KR20240091541A - 동물분뇨의 암모니아 발생 저감용 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하이드로퀴논을 유효성분으로 포함하는 동물분뇨의 암모니아 발생 저감용 조성물에 관한 것이다.
Description
본 발명은 동물분뇨의 암모니아 발생 저감용 조성물에 관한 것이다.
국내 환경기초시설 및 축산부문에서 발생되는 악취들로 인해 주변지역 민원이 지속적으로 증가하고 있다. 또한, 악취를 발생시키는 대표적인 물질은 암모니아이며, 암모니아의 경우 미세먼지(PM2.5)를 발생시키는 주요 전구물질로 보고되고 있어, 체계적인 암모니아 배출관리가 필요한 실정이다.
현재 암모니아를 포함해 악취물질을 저감시키는 방법으로 미생물제제를 살포하는 방법을 적용하고 있으며, 시중에 등록되어 있는 미생물제제는 악취저감제 738품목(사료첨가제 80, 보조사료 658) 수준이며 관련 세계 시장은 2020년 기준 3천억 달러 수준으로 알려지고 있다.
미생물제제는 다양한 생균 종(Bacillus, Lactobacillus, Azospirillum, Pseudomonas, Streptomyces 등)을 사료에 투입하거나, 유기성폐기물의 저장 및 처리 시설에 살포하여 혼합미생물의 생태계 내 특정한 유용미생물의 우점을 유도하는 방법으로 발생된 악취물질의 분해 또는 생물학적 분해경로를 변경함으로써, 악취를 저감시키는 방법이다.
미생물제제의 살포는 기존 탈취설비와 비교하여 우수한 악취저감 효과가 있는 것은 물론, 설치비용 및 유지관리비용 등 경제적 측면에서도 매우 우수하다고 보고되고 있다. 또한, 농가에서 쉽게 적용할 수 있는 기술로 시군농업기술센터에서 무상으로 제공하고 있어, 널리 이용되고 있다.
그러나 미생물제제의 경우 악취제거 효율이 평균 30% 정도로 보고되고 있으며, 특히, 48시간 이상 지속성을 나타내는 미생물 제제는 전체 제품 중 29%로 보고됨으로써 그 효율성 및 지속성에 대한 의문이 제기되고 있다. 또한, 농가별로 다른 사육환경, 기상변화 및 제품 살포조건(방법, 주기, 양 등) 등으로 인해 악취저감 효과와 지속성에 차이가 있어, 미생물제제를 대체할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.
한편, 축산 내의 암모니아는 가축으로부터 배설된 요소를 요소분해효소(요소분해효소)가 분해하면서 발생한다. 요소분해효소의 활성도를 감소시키는 기술은 본래 토양 내 유기성 비료 살포시 토양 내 요소가 토착미생물로부터 생산된 요소분해효소에 의한 암모니아로 소실을 방지하기 위한 목적으로 연구가 진행되었고 그 효과가 검증되어 현재 미국과 유럽에서는 요소비료에 요소분해효소 억제제를 포함하여 제조 및 판매하고 있다.
요소분해효소 억제제는 다양한 메커니즘에 의해 요소가 암모니아로 전환하는 과정에서 요소분해효소의 활성을 방해하는 역할을 하며 그 중 요소 구조유사체(요소 structural analogues)는 요소분해효소와 유사한 구조로 이루어져 있으며 요소분해효소보다 선제적으로 요소에 결합되어 암모니아 전환을 방지할 수 있다고 알려져 있다.
그러나, 국내 환경기초시설 및 축산부문에서 발생하는 악취 및 암모니아 저감 기술의 개발이 미비하고, 축산 암모니아 발생 저감을 위한 요소 구조유사체의 단독/병합적용 시 외부 환경변화(pH, 온도 등)에 따른 최적화 및 효율 변화가 매우 중요한 요소이나 이에 대한 기술개발이 부족한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 요소분해효소의 활성을 낮추어, 요소의 암모니아 전환을 억제시킴으로써, 동물분뇨의 악취를 저감시킬 수 있는 동물분뇨의 암모니아 발생 저감용 조성물을 제공하는 데 있다.
일 양태에서 본 발명은 하이드로퀴논을 유효성분으로 포함하는 동물분뇨의 암모니아 발생 저감용 조성물을 제공한다.
본 발명에서 상기 동물분뇨는 돼지분뇨일 수 있다.
본 발명에서 상기 조성물은 요소분해효소의 활성을 억제하는 것일 수 있다.
본 발명에서 상기 조성물은 ℓ당 25~3,000㎎의 하이드로퀴논을 포함하고, 요소분해효소의 활성 억제효율이 80% 이상일 수 있다.
본 발명에서 상기 조성물은 ℓ당 250~3,000㎎의 하이드로퀴논을 포함하고, 요소분해효소의 활성 억제효율이 95% 이상일 수 있다.
본 발명에서 상기 조성물은 ℓ당 500~3,000㎎의 하이드로퀴논을 포함하고, 요소분해효소의 활성 억제효율이 90%이상일 수 있다.
본 발명에서 상기 조성물의 요소분해효소 활성 억제 지속 시간은 24~240시간일 수 있다.
다른 양태에서 본 발명은 전술한 조성물을 동물분뇨에 살포하여 동물분뇨의 암모니아 발생을 저감시키는 방법을 제공한다.
본 발명에서 상기 동물분뇨는 돼지분뇨일 수 있다.
본 발명에 따른 동물분뇨의 암모니아 발생 저감용 조성물을 이용하면, 요소분해효소의 활성을 억제함으로써, 미세먼지 전구물질인 암모니아의 생성을 억제하는 것은 물론, 유기성 폐기물에서 발생하는 악취를 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 하이드로퀴논이 요소분해효소의 활성을 저하시키는 과정을 계략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 실돈분에서의 암모니아 저감 효율을 측정하기 위한 요소분해효소 activity 돈분 슬러리양을 계산한 것이다.
도 2는 실돈분에서의 암모니아 저감 효율을 측정하기 위한 요소분해효소 activity 돈분 슬러리양을 계산한 것이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시형태에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 실시형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시형태에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
또한, 본 발명에서 수치와 관련하여 용어 “약(about)”, “대략(approximately)” 또는, 적어도(at least)와 같은 유사한 표현이 사용되는 경우, 해당 수치를 기준으로 ±10%, ±7%, ±5%, ±3%, ±2%, 또는 ±1%의 이론적, 실험적, 통계적, 또는 경험칙상의 오차가 허용되는 것으로 의도된다.
본 발명에 앞서 요소분해효소에 대하여 간단하게 설명하면, 요소분해효소는 요소 1 분자를 가수분해하여 2 분자의 암모니아(NH3)와, 1 분자의 탄산(H2CO3)을 생성한다. 즉, 축산 내 악취는 가축으로부터 배설된 요소 및 요산으로부터 요소분해효소 작용에 의해 암모니아가 생성되어 발생된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 요소분해효소의 활성을 낮추어, 축사 내 요소분해효소에 의해 요소가 암모니아로 전환되는 것을 억제하여 악취를 저감시킬 수 있는 동물분뇨의 암모니아 발생 저감용 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명에서 사용하는 용어 "HQ"는 하이드로퀴논을 의미한다.
일 양태에서 본 발명은 하이드로퀴논을 유효성분으로 포함하는 동물분뇨의 암모니아 발생 저감용 조성물을 제공한다.
본 발명에서 상기 동물분뇨는 돼지분뇨일 수 있다.
본 발명에서 동물분뇨의 암모니아 발생 저감용 조성물은 요소분해효소의 활성을 억제할 수 있다.
본 발명에서 동물분뇨의 암모니아 발생 저감용 조성물은 가축사육시설에 사용되어 동물분뇨에서 발생하는 암모니아의 발생을 저감시키는 것이 가장 바람직하나, 일예로 분뇨처리장, 축산폐수처리장, 음식물쓰레기 처리장, 폐기물 매립지, 쓰레기 매립지, 폐수처리장 등에도 사용될 수 있다.
본 발명에서 동물분뇨의 암모니아 발생 저감용 조성물은 기존의 가축사육시설 및 동물분뇨를 그대로 이용할 수 있어 추가적인 설비를 요하지 않아 경제적 및 효율적으로 악취를 제거할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에서 하이드로퀴논은 순수한 형태의 하이드로퀴논 뿐만 아니라 제조에 사용되는 합성방법 및 정제절차에 따라 50 % 미만, 특히 20 % 미만의 불순물을 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 조성물은 ℓ당 25~3,000㎎의 하이드로퀴논을 포함하고, 요소분해효소의 활성 억제 효율이 80% 이상일 수 있으며, 바람직하게는 ℓ당 250㎎~3,000㎎의 하이드로퀴논을 포함하고, 요소분해효소의 활성 억제효율이 95% 이상일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 ℓ당 500~3,000㎎의 하이드로퀴논을 포함하고, 요소분해효소의 활성 억제효율이 90%이상일 수 있다.
상기 조성물에 하이드로퀴논의 함량이 ℓ당 25㎎이면, 암모니아 발생 저감 효과가 미미하고, 3,000㎎을 초과하면 투입량 대비 기대효과에 미치지 못하는 문제점이 있다.
본 발명에서 동물분뇨의 암모니아 발생 저감용 조성물은 6~10 pH의 조건에서 우수한 요소분해효소의 활성을 억제할 수 있으며, 6~7 pH 조건에서 더욱 우수한 요소분해효소의 활성을 억제할 수 있다.
본 발명에서 동물분뇨의 암모니아 발생 저감용 조성물은 15~35℃의 온도에서 우수한 요소분해효소의 활성을 억제할 수 있으며, 25℃이하의 온도에서 더욱 우수한 요소분해효소의 활성을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에서 동물분뇨의 암모니아 발생 저감용 조성물의 하이드로퀴논 농도가 100㎎/ℓ이상 일 때 24 시간 동안 요소가 암모니아로 전환되는 효율을 10% 이하로 낮출 수 있으며, 하이드로퀴논의 농도가 250 ㎎/ℓ 이상이면 24시간 동안 요소가 암모니아로 전환되는 효율을 5% 이하로 낮출 수 있다.
다른 양태에서 본 발명은 전술한 조성물을 동물분뇨에 살포하여 동물분뇨의 암모니아 발생을 저감시키는 방법을 제공한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명의 구성 및 효과를 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
1. 재료의 준비
하이드로퀴논은 (Duksan, Korea) 구입하였으며, Potassium phosphate buffer (Duksan, Korea) 구입하였다.
요소분해효소(Jack bean urease, 2,100 units/g, Flisher scientific, USA) 및 요소는 (Duksan, Korea) 구입하였다.
실돈분은 세종시 농장(세종시 부강면 현제 농장)에서 입수하였다.
2. 시료의 준비
증류수 1ℓ에 하이드로퀴논(구입처 기재부탁드립니다.) 5, 25, 50, 100, 250, 500, 1,500 및 3,000㎎을 각각 투입하고 실온(25℃)에서 혼합하여 암모니아 발생 저감용 조성물을 제조하였다.
<시험예>
1. 농도에 따른 암모니아 발생 저감 효과 분석
250㎖ 세럼보틀에 PPB(Potassium phosphate buffer) 0.05M 50㎖를 주입하여 pH를 7.0으로 조절하였으며, 시료(농도: 5, 25, 50, 100, 250, 500, 1,500, 3,000㎎/ℓ)를 각각 주입하고, 요소분해효소 1,500㎎/ℓ, 요소1,500 ㎎/ℓ 각각 주입한 후 혐기성 조건을 위해 퍼징을 실시한 DI water로 working volume을 200㎖로 조절하고, 25℃ 항온수조에서 150rpm 교반을 실시하였고, 일정시간(0, 1, 24, 48h) 샘플링 후 50배 희석하여 Ion chromatography를 이용하여 농도 분석 실시하였다.
표 1은 실험 조건을 나타낸 것이고, 표 2는 암모니아 전환 억제율을 나타낸 결과이다.
표 1 및 2를 참조하면, 하이드로퀴논을 투입하지 않은 대조군의 경우 602㎎/ℓ의 암모니아가 발생되었으며, 암모니아 전환율은 70.9%인 것을 확인할 수 있었다.
이에 반해, 하이드로퀴논의 5㎎/ℓ 농도의 하이드로퀴논을 투입한 경우, 538㎎/ℓ의 암모니아가 생성되었고, 암모니아 전환율이 63.3%로 낮아졌으며, 대조군 대비 10.6%의 암모니아 전환 억제율을 나타내었다.
또한, 하이드로퀴논의 농도가 높아질수록 요소분해효소의 활성을 저하시키는 것을 확인하였으며, 이에 따라 암모니아 전환율은 저하되었다. 특히, 하이드로퀴논의 농도가 25㎎/ℓ부터 요소분해효소의 활성 억제 효율은 80% 이상을 나타내었다.
특히, 하이드로퀴논의 농도가 500㎎/ℓ ~3,000㎎/ℓ에서 암모니아 전환율이 극적으로 낮아졌고, 그에 따라 요소분해효소의 활성 억제 효율은 현저히 증가한 것을 확인할 수 있었다.
2. 온도 변화에 따른 암모니아 발생 저감 효과 분석
온도변화에 따른 암모니아 발생과 시료 사용시 암모니아 억제효과를 분석하였다.
250㎖ 세럼보틀에 PPB 0.05M 50㎖를 주입하여 pH를 7.0으로 조절하였으며, 시료 250㎎/ℓ, 요소분해효소 1,500㎎/ℓ, 요소 1,500㎎/ℓ 각각 주입하 후 혐기성 조건을 위해 퍼징을 실시한 DI water로 working volume을 200㎖로 조절한 다음, 15, 25, 35℃ 항온수조에서 150rpm 교반을 실시하였고, 일정시간(0, 1, 24 및 48) 샘플링 후 50배 희석하여 Ion chromatography 농도 분석 실시하였다.
하기의 표 3은 실험 조건을 나타낸 것이고, 표 4는 그 결과를 나타낸 것이다.
표 3 및 4를 참조하면, 대조군의 경우 15℃에서 35℃로 온도가 증가할수록 암모니아 발생율이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 시료 250㎎/ℓ의 주입 후에도 온도의 증가에 따라 암모니아 발생은 20㎎/ℓ(15℃)~42㎎/ℓ(35℃)로 증가하였으나, 대조군 대비 크게 감소한 것을 확인할 수 있었다.
3. pH에 변화 따른 암모니아 발생 저감 효과 분석
pH 변화에 따른 암모니아 발생과 시료의 사용시 암모니아 전환 억제효과를 분석하였다.
250㎖ 세럼보틀에 PPB 0.05M 50㎖를 주입하여 pH를 6, 7, 8, 9 및 10으로 변화를 주어 조절하였으며, 시료 250㎎/ℓ, 요소분해효소 1,500㎎/ℓ, 요소 1,500㎎/ℓ 각각 주입한 후 혐기성 조건을 위해 퍼징을 실시한 DI water로 working volume을 200㎖로 조절한 다음, 25℃ 항온수조에서 150rpm 교반을 실시하였고, 일정시간(0, 1, 24 및 48h) 샘플링 후 50배 희석하여 Ion chromatography 농도 분석 실시하였다.
하기의 표 5는 실험 조건 및 결과를 나타낸 것이다.
표 5를 참조하면, 대조군의 경우 pH 6~10 일 때 519㎎/ℓ~586㎎/ℓ의 암모니아가 발생하였다.
반면, pH 6~10 일 때 시료의 주입 시 11㎎/ℓ~46㎎/ℓ의 암모니아 발생을 확인하였으며, 요소로부터 암모니아로의 전환율은 1.2%~5.5%인 것을 확인할 수 있으며, 대조군 대비 요소분해 효소의 활성 억제 효율은 92.2%~98.0%인 것을 확인할 수 있다.
결과적으로, 본 발명의 조성물은 pH 6~10에서 요소분해 효소의 활성을 92.2~98.0% 억제하는 것을 확인할 수 있다.
4. 요소의 농도 변화 따른 암모니아 발생 저감 효과 분석
250㎎/ℓ 시료 고정 주입 시 요소의 농도 변화에 따른 암모니아 발생 억제 효과를 분석하였다.
250㎖ 세럼보틀에 PPB 0.05M 50㎖를 주입하여 pH를 7로 변화를 주어 조절하였으며, 시료 250㎎/ℓ, 요소분해효소 1,500㎎/ℓ, 요소 500, 1,000, 2,000 및 4,000㎎/ℓ 각각 주입한 후 혐기성 조건을 위해 퍼징을 실시한 DI water로 working volume을 200㎖로 조절한 다음, 25℃ 항온수조에서 150rpm 교반을 실시하였고, 일정시간(0, 1, 24 및 48h) 샘플링 후 50배 희석하여 Ion chromatography 농도 분석 실시하였다.
하기의 표 6은 그 결과를 나타낸 것이다.
표 6을 참조하면, 대조군의 경우 요소의 농도가 증가할수록 210.6㎎/ℓ(500㎎/ℓ)~1,261.6㎎/ℓ(4,000㎎/ℓ)의 암모니아를 발생시키는 것을 확인할 수 있다.
그러나, 시료 250㎎/ℓ 주입 시 요소의 농도가 증가할수록 암모니아 발생은 증가하였으나, 요소분해효소의 활성 억제효율이 오히려 증가하는 반대의 경향을 나타내었다.
5. 지속성 평가
시료 1회 주입시 지속성을 분석하였다.
250㎖ 세럼보틀에 PPB 0.05M 50㎖를 주입하여 pH를 7로 변화를 주어 조절하였으며, 시료 250㎎/ℓ, 요소분해효소 1,500㎎/ℓ, 요소 1,500㎎/ℓ 각각 주입한 후 혐기성 조건을 위해 퍼징을 실시한 DI water로 working volume을 200㎖로 조절한 다음, 25℃ 항온수조에서 150rpm 교반을 실시하였고, 일정시간(48, 72, 120, 144, 168, 192 및 240h) 샘플링 후 50배 희석하여 Ion chromatography 농도 분석 실시하였다.
하기의 표 7은 결과를 나타낸 것이다.
표 7을 참조하면, 암모니아 발생 억제율이 70%이상 유지하는데 250㎎/ℓ 농도의 시료가 240시간으로 가장 오래 지속되었으며, 다음으로 100㎎/ℓ(168h)>50㎎/ℓ(120h)>25㎎/ℓ(48h) 순으로 나타났다. 즉, 시료의 농도가 증가할수록 지속효과가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
6. 돈분에서의 암모니아 억제 효과 분석
돈분에서의 암모니아 억제 효과를 분석하였다.
250㎖ 세럼보틀에 PPB 0.05M 50㎖를 주입하여 pH를 7로 변화를 주어 조절하였으며, 시료 250㎎/ℓ, 실돈분 3.6㎖, 요소 1,500㎎/ℓ 각각 주입한 후 혐기성 조건을 위해 퍼징을 실시한 DI water로 working volume을 200㎖로 조절한 다음, 25℃ 항온수조에서 150rpm 교반을 실시하였고, 일정시간(0, 24, 48, 96, 144, 288 및 336h) 샘플링 후 50배 희석하여 Ion chromatography 농도 분석 실시하였다.
실돈분:증류수=2:1로 혼합 후 체에 걸려 최대한 고르게 하여 사용하였다. 실돈분뇨 속 요소는 빠르게 분해가 된 상태로 추가적으로 요소 1,500㎎/ℓ를 주입하여 암모니아 발생량을 측정하였다. 실돈분의 양은 사전 실험 도 2를 통해 요소분해효소 1,500㎎/ℓ 해당하는 요소분해효소 activity 돈분 슬러리양(3.451㎖/200㎖)을 구해 주입하였다.
하기의 표 8은 시험조건을 나타낸 것이고 표 9는 그 결과를 나타낸 것이다.
표 8 및 9를 참조하면, 실돈분에서 대조군(48~144시간)은 773.1~784.3 ㎎/ℓ의 암모니아를 발생시키는 것을 확인할 수 있다. 반면, 시료(48~144시간) 250㎎/ℓ 주입 시 68.0~120.5㎎/ℓ의 암모니아가 발생되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 조성물을 통해 실돈분에서 암모니아의 발생을 저감시킬 수 있는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 조성물을 실돈분에 살포하는 경우 144시간 동안 암모니아 전환 효율을 14.2% 이하로 억제하는 것을 확인할 수 있다.
Claims (9)
- 하이드로퀴논을 유효성분으로 포함하는 동물분뇨의 암모니아 발생 저감용 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 동물분뇨는 돼지분뇨인, 동물분뇨의 암모니아 발생 저감용 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 조성물은 요소분해효소의 활성을 억제하는 것인,
동물분뇨의 암모니아 발생 저감용 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 조성물은 ℓ당 25~3,000㎎의 하이드로퀴논을 포함하고,
요소분해효소의 활성 억제효율이 80% 이상인 것, 동물분뇨의 암모니아 발생 저감용 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 조성물은 ℓ당 250~3,000㎎의 하이드로퀴논을 포함하고,
요소분해효소의 활성 억제효율이 95% 이상인 것, 동물분뇨의 암모니아 발생 저감용 조성물. - 제1항에 있어서
상기 조성물은 ℓ당 500~3,000㎎의 하이드로퀴논을 포함하고,
요소분해효소의 활성 억제효율이 90%이상인 것, 동물분뇨의 암모니아 발생 저감용 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 조성물의 요소분해효소 활성 억제 지속 시간은 24~240시간인, 동물분뇨의 암모니아 발생 저감용 조성물. - 제1항 내지 제7항의 조성물을 동물분뇨에 살포하여 동물분뇨의 암모니아 발생을 저감시키는 방법.
- 제8항에 있어서,
상기 동물분뇨는 돼지분뇨인, 방법.
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| KR102180753B1 (ko) | 2020-06-23 | 2020-11-19 | 주식회사 상우바이오 | 효소활성수를 이용한 가축분뇨 소멸화 방법 및 이를 이용한 퇴비 제조방법 |
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