠렛 성형의 경도 증강을 목표로 하였다.
펠렛 성형 공정도
2. 해결 방안
1) 가공의 제형화
10여 종류의 원료를 혼합, 배합하는 데 있어서 기존의 수동계량, 수동혼합의 형태로 고함량 친환경 비료 생산에 애로점이 많아 정밀하고 정교한 시설이 요구되는 바, 시설을 보완하여 펠렛 경도도 유지되고 3mm 입제 생산을 시도하고 시스템을 아래와 같이 갖추었다.
| 공정도 | 기존 | 개선 및 신설 |
| 원료 보관 | 톤백, 벌크 및 소포장 | 로드셀 부착된 26기 원료빈 보관 |
| 개량 | 각각 개량 후 페로다로 조배합 | 마이너스 개량(자동화) |
| 배합 | 더불스크류 호퍼 | 무중력 믹서기(2톤) = 1분 내외로 혼합 |
| 정선기(로타리) | 10mm 스크린 | 10mm 스크린 |
| 분쇄기 | 100마력 4mm 스크린 | 100마력 3mm 스크린 |
| 컨디셔너 | 스팀무첨가 그대로 패스 | 1Bar내의 스팀 공급, 온도 80℃ 유지 |
| 펠렛 밀 | 다이 직경 4.0mm 두께 45mm(릴리프 20mm, 두께 25mm) 다이 사용량: 무한정 300마력, 150마력 두 대 |
다이 직경 3.0mm 두께 50mm(릴리프 20mm, 두께 30mm, 각도 60°) 다이사용량:5,000톤미만 300마력, 150마력 두 대 향후 50→55mm다이 변경 검토 |
| 냉각기 | 10톤 용량 Counter Flow Type |
10톤 용량 Counter Flow Type 수분 14% 이하 유지 |
| 스크린 정선기 | 상단 10mm 스크린 하단 3mm 스크린 |
상단 10mm 스크린 하단 2mm 스크린 |
| 포장 | 10, 15, 20kg 포장 | 10, 15, 20kg 포장 |
2) 결과
(1) 제형 검증
공정을 통해 생산된 펠렛의 입자도와 경도의 검정
가. 입자도 검증
국가공인기관인 AT 분석 센타에 의뢰해서 사료 100g을 3mm 체에 투입하여 시료의 90%가 통과하는 테스트를 통해 확인하였으며, 결과는 다음과 같다.
| 분석항목 | 시료 구분 | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| +3mm(%) | 8.86 | 9.23 | 7.97 | 9.31 | 8.86 |
| -3mm(%) | 91.14 | 90.77 | 92.03 | 90.69 | 91.14 |
국가공인기관 분석 이외에 자체 측정을 추가적으로 진행하였다. 생산된 제품 샘플 5건의 펠렛 직경을 버니어 캘리퍼스로 측정하였다. 결과는 아래표와 같다. 분석 결과, 목표하는 입자도 크기를 100% 충족하였다.
| 횟수 빈도수 |
측1 | 측2 | 측3 | 측4 | 측5 |
| 1 | 3.05 | 3.05 | 3.0 | 3.0 | 3.1 |
| 2 | 3.05 | 3.10 | 3.1 | 3.0 | 3.0 |
| 3 | 3.0 | 3.0 | 3.0 | 2.95 | 3.0 |
| 4 | 3.0 | 3.0 | 2.95 | 2.95 | 3.2 |
| 5 | 3.05 | 3.15 | 3.0 | 3.0 | 2.9 |
| 6 | 3.0 | 2.9 | 3.1 | 2.9 | 2.95 |
| 합계 | 18.15 | 18.20 | 18.15 | 17.80 | 18.15 |
| 평균 | 3.02 | 3.03 | 3.02 | 2.97 | 3.02 |
나. 비료제품의 압축강도 검증
생산된 제품 샘플 5건의 압축 강도를 디지털 경도계로 측정하였다. 결과는 아래표와 같다. 세부지표를 모두 100% 충족하여 기술개발 제품의 성능이 확인되었다.
| 횟수 빈도수 |
측1 | 측2 | 측3 | 측4 | 측5 |
| 1 | 9.09 | 9.63 | 6.31 | 5.30 | 8.94 |
| 2 | 3.37 | 6.43 | 9.80 | 4.30 | 3.67 |
| 3 | 3.29 | 8.28 | 4.58 | 8.21 | 4.82 |
| 4 | 7.26 | 6.06 | 4.76 | 3.98 | 5.13 |
| 5 | 3.54 | 3.11 | 6.59 | 5.78 | 5.29 |
| 6 | 14.92 | 4.33 | 4.46 | 4.21 | 6.01 |
| 7 | 6.19 | 7.85 | 2.70 | 3.14 | 4.12 |
| 8 | 5.45 | 3.19 | 3.62 | 4.46 | 3.47 |
| 9 | 5.78 | 4.60 | 5.01 | 4.57 | 3.39 |
| 10 | 4.50 | 3.60 | 7.46 | 4.31 | 4.28 |
| 제외 (최대 · 최소) |
3,6번 제외 | 1,5번 제외 | 2,7번 제외 | 3,7번 제외 | 1,9번 제외 |
| 합계 | 45.18 | 44.34 | 42.79 | 36.91 | 37.59 |
| 평균 | 5.64 | 5.54 | 5.35 | 4.61 | 4.70 |
Claims (1)
- 생물제제를 활용한 고함량의 자동 살포전용 친환경 비료의 제조방법
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210136480A KR20230053207A (ko) | 2021-10-14 | 2021-10-14 | 생물 제재를 활용한 고함량 비료의 자동 살포 전용 친환경 비료의 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210136480A KR20230053207A (ko) | 2021-10-14 | 2021-10-14 | 생물 제재를 활용한 고함량 비료의 자동 살포 전용 친환경 비료의 제조방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230053207A true KR20230053207A (ko) | 2023-04-21 |
Family
ID=86098546
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210136480A KR20230053207A (ko) | 2021-10-14 | 2021-10-14 | 생물 제재를 활용한 고함량 비료의 자동 살포 전용 친환경 비료의 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20230053207A (ko) |
-
2021
- 2021-10-14 KR KR1020210136480A patent/KR20230053207A/ko not_active Application Discontinuation
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