KR101064458B1 - 돌로마이트를 시드로 하는 토버모라이트 수화물 미생물 담체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 토양개량용 미생물 제제 - Google Patents

돌로마이트를 시드로 하는 토버모라이트 수화물 미생물 담체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 토양개량용 미생물 제제 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지력이 쇠약한 토양과 과다한 시비로 인하여 염류장애가 발생한 토양을 개량할 수 있는 미생물 담체에 관한 것이다. 즉, 칼슘분, 마그네슘분을 공급할 수 있는 돌로마이트에 인공적으로 합성한 무수한 기공의 토버모라이트 결정 수화물을 합성하여 코팅 혼합된 소재를 제조한 다음, 미생물이 활용할 수 있는 유기펄프 섬유와 유기 결합제를 이용하여 상온에서 경화시킨 다공성의 미생물 담체에 관한 것이다.

Description

돌로마이트를 시드로 하는 토버모라이트 수화물 미생물 담체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 토양개량용 미생물 제제{Tobermorite hydrated microorganism carrier with seeded dolomoite, the process of manufacture of it and a soil conditioner using the microorganism carrier}
본 발명은 지력이 쇠약한 토양과 과다한 시비로 인하여 염류장애가 발생한 토양을 개량할 수 있는 미생물 담체에 관한 것이다. 즉, 칼슘분, 마그네슘분을 공급할 수 있는 돌로마이트에 인공적으로 합성한 무수한 기공의 토버모라이트 결정 수화물을 합성하여 코팅 혼합된 소재를 제조한 다음, 미생물이 활용할 수 있는 유기펄프 섬유와 유기 결합제를 이용하여 상온에서 경화시킨 다공성의 미생물 담체에 관한 것이다.
비료를 사용한 농업의 발달과 이에 따른 작물 생산량의 증가로 지구상의 수많은 인류는 삶을 영위할 수 있었다. 그러나 과도한 시비로 인하여 과잉의 비료성분은 불용성염으로 토양에 축적되고, 식물이 성장할 수 없는 염류장애를 일으키게 된다.
장기간 식물의 양적인 생산을 위해 사용한 화학 비료와 농약의 과다시비는 지력를 상당히 쇠퇴시키고 토양을 산성화 시킨다. 또한, 지력이 쇠퇴한 토양에서 재배한 작물은 칼슘분, 마그네슘분 등의 필수 미량 광물질이 부족한 상태이다.
특히, 온실재배의 경우는 작물환경의 온도가 일반 외부 토양보다 높아서 수분의 증발과 더불어 표토에 염분이 과도하게 집적되어 재배가 불가능한 경우도 많다.
또한, 산성강우와 염류장애로 인하여 토양은 산성화되고 있으며 토양의 산성화로 인한 수소이온(H+) 농도증가는 토양을 구성하고 있는 알루미늄함유광물의 용해도를 증가시킨다. 고농도의 수소이온은 식물뿌리를 상하게 하고, 병충해를 약하게 하여 성장부진 및 고사를 초래한다. 또한, 고농도의 수소이온은 토양중의 알루미늄의 용출을 촉진시키게 된다. 알루미늄(Al)은 토양으로부터 칼륨(K), 칼슘 (Ca), 마그네슘(Mg) 등을 용탈(溶脫)시키며 P(인)의 식물흡수를 방해하고 뿌리의 성장을 저해시킨다. 일반적으로 산성토양에서 식물은 수소이온(H+)의 독성뿐만 아니라, 알루미늄의 독성이 복합적으로 작용하여 성장이 부진하다.
이를 해결하기 위하여 표토부분을 제거하고 양질의 흙으로 객토를 하여야 하는 실정이고, 이런 환경에서 재배한 작물은 상태가 양호하지 않고 각종 병에 걸리기 쉬워 농약과 비료를 다시 사용해야 하는 악순환이 반복되고 있다.
이와 관련하여 미생물을 이용하여 유기물을 분해하고 토양의 오염물질을 제거하는 특허들이 출원되어 있다.
한국특허 등록번호 10-0302019은 악취 및 휘발성 유기화합물의 생물학적 처리용 담체를 제조하는 방법으로서, 석회질 원료 5~50중량%와 규산질원료 15~60중량%가 주성분인 화합물과, 미생물의 영양분의 공급원으로 피트모스(peat mosss), 컴포스트(compost), 우드바크(wood bark), 톱밥, 활성탄, 왕겨 그리고 효모 추출물에서 선택한 1종이상의 유기물질과 인, 칼륨, 철, 망간의 영양분을 첨가시켜 제조한 혼합물을 고온, 고압하에서 가압 수열 양생시킴으로써 미생물이 성장에 필요한 영양분을 포함하도록 하고 있다. 그러나 용도가 대기오염물질 배출시설 및 생활 악취 배출시설등에서 발생하는 악취 및 휘발성 유기화합물의 생물학적 처리용 담체로서 한정되어 있다. 또한, 이와 같은 한국특허 등록번호 10-03021019의 경우 미생물 영양분을 150~190℃로 처리함으로서 유기물의 분해, 증발, 등에 의해 영양성분의 적정구성비의 유지가 힘들고 구성체중 유기물의 분해로 인하여 담체가 강도가 약해지는 문제점을 가지고 있다.
또한, 한국특허 등록번호 10-0535936은 유류오염 정화용 미생물 제제 및 그 제조방법에 대한 것으로서 유류 분해능이 있는 미생물을 배양하여 현탁액을 만드는 단계, 탈지감을 고압멸균하고 열처리하는 단계, 상기 미생물을 현탁애과 탈지감을 소정의 비율로 혼합하여 건조시키는 단계, 상기 건조물을 소립자 형태로 분쇄시키는 단계로 구성되어 있다.
이와 같은 한국특허 등록번호 10-0535936와 같이 탈지강에 미생물을 담지하여 미생물 제제를 제조하는 경우에는 미생물 액상배양, 멸균, 혼합, 건조, 분쇄등의 제조 공정이 매우 복잡하고 미생물 성장에 필요한 영양성분도 (NH4)2SO4, FeSO4 7H2O, CaCl2 2H2O, MgSO4 7H2O, NaCl, Na2HPO4, KH2PO4 등의 물질을 적정혼합 해야만 하는등으로 인하여 제조비용이 증가하는 문제점이 있다. 또한, 강도 및 형태를 유지할 수 있는 담체형태가 아니라서 본 발명에서 해결하고자 하는 토양개량 용도로서는 적합하지 못하다.
한국특허 등록번호 10-0992505는 탄소, 질소, 인과 미생물이 담지된 무기질 다공체를 제조하고, 미생물이 담지 된 다공체를 오염토양을 굴착하여 혼합하는 과정에서 공가, 수분등을 별도로 공급하여 오염물질을 제거하는 기술에 관한 것이다.
이 경우 오염된 토양을 복원하기 위해서는 토양을 별도의 배양기에 담체와 넣어서 장시간 숙성 과정을 거쳐야 하기 때문에 매우 번거롭고, 운송비와 전력비등을 감안하면 경제성이 매우 떨어지는 문제점이 있다.
과도한 시비로 인하여 염류직접 및 산성화 된 토양의 경우 식물의 성장이 어렵다. 이를 해결하기 위하여 기존의 특허기술의 미생물 담체로는 유기물을 과도하게 분해 할 뿐 효과적이고 자연친화적인 식물 성장을 통한 개량 효과를 거둘 수 없다.
이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 근본적으로 염류직접 및 산성화된 토양을 중화 시키고 염류를 흡수 분해하며 통기성과 투수성이 개선되는 미생물 담체 조성물을 제공하는 데 목적이 있다. 즉, 본 발명은 척박한 토양 및 염류장애토양을 개량하기 위한 것으로, 척박한 토양과 산성토양에 필요한 미량 광물질인 칼슘(Ca+2),마그네슘(Mg+2)이온을 용출하며, 미생물을 담지 할 수 있어서 염류가 과다한 염류장애 토양의 개량에 적합한 미생물 담체의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명에 의한 돌로마이트를 시드로 하는 토버모라이트 수화물 미생물 담체는 토버모라이트로 코팅된 돌로마이트 골재와 토버모라이트 분말 20-70 중량%, 유기결합제 1-10 중량%, 석고 20-50 중량% 및 펄프 2-20 중량%를 포함하며, 구형으로 성형된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 토버모라이트로 코팅된 돌로마이트 골재와 토버모라이트 분말은 20㎜~1㎛의 돌로마이트 40~70중량%, 실리카 15~30중량%와 소석회 15~30중량%를 포함한다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 유기결합제는 폴리비닐알콜(PVA), 폴리비닐아세테이트, 메틸셀롤로오즈(MC), 카르복실메틸셀룰로오즈(CMC), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 당류, 초산비닐수지 중의 어느 하나 이상이다.
본 발명에 의한 토양개량용 미생물 제제는 토버모라이트로 코팅된 돌로마이트 골재와 토버모라이트 분말 20-70 중량%, 유기결합제 1-10 중량%, 석고 20-50 중량% 및 펄프 2-20 중량%를 포함하며, 구형으로 성형된 돌로마이트를 시드로 하는 토버모라이트 수화물 미생물 담체에 미생물을 접종하여 제조된 것을 특징한다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 미생물은 유리질소 고정세균, 질화세균, 락토바실러스종(Lactobacillus sp.), 사커로마이세스종(Saccharomyces sp.), 방선균류, 트리코더마(Tricoderma. sp.), 스트렙토마이세스(Streptomyces sp.), 광합성 세균류(Rhodobacter sp.), 바실러스종(Bacillus sp.), 키틴질분해 미생물인 트리코더마(Tricoderma sp.) 스트렙토마이세스(Streptomyces sp.) 중의 어느 하나 이상이다.
본 발명에 의한 토버모라이트 수화물 미생물 담체의 제조방법은 20㎜~1㎛의 돌로마이트 30~70중량%, 실리카 15~30중량%와 소석회 15~30중량%를 균일하게 혼합하는 1단계;
상기 1단계에서 혼합된 소재를 오토크레이브에서 고온 고압으로 합성하여 토버모라이트 결정 또는 토버모라이트 결정이 코팅된 돌로마이트 입자를 제조하는 2단계; 및 상기 2단계에서 생성된 토버모라이트 결정 또는 토버모라이트 결정이 코팅된 돌로마이트 입자 20~70중량%, 유기결합제 1-10 중량%, 석고 20-50 중량% 및 펄프 2-20 중량%를 사용하여 구형으로 성형하는 3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 제2단계이후에 제2단계에서 생성된 토버모라이트 결정 또는 토버모라이트 결정이 코팅된 돌로마이트 입자를 건조시키는 단계가 추가로 포함한다.
본 발명은, 첫째로 과다한 시비로 인하여 염분이 축적되어 산성화된 토양을 광물질인 칼슘(Ca+2),마그네슘(Mg+2) 이온을 용출시키는 돌로마이트와 석고를 이용하여 토양의 pH를 높여서 식물이 성장할 수 있는 기본적인 환경을 만든다.
둘째로는, 토버모라이트와 유기탄소섬유인 펄프, 유기물이면서 결합제역활을 수행하는 폴리 비닐 알콜, 메틸셀루로우즈,에틸렌 비닐 아세테이트등 이용하여 미생물이 왕성하게 번식할 수 있는 다공성의 수화물 담체를 제공한다.
셋째로는 돌로마이트와 펄프, 토버모라이트의 흡수력에 의해서 과잉의 염류성분과 수분이 흡수되므로 지속적으로 미생물이 번식할 수 있고, 토양의 통기성과 배수성이 개선되어 오염된 토양에서도 식물의 생육이 원활히 이루어 지도록 한다.
이와 같은 3가지 작용에 의해서 오염된 토양의 불용성염을 흡수 및 분해하고, 다공성으로 인하여 배수 및 통기를 원할 하게 하는 기능도 수행하여 식물의 성장을 활발히 하여, 지력을 근본적으로 회복시키는 토양개량담체를 제공한다.
도 1은 본 발명에 의한 돌로마이트를 시드로 하는 토버모라이트 수화물 미생물 담체의 단면도,
도 2는 본 발명에 의한 돌로마이트를 시드로 하는 토버모라이트 수화물 미생물 담체의 실물 사진,
도 3은 돌로마이트의 단위 셀(unit cells) 모식도,
도 4는 주사전자현미경으로 관찰한 토버모라이트 결정(× 5000배 확대) 사진,
도 5는 본 발명에 의한 돌로마이트를 시드로 하는 토버모라이트 수화물 미생물 담체의 제조방법에 대한 흐름도이다.
본 발명은 척박한 토양 및 염류장애토양을 개량하기 위한 것으로, 척박한 토양과 산성토양에 필요한 미량 광물질인 칼슘(Ca+2),마그네슘(Mg+2)이온을 용출하며, 미생물을 담지 할 수 있어서 염류가 과다한 염류장애 토양의 개량에 적합한 미생물 담체에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 돌로마이트를 시드로 하는 토버모라이트 수화물 미생물 담체의 단면도이고, 도 2는 본 발명에 의한 돌로마이트를 시드로 하는 토버모라이트 수화물 미생물 담체의 실물 사진이다.
도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 의한 미생물 담체는 시드(seed)가 되는 돌로마이트(A), 시드위에 인공적으로 합성되어 코팅되는 토버모라이트, 그리고 이를 구형으로 성형하기 위하여, 펄프, 석고, 유기결합제인 폴리비닐알콜(PVA), 메틸셀룰로우즈(MC), 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA)등을 사용하는 것을 특징으로 한다. 담체를 그대로 사용해도 되고, 미생물을 담지 시켜 개량할 수도 있다. 바람직하게는 구형으로 성형하여 미생물담지 과정을 거쳐서 작물재배지의 표토에 혼합 사용하며, 과도하게 시비되는 양분을 흡수하고, 이를 미생물이 분해하게 함으로써 건강한 토양이 유지되도록 하는데 있다. 도 1에서 B는 토버모라이트, 유기결합제, 펄프, 석고등의 혼합물을 의미한다.
본 발명에서 사용한 돌로마이트는 백운석이라고도 하며 CaMg(CO3)2으로 이루어진 퇴적 탄산염암으로 우리나라에서는 강원도 옥계지역의 광산에서 많이 산출된다. 사용한 돌로마이트는 평균입경 20㎜~1㎛의 분쇄물을 돌로마이트와 토버모라이트 전체 중량에 대하여 40-70중량% 사용하였다. 입경은 큰 영향을 미치지 않으나 20㎜이상으로 입자 크기가 크면 구형 담체의 크기가 커져서 미생물 담체로서 효율적이지 못하고, 1㎛이하면 분쇄비용이 상승하여 상업적으로 이용가치가 떨어지는 단점이 있다. 돌로마이트 물질 자체가 물과 기름을 흡수하는 능력이 있어서 미생물이 이를 이용하여 증식할 수 있다. 토양 개량제로 사용할 경우 유류등의 오염물질을 흡수하여 이를 미생물이 분해하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명에서는 돌로마이트를 토버모라이트를 합성하는 과정에서 시드로 사용하고, 고압의 증기로 처리하기 때문에 칼슘(Ca+2), 마그네슘(Mg+2) 이온이 서서히 용출되는 구조를 만듬으로 해서 식물에 흡수되고 식1과 같이 산성토양의 pH도 높이는 효과가 있다.
2H+ + CaMg(CO3)2 = 0.5Ca2+ + 0.5Mg2+ + H2O + CO2 --- 식 1
도 3은 돌로마이트의 단위 셀(unit cells) 모식도로서, 돌로마이트 결정은 양이온층과 음이온층이 서로 교차하면서 C축 방향으로 규칙적으로 배열된 결정구조를 가지지만, 가압, 가열등의 에너지를 받으면 결정구조가 Ca이온과 Mg이온이 용출되기 쉬운 비정질 구조로 일부분 변형된다.
본 발명에서는, 돌로마이트를 토버모라이트 합성시 고압으로 증기양생 하여 칼슘(Ca+2), 마그네슘(Mg+2) 의 용출이 원광보다 용이하도록 일부 비정질화한 것을 특징으로 한다.
토버모라이트(tobermorite)는 Ca5Si6O16(OH)2·4H2O 또는 Ca5Si6(O,OH)18·5H2O의 규산칼슘계 수화물로서 고압의 증기로 합성되는 물질이다. 도 4는 주사전자현미경으로 관찰한 토버모라이트 결정(× 5000배 확대) 사진이다. 본 특허에서는 실리카와 소석회 분말을 혼합하여 제조하였으며, Ca(OH)2/SiO2의 몰비를 0.7~0.9로 하며 몰비가 0.7보다 작아지거나 0.9보다 커지게 되면 비정질의 칼슘 실리케이트 수화물(CSH)이 성장되어 강도 및 비표면적, 기공등의 특성이 저하되므로 바람직하게는 0.8로 조정하여 제조하는 것이 좋다.
몰비가 위의 범위에 들수 있도록 돌로마이트와 토버모라이트 전체 중량에 대하여 실리카(SiO2) 15~30중량%, 소석회(Ca(OH)2) 15~30중량% 배합한 다음 돌로마이트 입자를 포함한 총 고체 중량 대비 물을 10~20배 가하여 120~200℃, 포화 수증기압 7~12kgf/cm2으로 수열 합성하여 제조하였다. 제조된 토버모라이트는 미세한 수화물 결정으로 구성되어 있으며, 비표면적 15~20 ㎡/g, 기공크기 50~2000㎛로 미생물이 생존하기에 적합한 구조를 가지고 있다. 여기서, 물의 함량이 10배 보다 적으면 수열합성시 온도를 상승시키기 힘들고, 물이 함량이 20배 이상이면 첨가된 고형분의 량이 적어져서 생산성이 떨어지는 문제점이 있다. 또한, 온도범위가 200℃를 초과하면 돌로마이트가 분해되거나 수열합성 용기 구조상 견딜 수 있는 압력을 유지 하기 어렵고, 120℃이하로 하면 증기압이 낮아 토버모라이트 합성이 수월하게 되지 않는 문제점이 있다.
토버모라이트는 모든 영역에서 물에 녹지 않는 유기물질인 휴민(humin), 휴믹산, 펄빅산등의 고분자 유기화합물을 잘 흡착하는 물질로서 미생물이 분해한 각종 유익한 유기산을 흡착 보유하고 있다가 식물에 공급하는 역할도 수행하게 된다.
합성된 토버모라이트로 코팅된 돌로마이트 골재와 토버모라이트 분말의 과잉의 수분을 제거하기 위하여 건조기에서 100℃~120℃로 12~24시간 건조한다. 건조된 토버모라이트로 코팅된 돌로마이트 골재와 토버모라이트 분말에 유기결합제와 펄프, 석고를 물과 함께 교반기에서 고르게 혼합한 다음, 제환기에 넣어서 구형으로 성형 한다. 또는 구형 금속몰드에 넣어서 성형하여 제조하는 것도 가능하며 그 크기는 제조 및 토양에 혼합하기 용이하게 0.5㎜~20㎜로 하여 제조하였다. 구형 담체의 크기 0.5㎜이하는 제조는 가능하나 치구등이 작아져서 생산성이 떨어지고 불량이 많아지는 문제점이 있고, 20㎜이상은 생산은 수월하나 부피가 커져서 토양에 고루게 혼합하여 개량성능을 나타내는 부분에서는 부족하다.
유기결합제는 폴리비닐알콜(PVA), 폴리비닐아세테이트, 메틸셀롤로오즈(MC), 카르복실메틸셀룰로오즈(CMC), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 당류, 초산비닐수지등을 사용할 수 있다. 이들 유기결합제는 본 발명에서는 미생물 번식할 수 있도록 유기물영양분을 공급할 뿐만 아니라, 중합도 1,500~30,000 정도로 큰 고분자 물질로 표면자유에너지가 커서, 생물학적 폐수 처리 분야에서 담체로서 유용성이 큰 물질이다.
유기결합제와 펄프 및 석고는 토버모라이트와 돌로마이트 입자들을 성형 가능하도록 하며, 수분 및 영양분을 미생물에 공급하는 역할도 한다.
본 발명에서 사용하는 펄프는 주성분의 50%가 셀룰로우즈이며 그 밖에 리그닌 25%, 펜토산 20% 등으로 구성되어 있어 좋은 미생물의 영양원이고 또한 성형시 수분을 흡수 하고 석고와 더불어 건조 후 담체 강도를 크게하는 소재이다. 대량생산할 경우 경제적으로 신문지를 파쇄한 펄프섬유를 사용하는 것이 유리하며 이때 섬유상의 길이는 5~0.1㎜ 크기의 것이 적정하다.
또한, 사용한 석고는 수화반응에 의해서 경화가 일어나는 이수석고, 반수석고, 무수석고, 배연탈황석고, 인산염 부산 석고등을 사용할 수 있다. 석고는 상온에서 경화하여 구성성분을 단단한 형상으로 유지할 뿐만 아니라 칼슘이온이 용출하여 산성화된 토양을 중화하는 중요한 역할도 수행한다.
한편 본 발명에 의한 토양개량용 미생물 제제는 상기된 담체에 미생물을 접종시킨 것인데, 이하 이에 대하여 자세히 설명한다.
구형으로 성형한 담체는 수분 흡수율이 30~80%로, 미생물이 서식할 수 있는 최적조건을 제공하며, 이렇게 제조된 담체를 미생물 배양 액제에 침전 시키거나 미생물 액제를 표면에 분무하여 미생물 흡착이 용이하도록 제조된 것이 특징이다.
본 발명에서 대상으로 하는 미생물은 식물에 유용한 산물을 생산하는 미생물이거나, 유해물질이나 오염물질을 분해하여 유익한 물질로 변화시키는 모든 종류의 미생물을 대상으로 하며 실시예에서 서술한 미생물로 한정하지 않는다.
사용할 수 있는 미생물을 예로 들면 공기중의 유리질소를 고정하여 화합태 질소로 만드는 유리질소 고정세균, 토양 속의 암모니아태 질소를 질산태 질소로 변화시키는 질화세균, 인산염 가용화능이 탁월한 락토바실러스종(Lactobacillus sp.), 생리활성물질을 만들어 내는 사커로마이세스종(Saccharomyces sp.), 병원성 미생물을 억제하는 항생물질을 만들어 내는 방선균류, 토양속 난용성 유기물을 분해하고 미량원소 공급하는 역할을 수행하는 광합성 세균류(Rhodobacter sp.) 및 바실러스종(Bacillus sp.), 키틴질 미생물인 트리코더마(Tricoderma sp.) 스트렙토마이세스(Streptomyces sp.) 등을 사용할 수 있다.
도 5는 본 발명에 의한 돌로마이트를 시드로 하는 토버모라이트 수화물 미생물 담체의 제조방법에 대한 흐름도이다.
본 발명의 제조방법으로 단계별로 설명하면 1단계는 20㎜~1㎛의 돌로마이트 시드(seed)를 돌로마이트와 토버모라이트 전체중량 대비 40~70중량%를 넣고 여기에 토버모라이트 결정이 코팅되도록 돌로마이트와 토버모라이트 전체중량 대비 실리카 15~30중량%와 소석회 15~30중량%를 넣고, 돌로마이트 입자를 포함한 총 고체 중량 대비 물을 10~20배 가하여 균일하게 혼합한다.
2단계는 1단계에서 혼합된 소재를 오토크레이브에서 150~200℃, 포화 수증기압 7~12kgf/cm2의 고온 고압으로 합성하여 토버모라이트 결정 또는 토버모라이트 결정이 코팅된 돌로마이트 입자를 제조한다. 여기서 제조된 토버모라이트는 미세한 수화물 결정으로 구성되어 있으며, 비표면적 15~20 ㎡/g, 기공크기 50~2000㎛로 미생물이 생존하기에 적합한 구조를 가지고 있다.
3단계는 생성된 토버모라이트 분말과 이것으로 코팅된 돌로마이트 입자 20~70중량%를 PVA,MC, EVA등과 같은 유기결합제를 1~10중량%, 석고를 20~50중량%, 펄프를 2~20중량% 사용하여 구형으로 성형하는 것으로 완성되는 토양 개량용 미생물담체에 관한 것이다.
여기서, 토버모라이트-돌로마이트 함량이 20% 미만이면 미생물 담체로 사용시 흡수율이 너무 낮아지는 문제점이 있고, 70%이상이면 담체 강도가 저하되어 미생물이 서식하기 어렵다. 유기결합제 함량이 1% 미만이면 성형시 초기 결합력을 없어서 성형이 되지 않고, 10중량% 이상이면 성형시 금형에 달라 붙거나 제환기에서 담체끼리 달라 붙는 등의 제조상 문제점이 발생된다.
또한, 담체 중 석고함량은 20%미만이면 경화 후 강도가 너무 낮고, 50중량%이상 이면 담체의 기공함량이 적어져서 흡수율이 떨어지는 단점이 있으며, 펄프는 2중량% 미만이면 미생물의 탄소 공급원으로 역할을 수행할 수 없고, 20중량% 이상이면 담체로서 성형하기가 어려워지는 문제점이 있다.
한편 제2단계이후에 제2단계에서 생성된 토버모라이트 결정 또는 토버모라이트 결정이 코팅된 돌로마이트 입자를 건조시키는 단계가 추가로 포함될 수 있고, 또한 3단계에서 완성된 담체에 미생물을 접종시키는 4단계를 추가로 진행할 수 도 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하며, 이들 실시예는 예시적인 목적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1. 돌로마이트에 토버모라이트 수화물 복합소재 제조
조건 1. 평균입경 5mm 돌로마이트를 적용( 시료명 5mm G-DT)
시약급의 실리카(SiO2 순도 99% Junsei사, 평균입경 4㎛)와 소석회(Ca(OH)2 순도 99% Shinyo Pure chemicals사), Ca(OH)2/SiO2의 몰비 0.8에 따라 각각 49.8중량%, 50.2중량%로 배합하였다. 배합한 원료 1kg에 에탄올 3ℓ를 넣고 알루미나 볼밀에서 24시간 혼합하여 건조하였다. 건조된 분말 1kg에 돌로마이트(동양 소재 산업 백운석 4호사, 평균입경 5mm) 1kg를 넣고 물을 5ℓ 첨가하여 10ℓ용기에서 교반기로 고르게 혼합하였다.
혼합된 원료를 오토크레이브에 넣고 180℃에서 포화수증기압 10kgf/cm2에서 8시간 수열반응 시켜 토버모라이트 결정을 합성하였다. 합성된 원료를 건조기에서 100℃, 24시간 건조하여 과잉수분을 제거 한 다음, X선회절 분석결과 주성분은 11Å 토버모라이트였으며 일부는 칼슘실리케이트 비정질 수화물(calcium silicate hydroxide)이 생성되었다. 고압의 증기로 합성된 수화물의 일부는 돌로마이트에 입자 내외부에 흡착되어 성장하였으며, 일부는 분말 상으로 존재하였다.
조건2. 평균입경 1㎛ 돌로마이트를 적용 ( 시료명 1㎛ P-DT )
제조조건은 조건1과 같으며, 다만 사용한 돌로마이트는 평균입경 1㎛의 분말을 사용하였다. 조건 1과는 달리 돌로마이트와 합성한 토버모라이트 수화물이 혼합되어 분말상으로 제조되었다.
실시예 2. 구형의 미생물 담체 제조예 1
PVA(동양화학 P-17S)와 MC(삼성정밀화학 제품 15US)를 1:1로 사용하여 녹여서 농도 10%의 용액를 제조하였다. 제조된 용액 100g에 조건 1, 2에서 제조한 시료 (시료명 5mm G-DT, 1㎛ P-DT) 1kg, 석고 300g, 펄프 100g를 넣어서 고르게 혼합한 다음, 제환기에서 구형으로 성형하였다.
환의 크기는 출발원료인 돌로마이트의 크기가 5mm인 5mm G-DT 원료는 10mm내외의 크기로 제작하였으며, 1㎛ P-DT는 2~3mm의 크기의 구형 담체로 제조하였다.
제조된 담체의 과잉의 수분을 제거하고 강도를 발현하기 위하여 건조기에서 30℃로 24시간 건조하였다.
실시예 3. 미생물 담체 제조예 2
실시예 1에서 제조한 돌로마이트-토버모라이트 복합소재에 유기결합제로 MC(삼성제품 30US), PVA(동양화학 17S), EVA(Elotex사)와, 펄프섬유(길이 2~7mm), 석고( 배연탈황석고, 라파즈제품)를 배합 균일하게 혼합한 후 제환기로 성형하여 토양개량용 미생물담체를 제조하였다. 제조된 담체를 30℃, 습도 100%로 1일간 습윤 양생하였다. 구체적인 배합실험비는 표1과 같다.
돌로마이트의 토양개량효과와 담체로서의 강도를 보기 위하여 돌로마이트를 제외한 토버모라이트 분말만을 사용하여 실시예1과 동일한 방법으로 비교예로 제작하였다.
토양개량용 미생물 담체 배합예 (단위 중량%)
분류


실시예		 배 합 비 특 성
돌로마이트-
토버모라이트 복합소재		 유기
결합제		 펄프
섬유		 석고 입자강도
(kgf/㎠)		 흡수율
(%)
시료명 5mm G-DT 시료명
1㎛ P-DT
No.1 40 - 5 5 50 8.32 70.4
No.2 50 - 10 10 30 6.30 72.1
No.3 60 - 5 5 30 5.82 78.8
No.4 70 - 2.5 2.5 25 4.31 79.2
No.5 80 - 5 5 10 측정불가 측정불가
No.6 - 45 10 10 35 7.1 73.2
No.7 - 40 10 15 35 7.1 73.8
No.8 - 70 10 10 10 4.2 82.3
비교예1 토보머라이트 분말
50		 10 10 30 3.2 55.3
비교예2 토보머라이트 분말
60		 5 5 30 2.9 58.1
* 입자강도는 성형한 담체의 최대 직경을 기준으로 함(측정법 : KS M 1424).
** 흡수율은 수분에 담지 후 표면의 과잉수분을 젖은 수건으로 제거 후 무게증가량 으로 측정함(측정법 : KS F 2054).
표1에서와 같이 돌로마이트-토버모라이트 함량이 80% 이상되면 담체강도가 약하여 토양개량제로 사용하기 곤란하였다.
비교예로 토보머라이트 만을 사용하여 제작된 비교예1과 No2. 담체를 비교해 보면, 입자강도가 6.3kgf/㎠에서 시험3.2kgf/㎠로, 동일조성 No3.와 비교예2를 비교하면 5.82 kgf/㎠에서 3.2kgf/㎠로 낮아졌다. 토버모라이트만을 사용한 비료예1, 2의 담체는 강도가 저하되는 문제점으로 인하여 돌로마이트를 제외하고 단독으로 사용시 문제점이 있음을 알수 있었다. 이것은 돌로마이트 자체가 원광을 파쇄한 입자형태로서 자체강도를 가지고 있기 때문이다.
실시예 4. 담체에 미생물 담지
NB(Nutrient Broth)배지 2중량%를 물 1ℓ에 용해하고 여기에 글루코오즈 1중량% 와 효모추출물 0.3중량%, 황산암모늄 0.4중량%, 인산칼륨 0.03중량%, MgSO4ㆍ7H2O, CaCl2, MnSO4 각각 0.003 중량% 혼합 한 다음, 시중에서 유통되는 미생물 8종 (바실러스 세레우스, 바실러스 서브틸리스, 슈도모나스 플루오레슨스, 클로스트로디움속균, 사카로마이세스, 세레비지에, 락토바실러스 불가리스, 바실러스 투린지엔시스, 및 남조류)을 접종하였다. 25℃에서 진탕 배양하였으며 미생물의 균수가 4.5~5.5 × 107cfu/㎖가 되도록 하였다.
배양액에 실시예 2에서 제조된 구형의 담체를 담지시켜 25℃에서 24시간 숙성시켰다. 30일 숙성 후 생존한 미생물의 수는 표2와 같다.
제조된 담체의 흡수율 및 미생물 생존율
분 류 담체의 흡수율(%) 30일 경과 후 미생물 수
( cfu/g )
실시예 NO.2 조성
(5mm G-DT 구형담체)		 70.3 7.3 × 107
실시예 No. 6 조성
(㎛ P-DT 구형담체)		 71.5 7.2 × 107
비교예 1
(토보머라이트 단독조성)		 55.2 3.6 × 104
비교예 2
(토보머라이트 단독조성)		 58.5 3.9× 104
비교예의 토보머라이트 단독 조성의 경우, 돌로마이트-토버모라이트 복합 담체의 경우와는 달리 흡수율이 떨어지며 생존되는 미생물수도 줄어들었다.
돌로마이트-토보머라이트 복합체로 담체를 제조하는 것이 가장 우수한 특성을 보였다.
실시예 5. 미생물 담체의 토양 적용 평가
유기물 함량 25%가 함유된 온실 토양(경기도소재)를 100℃에서 1시간 살균 처리하여 사용 했으며, 실시예 3과 같이 제조한 미생물 담체(5mm G-D와 1㎛ P-DT, 미생물수 107cfu/g)를 유기물이 함유된 토양에 대해 50중량% 첨가 혼합 하였다 비교예 를 위해서 미생물 담체가 포함되지 않은 토양에 같은 양의 미생물 배양액만을 혼합하여 1g당 미생물의 갯수가 2.0~ 5.0 × 104 cfu/g 가 되도록 하여 1개월간 25℃, 습도 60%의 같은 조건으로 토양의 pH와 토양중의 미생물수를 측정하여 평가하였다. 미생물은 토양의 염류를 분해함에 따라 토양의 pH가 저하된다. 표3과 같이 제조한 담체를 사용한 경우 초기 산성의 pH가 증가하고 접종한 미생물의 수도 증가한 것을 볼 수 있었다.
1개월간 평가 후 토양의 특성
분 류 시험에 사용한
토양		 본발명에서 제조한 미생물담체를 혼합한 토양 배양한 미생물을
살포한 토양
실시예 No.2
(5mm G-DT
적용토양)		 실시예 No.6
(1㎛ P-DT
적용 토양)		 비교예1 비교예2
토양의 pH 4.2 6.2 6.5 4.8 4.9 4.2
미생물량 - 5.6 × 104 cfu/g 4.8 × 105 cfu/g 2.8× 102
cfu/g		 3.7 × 102 cfu/g 85 cfu/g
또한, 토버모라이트만을 사용한 비교예1, 2의 경우 돌로마이트-토버모라이트 복합체를 사용한 경우 보다는 효과가 낮은 것을 볼 수 있다.
실시예 6. 효과의 검증 2.
경기도소재의 5년간 온실 재배한 용도로 사용하여 염류장애를 일으킨 토양을 채취하여 효과를 검증하였다.
염류장애토양의 개량을 위하여 실시예3 에서 제조한 실시예 No2, No6. 미생물담체를 부피비로 10~50% 혼합한 다음, 배추와 상추 종자를 파종하여 생체중량, 뿌리무게, 엽수, 엽면적등으로 식물의 생육상태를 평가하였다. 물 이외는 별도의 시비를 하지 않았으며 같은 조건이 되도록 동일한 장소의 온실에서 1달간 재배 후 평가하였다.
배추 발육상태 (식재후 1달 경과시, 실시예 No 6. (1㎛ P-DT) 적용 토양미생물 담체 )
분 류 전체무게(g) 뿌리무게(g) 잎수
기준 토양
-온실 염류 토양 (미생물담체 함량 0%)		 190.1 2.0 15
담체적용 토양 10%
(온실염류토양 +미생물담체 함량 10%)		 189.3 2.1 13
담체적용 토양 20%
(온실염류토양 +미생물담체 함량 20%)		 250.7 3.2 20
담체적용 토양 30%
(온실염류토양 +미생물담체 함량 30%)		 450.9 4.1 26
상추 발육상태 (식재후 1달 경과시, 실시예 No.2 (5mm G-DT) 적용 토양미생물 담체 )
분 류 전체무게 뿌리무게 잎수
기준 토양
-온실 염류 토양 (미생물담체 함량 0%)		 15.3 2.3 14
담체적용 토양 10%
(온실염류토양 +미생물담체 함량 10%)		 20.1 3.3 19
담체적용 토양 20%
(온실염류토양 +미생물담체 함량 30%)		 59.6 6.4 22
담체적용 토양 30%
(온실염류토양 +미생물담체 함량 50%)		 75.3 7.1 25
이상의 결과를 토대로 보면 본 발명에서 개발한 미생물담체가 토양을 활성화 시키고 식물이 빠르게 성장하는데 좋은 영향을 미치는 것을 알 수 있다.

Claims (7)

  1. 토버모라이트로 코팅된 돌로마이트 골재와 토버모라이트 분말 20-70 중량%, 유기결합제 1-10 중량%, 석고 20-50 중량% 및 펄프 2-20 중량%를 포함하며, 구형으로 성형된 것을 특징으로 하는 돌로마이트를 시드로 하는 토버모라이트 수화물 미생물 담체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 토버모라이트로 코팅된 돌로마이트 골재와 토버모라이트 분말은 20㎜~1㎛의 돌로마이트 40~70중량%, 실리카 15~30중량%와 소석회 15~30중량%를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 돌로마이트를 시드로 하는 토버모라이트 수화물 미생물 담체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유기결합제는 폴리비닐알콜(PVA), 폴리비닐아세테이트, 메틸셀롤로오즈(MC), 카르복실메틸셀룰로오즈(CMC), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 당류, 초산비닐수지 중의 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 돌로마이트를 시드로 하는 토버모라이트 수화물 미생물 담체.
  4. 토버모라이트로 코팅된 돌로마이트 골재와 토버모라이트 분말 20-70 중량%, 유기결합제 1-10 중량%, 석고 20-50 중량% 및 펄프 2-20 중량%를 포함하며, 구형으로 성형된 돌로마이트를 시드로 하는 토버모라이트 수화물 미생물 담체에 미생물을 접종하여 제조된 것을 특징으로 하는 토양개량용 미생물 제제.
  5. 제4항에 있어서, 상기 미생물은 유리질소 고정세균, 질화세균, 락토바실러스종(Lactobacillus sp.), 사커로마이세스종(Saccharomyces sp.), 방선균류, 트리코더마(Tricoderma. sp.), 스트렙토마이세스(Streptomyces sp.), 광합성 세균류(Rhodobacter sp.) 또는 바실러스종(Bacillus sp.) 중의 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 토양개량용 미생물 제제.
  6. 20㎜~1㎛의 돌로마이트 30~70중량%, 실리카 15~30중량%와 소석회 15~30중량%를 균일하게 혼합하는 1단계;
    상기 1단계에서 혼합된 소재를 오토크레이브에서 고온 고압으로 합성하여 토버모라이트 결정 또는 토버모라이트 결정이 코팅된 돌로마이트 입자를 제조하는 2단계; 및 상기 2단계에서 생성된 토버모라이트 결정 또는 토버모라이트 결정이 코팅된 돌로마이트 입자 20~70중량%, 유기결합제 1-10 중량%, 석고 20-50 중량% 및 펄프 2-20 중량%를 사용하여 구형으로 성형하는 3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 돌로마이트를 시드로 하는 토버모라이트 수화물 미생물 담체의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 제2단계이후에 제2단계에서 생성된 토버모라이트 결정 또는 토버모라이트 결정이 코팅된 돌로마이트 입자를 건조시키는 단계가 추가로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 돌로마이트를 시드로 하는 토버모라이트 수화물 미생물 담체의 제조방법.
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