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WO2025188171A1 - 사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐 및 이의 제조 방법 - Google Patents

사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐 및 이의 제조 방법

Info

Publication number
WO2025188171A1
WO2025188171A1 PCT/KR2025/099636 KR2025099636W WO2025188171A1 WO 2025188171 A1 WO2025188171 A1 WO 2025188171A1 KR 2025099636 W KR2025099636 W KR 2025099636W WO 2025188171 A1 WO2025188171 A1 WO 2025188171A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
bacteria
sugarcane
soil
biovinyl
waste
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/KR2025/099636
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English (en)
French (fr)
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WO2025188171A8 (ko
Inventor
박세연
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from KR1020240067851A external-priority patent/KR20250136701A/ko
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of WO2025188171A1 publication Critical patent/WO2025188171A1/ko
Publication of WO2025188171A8 publication Critical patent/WO2025188171A8/ko
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/18—Manufacture of films or sheets
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K5/00—Use of organic ingredients
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L3/00—Compositions of starch, amylose or amylopectin or of their derivatives or degradation products
    • C08L3/02—Starch; Degradation products thereof, e.g. dextrin
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L5/00—Compositions of polysaccharides or of their derivatives not provided for in groups C08L1/00 or C08L3/00
    • C08L5/12—Agar or agar-agar, i.e. mixture of agarose and agaropectin; Derivatives thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L97/00—Compositions of lignin-containing materials
    • C08L97/02—Lignocellulosic material, e.g. wood, straw or bagasse
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N1/00—Microorganisms, e.g. protozoa; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
    • C12N1/20—Bacteria; Culture media therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
    • C12P7/08—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate
    • C12P7/10—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate substrate containing cellulosic material

Definitions

  • the present invention relates to the development of environmentally friendly materials, and more specifically, to a method for producing biovinyl having soil strengthening and pollution prevention functions by utilizing sugarcane waste.
  • Sugarcane agriculture is a vital global industry, serving as a major source of income, particularly in tropical and subtropical regions such as Latin America, Africa, and Asia.
  • the environmental impacts associated with the expansion of sugarcane agriculture cannot be ignored, and the disposal of sugarcane waste, in particular, poses significant environmental problems.
  • Burning sugarcane waste is a major cause of increased soil porosity and infiltration, increasing vulnerability to flooding. Furthermore, deforestation for sugarcane plantation expansion increases soil porosity, reduces water retention capacity, and alters soil physical, chemical, and biological properties, exacerbating the region's vulnerability to natural disasters.
  • the present invention aims to solve the problem of soil devastation caused by sugarcane farming and to provide environmentally friendly biovinyl by effectively recycling sugarcane waste.
  • the sugarcane waste-based biovinyl may include distilled water (DW), cornstarch, agar, sugarcane bark (SCB), and a mixed bacterial solution containing two or more types of bacteria.
  • DW distilled water
  • SCB sugarcane bark
  • the corn starch may be provided in an amount of 0.5 parts by weight per 100 parts by weight of the distilled water
  • the agar may be provided in an amount of 1 to 1.5 parts by weight per 100 parts by weight of the distilled water
  • the sugarcane husk may be provided in an amount of 1 part by weight per 100 parts by weight of the distilled water.
  • the mixed bacterial solution may comprise one species of bacteria selected from the group of Calcite Producing Bacteria and another species of bacteria selected from the group of Lignin Decomposing Bacteria.
  • the mixed bacterial solution may comprise Glutamicibacter halophytocola and Priestia megaterium.
  • the mixed bacterial solution may be a solution in which two or more bacteria are diluted to 0.001 ABS.
  • the biovinyl may further comprise 1 part by weight of molasses per 100 parts by weight of the distilled water.
  • a method for producing bio-vinyl based on sugarcane waste may include the steps of adding corn starch, agar, and sugarcane husk to distilled water to produce a mixture, heating the mixture, heat-treating the mixture, adding a mixed bacterial solution containing two or more types of bacteria to the mixture, and coagulating the mixture to which the mixed bacterial solution has been added to produce bio-vinyl based on sugarcane waste.
  • the step of generating the mixture may further comprise the step of adding molasses.
  • the mixed bacterial solution may comprise one species of bacteria selected from the group of calcite-forming bacteria and another species of bacteria selected from the group of lignin-degrading bacteria.
  • the mixed bacterial solution may comprise Glutamibacter halopytocola and Pristeria megaterium.
  • the bioplastic made from sugarcane waste produced by the present invention can improve and strengthen soil structure by supplying beneficial bacteria to damaged soil. This reduces the negative environmental impact of sugarcane farming and improves the growing environment for crops.
  • recycling waste generated from the sugarcane industry can support a circular economy and provide additional environmental benefits, such as reducing greenhouse gas emissions. This can address waste issues that arise during sugarcane cultivation and processing, and reduce environmental pollution.
  • Figure 1 illustrates an exemplary flow chart for a manufacturing method for manufacturing biovinyl based on sugarcane waste of the present invention.
  • Figure 2 is an example diagram to explain soil quality according to soil pores.
  • Figure 3 is a drawing showing a process for preparing sugarcane waste related to one embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a drawing for explaining a soil collection process related to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a drawing for explaining the process of generating UA and UB badges related to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a drawing for explaining a process of culturing bacteria on a UA medium related to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a drawing related to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a drawing related to the observation results of farm soil bacteria cultured in NA and UA media.
  • FIG. 8 is a drawing related to the observation results of farm soil bacterial colonies cultured in UA medium related to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a drawing for explaining preparation and procedures for a moisture retention capacity test related to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a drawing for explaining a process of inoculating each bacterial solution into three types of agar media using a streaking method according to one embodiment of the present invention.
  • Figure 11 is a drawing of a medium observed through a microscope to explain the lignin decomposition ability related to one embodiment of the present invention.
  • Figures 12 to 14 are exemplary diagrams showing the germination rates of soil samples related to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a drawing showing a process for preparing a bacterial dispersion rate test of SCB biovinyl related to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a drawing for explaining a bacterial mobility test process related to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a drawing of a microscope image of SCB biovinyl placed on soil after 24 hours in accordance with one embodiment of the present invention.
  • Figure 18 is an exemplary diagram illustrating the reproduction rate of each bacterium related to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is an exemplary diagram illustrating the reproduction rate according to a change in the composition ratio of calcite-forming bacteria compared to lignin-decomposing bacteria related to one embodiment of the present invention.
  • Figure 20 shows experimental results showing improvement in soil structure through SCB biovinyl related to one embodiment of the present invention.
  • sugarcane waste-based biovinyl can improve and strengthen soil structure by supplying beneficial bacteria to damaged soil.
  • the sugarcane waste-based biovinyl of the present invention can be manufactured in the form of a degradable matrix and utilized by being inserted into soil. When inserted into soil, the sugarcane waste-based biovinyl can release beneficial bacteria to improve soil structure.
  • sugarcane waste-based bioplastics are incorporated with a mixed bacterial solution comprising calcite-forming bacteria and lignin-degrading bacteria to enhance the physical structure of the soil and promote the decomposition of organic matter, thereby improving soil nutrition.
  • Sugarcane waste-based bioplastics can naturally decompose, releasing selected bacteria into the soil, which can provide a variety of benefits, including reducing soil erosion, increasing water retention capacity, and enhancing soil microbial diversity.
  • Sugarcane waste-based bioplastics can be manufactured using sugarcane waste (i.e., sugarcane husks). Sugarcane waste-based bioplastics are biodegradable and, when incorporated into soil, release beneficial bacteria, improving soil health and preventing soil degradation. By utilizing waste materials like sugarcane husks, they promote the recycling of agricultural byproducts, reduce waste disposal costs, and contribute to environmental protection. The use of sugarcane waste-based bioplastics offers a sustainable and environmentally friendly solution to soil degradation caused by sugarcane farming. Furthermore, the recycling of sugarcane waste provides economic value.
  • sugarcane waste i.e., sugarcane husks
  • sugarcane waste-based bioplastics are biodegradable and, when incorporated into soil, release beneficial bacteria, improving soil health and preventing soil degradation. By utilizing waste materials like sugarcane husks, they promote the recycling of agricultural byproducts, reduce waste disposal costs, and contribute to environmental protection.
  • the use of sugarcane waste-based bioplastics offers a sustainable and
  • biovinyl produced by the present invention is particularly useful in solving soil degradation problems not only in sugarcane-growing areas but also in other agricultural areas, and provides a new way for sustainable agricultural practices and environmental protection.
  • FIG. 1 is an exemplary flowchart illustrating a manufacturing method for producing sugarcane waste-based biovinyl of the present invention.
  • FIG. 2 is an exemplary diagram illustrating soil quality according to soil pores.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a process for preparing sugarcane waste according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a process for collecting soil according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a process for producing UA and UB media according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a process for culturing bacteria in a UA medium according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram relating to the observation results of farm soil bacteria cultured in NA and UA media according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram relating to the observation results of farm soil bacterial colonies cultured in a UA medium according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram relating to the preparation and procedure for a water retention capacity test according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a process of inoculating each bacterial solution into three types of agar media by a streaking method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a medium observed through a microscope to illustrate a lignin decomposition ability according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 to 14 are exemplary diagrams illustrating germination rates of soil samples according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating a process of preparing for a bacterial dispersion rate test of SCB biovinyl according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating a process of a bacterial mobility test according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating a microscope image of SCB biovinyl placed on soil according to an embodiment of the present invention after 24 hours.
  • FIG. 18 is an exemplary diagram illustrating a reproduction rate of each bacteria according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating a process of preparing for a bacterial dispersion rate test of SCB biovinyl according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating a process of a bacterial mobility test according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating a microscope image
  • FIG. 19 is an exemplary diagram illustrating a reproduction rate according to a change in the composition ratio of calcite-forming bacteria to lignin-decomposing bacteria according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 20 shows experimental results showing improvement in soil structure through SCB biovinyl related to one embodiment of the present invention.
  • Figure 1 illustrates an exemplary flowchart of a manufacturing method for producing sugarcane waste-based biovinyl (hereinafter referred to as "SCB biovinyl") of the present invention.
  • the steps illustrated in Figure 1 may be rearranged as needed, and at least one step may be omitted or added.
  • the following sequences are merely exemplary embodiments of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.
  • a method for manufacturing SCB biovinyl may include a step (S100) of producing a mixture by adding corn starch, agar, and sugarcane husk (SCB) to distilled water.
  • distilled water may be used as a solvent to ensure that the components of the mixture are uniformly dispersed.
  • Cornstarch provides the structural backbone of biovinyl and, as it decomposes, contributes beneficial nutrients to the soil, promoting biological activity.
  • Agar forms a gel-like matrix, enhancing the physical stability of biovinyl and maintaining the product's shape. This helps biovinyl maintain its shape and function for a certain period of time when applied to the environment.
  • Sugarcane husks a renewable resource, provide the organic components necessary for bioplastics. Sugarcane husks can increase the overall strength of the final bioplastic. The utilization of sugarcane husks effectively recycles agricultural waste generated from sugarcane cultivation, thereby promoting environmental sustainability.
  • sugarcane husk can be prepared in powder form through the following process for effective use.
  • the sugarcane husk is removed and then dried in a fume hood for seven days to ensure complete drying. This step removes moisture from the sugarcane husk, making the grinding process more efficient.
  • Completely dried sugarcane husks can be ground into a fine powder in a food processor. This process refines the physical structure of the sugarcane husks, improving their mixing efficiency during bioplastic production.
  • Sieving the crushed SCB through a sieve yields fine SCB powder.
  • This fine powder is stored in a container and used later in the biovinyl manufacturing process.
  • the prepared SCB powder is sterilized in an autoclave at 121 degrees Celsius and 1.5 atm for 15 minutes. Sterilization may be used to prevent microbial contamination and ensure product safety before the sugarcane husk powder is used in the biovinyl manufacturing process.
  • corn starch may be provided in an amount of 0.5 parts by weight per 100 parts by weight of distilled water
  • agar may be provided in an amount of 1 to 1.5 parts by weight per 100 parts by weight of distilled water
  • sugarcane hull may be provided in an amount of 1 part by weight per 100 parts by weight of the distilled water.
  • corn starch may be provided in an amount of 0.25 g
  • agar may be provided in an amount of 0.5 to 0.75 g
  • sugarcane hull may be provided in an amount of 0.5 g.
  • the step of generating the mixture may further comprise the step of adding molasses.
  • molasses can have several positive effects on the performance of the final product, SCB biovinyl.
  • the addition of molasses acts to increase the growth rate and dispersion rate of bacteria, particularly calcite-forming bacteria, within the SCB biovinyl, providing two key benefits:
  • SCB biovinyl when applied to soil, enhances bacterial activity for soil enrichment and improvement. Molasses provides additional nutrients to bacteria as the SCB biovinyl decomposes, creating an environment where more bacteria can thrive and thrive.
  • the rapid bacterial dispersal rate resulting from the addition of molasses can help the bioplastic work more evenly within the soil. This allows the soil improvement and strengthening effects to be more evenly distributed throughout the soil to which the SCB bioplastic has been applied, thereby improving overall soil health and structure.
  • SCB biovinyl produced by adding molasses can contribute to promoting and strengthening soil health through increased bacterial activity and efficient dispersion.
  • molasses increases the viscosity of the biovinyl mixture and enhances the flexibility and strength of the final product. Furthermore, molasses, along with sugarcane husks, acts as a natural binder during the biovinyl manufacturing process, ensuring the consistency of the mixture.
  • 1 part by weight of molasses is used per 100 parts by weight of distilled water. For example, for 50 ml of distilled water, 500 ⁇ L of molasses is preferably used. This ratio is determined to provide the mixture with sufficient viscosity and flexibility necessary to manufacture biovinyl with optimal properties.
  • the method for manufacturing SCB biovinyl may include a step (S200) of heating a mixture.
  • the mixture can be heated to a temperature between 80°C and 150°C on a hot plate until boiling, and then cooled for approximately 10 minutes to lower the temperature.
  • the heating of the mixture ensures that the cornstarch, agar, molasses, and sugarcane husk powder are effectively mixed and dissolved, forming a uniform and stable mixture.
  • the mixture formed through this process serves as the basis for biovinyl. Heating and cooling at appropriate temperatures can optimize the physical properties and biodegradability of the final product.
  • the method for manufacturing SCB biovinyl may include a step (S300) of adding a mixed bacterial solution containing two or more types of bacteria to the mixture after heat-treating the mixture.
  • the mixed bacterial solution may be a solution in which two or more bacteria are diluted with 0.001 ABS.
  • the mixed bacterial solution may include one species of bacteria selected from the group of calcite-forming bacteria and another species of bacteria selected from the group of lignin-degrading bacteria.
  • the introduction of the selected bacteria activates the biovinyl in the soil and allows it to exert beneficial effects, which may contribute to improving the soil structure and nutritional status.
  • the mixed bacterial solution may be a solution in which the bacteria are diluted to 0.001 ABS (absorbance or optical density). This represents a very low bacterial concentration, which may be a condition for optimizing bacterial activity in a particular environment.
  • the calcite-forming bacteria group for soil improvement and biovinyl activation, it is preferable to extract and combine selected bacteria from each of the calcite-forming bacteria group and the lignin-decomposing bacteria group.
  • the selected bacteria can interact with each other to promote calcite formation and decompose lignin in the soil, thereby improving the physical and chemical properties of the soil.
  • the combination of bacteria described above may be designed to optimize the function of biovinyl.
  • Calcite-forming bacteria strengthen soil structure when biovinyl is applied to soil, and lignin-decomposing bacteria enhance the nutritional status of the soil by promoting the decomposition of organic matter such as sugarcane husks.
  • the mixed bacterial solution is preferably provided including Glutamibacter halopytocola, which promotes calcite formation, and Pristeria megaterium, which promotes lignin decomposition.
  • Glutamibacter halopytocola and Pristeria megaterium may be the most calcite-forming and lignin-decomposing bacteria in their respective groups. Glutamibacter halopytocola contributes to soil strengthening and structural stability, while Pristeria megaterium accelerates the decomposition of organic residues, such as sugarcane husks, thereby providing valuable nutrients to the soil.
  • the selected calcite-forming bacterium Glutamibacter halopytocola
  • Glutamibacter halopytocola is a Gram-positive, aerobic, non-motile bacterial species belonging to the genus Glutamicibacter, the family Microbacteriaceae, and the class Actinobacteria.
  • Glutamibacter halopytocola is found in various environmental sources and can produce plant growth-promoting bioactive compounds, possess chitinolytic activity, and maintain antifungal efficacy.
  • the optimal temperature for Glutamibacter halopytocola is 25-28°C, and the optimal pH is 7-7.5.
  • Pristeria megaterium formerly known as Bacillus megaterium
  • Bacillus megaterium is a Gram-positive bacterium.
  • Pristeria megaterium is primarily known for its beneficial effects on plant growth. Pristeria megaterium can act as a phosphate biofertilizer and promote nitrogen fixation. Pristeria megaterium can enhance plant growth and drought stress tolerance. Additionally, Pristeria megaterium can act as a biological pesticide due to its antipathogenic mechanism.
  • the method for producing SCB biovinyl may include a step (S400) of coagulating a mixture to which a mixed bacterial solution is added to produce sugarcane waste-based biovinyl.
  • This step involves the interaction of organic and inorganic substances formed through bacterial activity to form a robust biovinyl material.
  • This process can be carried out under specific conditions, with optimized environmental conditions such as temperature, pH, and humidity.
  • the SCB biovinyl of the present invention can be produced by pouring a mixture with a mixed bacterial solution into a 150 mm diameter petri dish and solidifying it in a fume hood.
  • SCB biovinyl produced through the aforementioned manufacturing steps, plays a vital role in improving and strengthening soil structure by supplying beneficial bacteria to damaged soil. For example, referring to Figure 2, if soil has high porosity, its water retention capacity may be reduced, limiting air and water access for plant roots.
  • SCB biovinyl i.e., calcite-forming bacteria
  • CaCO3 calcium carbonate
  • This process occurs through a reaction between calcium ions and carbon dioxide in the soil.
  • the resulting calcium carbonate partially fills the soil pores and strengthens the bonds between soil particles. Consequently, overall soil porosity increases and permeability decreases, which reduces water runoff and allows water to remain in the soil longer, allowing plant root systems to more effectively absorb the moisture and nutrients they need.
  • SCB biovinyl can contribute to reducing the negative environmental impacts of agricultural activities, including sugarcane farming. Improving and stabilizing soil structure enhances water retention capacity, prevents erosion, and promotes root development, improving overall crop growth conditions. Furthermore, the use of SCB biovinyl provides a sustainable method for recycling sugarcane waste, promoting waste management and efficient resource use, and contributing to the realization of a circular economy model within the agricultural ecosystem.
  • SCB bioplastics presents an innovative approach for sustainable management and improvement of the agricultural environment. This holds significant value as a strategy that simultaneously promotes soil health, protects water resources, and enhances agricultural productivity. Furthermore, it supports a circular economy through the recycling of waste generated from the sugarcane industry, providing additional environmental benefits such as reducing greenhouse gas emissions. This will address the waste issues that can arise during sugarcane cultivation and processing, and reduce environmental pollution.
  • Fig. 3 A represents sugarcane
  • B represents sugarcane waste, i.e., sugarcane husk
  • C and D represent the process of collecting SCB powder through sieving
  • E represents sterilized SCB powder.
  • sugarcane husk was prepared into powder form through the following process for effective use.
  • the sugarcane husks were removed and dried in a fume hood for 7 days.
  • the completely dried sugarcane husks were finely ground in a food processor into a powder.
  • the ground SCB was then sieved to collect the fine SCB powder and stored in a beaker.
  • the stored SCB powder was sterilized in an autoclave at 121 degrees Celsius and 1.5 atm for 15 minutes.
  • Figure 4A is an example diagram showing a donkey farm located in Gapyeong-gun
  • Figure 4B is an example diagram showing soil collected from each of a sheep farm and a donkey farm.
  • the generated NA and NB mixture was sterilized using an autoclave, and after sterilization, NB was poured into a tube and NA was poured into a petri dish and stored in a refrigerator at 4°C until solidification.
  • NA medium with added agar powder and NB medium without added agar powder were created, respectively.
  • distilled water 250 mL of distilled water (DW), 5 g of yeast extract, 2.5 g of ammonium chloride, 0.75 g of sodium chloride, and 5 g of urea were added to each of two flasks and combined.
  • UA (Urea Agar) medium was created by adding 3.75 g of agar powder to one of the two flasks, and UB (Urea Broth) medium without agar was created in the other flask.
  • FIG. 5A is an exemplary diagram showing the process of pouring a UA solution into a petri dish to create a UA medium
  • Figure 5B is an exemplary diagram showing a UB medium in a conical tube.
  • Fig. 6 shows the process of culturing farm soil bacteria in UA medium, where Fig. 6 A represents a diluted mixture of farm soil, and Fig. 6 B represents farm soil inoculated onto UA medium. In addition, Fig. 6 C shows UA medium inoculated inside an incubator.
  • Figure 7 shows farm soil bacteria cultured on NA and UA media
  • Figure 7A shows bacteria from donkey farm soil cultured on UA media
  • Figure 7B shows bacteria from sheep farm soil cultured on UA media
  • Figure 7C shows bacteria from donkey farm soil cultured on NA media
  • Figure 7D shows bacteria from sheep farm soil cultured on NA media.
  • each distinct bacterial colony was identified.
  • Each bacterial colony had a different morphology, and each colony was annotated to distinguish it.
  • each bacterial group was scraped using a 10 ⁇ L loop and mixed into a tube containing UB medium in a corresponding conical tube. In this case, each tube was made to contain only one bacterial colony. This process was repeated until all distinct bacterial colonies were isolated in each tube, and then cultured for 48 hours and mixed in a vortex mixer.
  • each bacterial solution was inserted into each well of a 96-well plate using a micropipette, and the ABS absorbance of the cultured bacteria was measured at a wavelength of 630 nm using a microplate reader.
  • FIG. 8 is a diagram related to the observation results of farm soil bacterial colonies cultured on urea agar medium.
  • FIG. 9 A shows soil bacterial samples in paper cups
  • B shows the process of drilling holes in the paper cups
  • C shows paper cups with holes (i.e., drainage holes) drilled in them
  • D shows the completed moisture drainage system
  • E shows the process of adding distilled water (DW) to the soil
  • F shows the paper cups being placed on a rocker.
  • the paper cups are used as containers for bacterial samples, and holes are drilled in the cups to allow water to pass through.
  • the water drainage system helps the added water to flow through the soil and be removed.
  • the step of adding DW to the soil controls the moisture conditions of the bacterial samples, and finally, the cups are placed on the rocker to ensure even processing of the samples.
  • a drainage system was constructed by stacking six-hole paper cups on top of each other. In this case, one drainage system was provided for each bacterial solution. 250 g of sterilized soil was mixed with 250 ml of distilled water at a 1:1 ratio, and 20 g of soil was added to each perforated paper cup.
  • a 2 mL bacterial solution was prepared by mixing 0.1 ABS equivalent of each bacterial solution with distilled water, and 2 mL of the bacterial solution was added to each soil-filled cup using a micropipette. After 72 hours at room temperature, 10 mL of distilled water was added to the soil inside the drainage cup, waited for 10 minutes, and after 10 minutes, another 10 mL of distilled water was added. To ensure uniform treatment of the sample and improve the accuracy of the experimental results, the cup was placed on a rocker after 50 minutes to reduce the adhesive force of the water and allow the water molecules within the sample to move more freely.
  • WHC Water Holding Capacity
  • WHC is measured by observing the release of moisture from the soil. A small incision is made in the bottom of a paper cup containing bacteria, and after 72 hours of bacterial growth, 20 ml of distilled water (DW) is added to the soil. The release of moisture from the soil is observed after 10 minutes, 1 hour, and 24 hours.
  • DW distilled water
  • a 10 ⁇ L loop was dipped into the supernatant of a 1:5 diluted mixture of farm soil and distilled water (DW), and streaked onto two NA agar plates per soil sample.
  • the agar plates were incubated at 28°C for 48 h.
  • Each distinct bacterial colony that appeared on the culture medium was observed and labeled with a different annotation.
  • Each bacterial colony was scraped using a 10 ⁇ L loop and mixed with NB agar into the corresponding conical tube. This process was repeated until all distinct bacterial colonies were isolated in each tube, and the tubes were then incubated for 48 h and mixed on a vortex mixer.
  • Fine SCB and Rough SCB provide differences in texture, while Fine SCB+NA refers to media with added NA nutrients to meet specific nutritional needs.
  • the sterilized mixture After cooling the sterilized mixture for a certain period of time, it was continuously mixed on a magnetic stirrer. The mixture was poured into a 60x15mm petri dish on a clean bench and left until solidified.
  • each bacterial solution was taken using a 10 ⁇ L loop and inoculated onto three types of agar media using the streak method.
  • the inoculated media were cultured at room temperature for 72 hours, as shown in Figure 10.
  • Figure 10A shows the process of preparing the three mixtures
  • Figure 10B shows farm soil cultured on SCB agar media.
  • a nutrient-free medium and a medium containing NA were compared, and the medium that showed sufficient bacterial growth even without nutrients was given priority.
  • the lignin-decomposing ability of the selected bacteria was confirmed under a microscope.
  • the decomposition ability was observed by comparing two bacterial candidates with E. coli, which does not decompose lignin, and a control group without bacteria.
  • the SCB broth medium containing the two bacterial candidates demonstrated greater degradation compared to E. coli and the control group. While the morphology was clearly visible in the SCB broth medium, the E. coli and control groups demonstrated a structureless, amorphous state. Through this process, the lignin-degrading capabilities of the selected bacterial candidates were confirmed.
  • Toxicity testing of selected bacteria is conducted to determine whether they have any harmful effects on the ecosystem or human health.
  • lettuce seeds were cultured under two different conditions and the results observed.
  • Figure 13 is a graph showing the number of shoots grown in lignin-decomposing bacteria soil samples for 4 days.
  • Figure 14 is a diagram showing shoots germinated from the selected candidate bacteria soil samples on the 4th day. Considering the lignin-decomposing ability and seed germination rate, SB and SC were finally selected.
  • biovinyl Two types were produced through the above procedure, but one biovinyl production process was performed by adding 500 ⁇ L of molasses. In other words, two types of biovinyl (without bacteria) were produced, with or without molasses added.
  • biovinyl Two types were produced through the above procedure, but one biovinyl production process was performed by adding 500 ⁇ L of molasses. In other words, two types of biovinyl (including bacteria) were produced, with and without molasses added.
  • Figure 15 illustrates the preparation process for a bacterial dispersal rate test of SCB biovinyl.
  • Figure 15 A illustrates the process of adding DE to soil
  • B illustrates the process of cutting biovinyl pieces
  • C illustrates the cut biovinyl
  • D illustrates the process of placing the biovinyl on soil.
  • a 10 ⁇ L loop was first immersed in the UB medium, then immersed at each marked point, and then mixed in a microtube containing 1000 ⁇ L of UB medium.
  • lignin-degrading bacteria the same procedure was performed using NB medium.
  • FIG. 16 is a diagram of the bacterial mobility test.
  • Figure 16 A shows the specific location where the soil was collected
  • Figure 16 B shows the process of recovering bacteria from the soil
  • Figure 16 C shows the process of measuring ABS.
  • the SCB biovinyl was manufactured based on cornstarch and agar, with SCB added to increase the strength of the vinyl.
  • SCB added to increase the strength of the vinyl.
  • lignin-decomposing bacteria were incorporated into the biovinyl.
  • a piece of bio-vinyl containing the selected bacteria was placed on a petri dish containing sterilized soil, and after 48 hours, bacterial growth was observed in the soil near, in the middle, and far from the bio-vinyl.
  • Figure 17 shows microscopic images of SCB biovinyl placed on soil after 24 hours.
  • the biovinyl maintains its structure and discolors when wet, regardless of the presence of bacteria.
  • the biovinyl provides sufficient time and nutrients for bacteria to reproduce.
  • the biovinyl containing lignin-degrading bacteria decomposed SCB to a greater extent than the other samples.
  • the SCB biovinyl promotes bacterial activity, leading to faster degradation.
  • a bacterial dispersion test was performed on a sterilized soil containing SCB bioplastic, and it was found that bacteria on a 0.5 cm x 0.5 cm piece of bioplastic were dispersed over a radius of 2.5 cm. This could mean, for example, that if a bioplastic with a diameter of 15 cm is placed on soil, bacteria will be dispersed over a soil area with a diameter of 1.5 m.
  • the final selected calcite-forming and lignin-degrading bacteria were cultured on agar media and then sent to MACROGEN in Korea for DNA sequencing using 16s rRNA and BLASTN analysis to identify their species.
  • the selected DG was identified as 99.58% identical to Glutamicibacter halophytocola, and the SC was identified as 92% identical to Priestia megaterium.
  • Glatamibacter halopytocola has lime-forming properties that improve soil porosity
  • Pristeria megaterium has lignin-decomposing properties that can effectively decompose cellulose.
  • Utilizing the SCB bioplastic of the present invention can improve and strengthen soil structure by supplying beneficial bacteria to damaged soil. This can reduce the negative environmental impact of sugarcane farming and improve the growing environment for crops.
  • recycling waste generated from the sugarcane industry can support a circular economy and provide additional environmental benefits, such as reducing greenhouse gas emissions. This can address waste issues that arise during sugarcane cultivation and processing, and reduce environmental pollution.
  • calcite-forming bacteria when calcite-forming bacteria are contained in the SCB biovinyl in an amount greater than that of lignin-decomposing bacteria, bacterial reproduction becomes active and dispersion can be improved.
  • calcite-forming bacteria be provided in an amount of 100 parts by weight or more per 100 parts by weight of lignin-decomposing bacteria. That is, when Glatamibacter halopytocola is provided in an amount of 100 parts by weight or more per 100 parts by weight of Pristeria megaterium, bacterial reproduction becomes active and dispersion can be improved.
  • [Table 3] below shows the dispersion results for SCB biovinyls manufactured by changing the ratio of Glatamibacter halopytocola to Pristeria megaterium. Specifically, the results of a bacterial dispersion test performed on SCB biovinyls manufactured based on mixed bacterial solutions corresponding to 50 parts by weight of Glatamibacter halopytocola to 100 parts by weight of Pristeria megaterium, 80 parts by weight of Glatamibacter halopytocola to 100 parts by weight of Pristeria megaterium, 100 parts by weight of Glatamibacter halopytocola to 100 parts by weight of Pristeria megaterium, 120 parts by weight of Glatamibacter halopytocola to 100 parts by weight of Pristeria megaterium, and 150 parts by weight of Glatamibacter halopytocola to 100 parts by weight of Pristeria megaterium are shown on sterilized soil. Each SCB biovinyl was placed on the soil and the absorbance measured at each location after 24 hours is shown.
  • Glatamibacter halopytocola is less than 100 parts by weight per 100 parts by weight of Pristeria megaterium (i.e., 50 parts by weight of Glatamibacter halopytocola to 100 parts by weight of Pristeria megaterium or 80 parts by weight of Glatamibacter halopytocola to 100 parts by weight of Pristeria megaterium)
  • the growth rate decreases, but when Glatamibacter halopytocola is 100 parts by weight or more per 100 parts by weight of Pristeria megaterium, the growth rate is confirmed to be significantly improved.
  • Figure 19 is an example diagram showing the dispersal speed according to the change in the stocking ratio of Glatamibacter halopytocola compared to Pristeria megaterium.
  • a relates to a biovinyl manufactured based on a mixed bacterial solution having a composition ratio of Pristeria megaterium and Glatamibacter halopytocola of 1:0.5
  • b relates to a biovinyl manufactured based on a mixed bacterial solution having a composition ratio of Pristeria megaterium and Glatamibacter halopytocola of 1:0.8
  • c relates to a biovinyl manufactured based on a mixed bacterial solution having a composition ratio of Pristeria megaterium and Glatamibacter halopytocola of 1:1
  • d relates to a biovinyl manufactured based on a mixed bacterial solution having a composition ratio of Pristeria megaterium and Glatamibacter halopytocola of 1:1.2
  • e relates to a biovinyl manufactured based on a
  • Glatamibacter halopytocola when Glatamibacter halopytocola is less than 100 parts by weight relative to 100 parts by weight of Pristeria megaterium, it can be confirmed that the dispersion of bacteria in the middle position is significantly less than that in the near position, as in a and b, and thus movement is slow.
  • Glatamibacter halopytocola when Glatamibacter halopytocola is included in a quantity greater than that of Pristeria megaterium (i.e., Glatamibacter halopytocola is more than 100 parts by weight relative to 100 parts by weight of Pristeria megaterium), the dispersion of bacteria in the middle position is higher than that in the nearest position, and thus, it can be confirmed that rapid dispersion is observed.
  • the mixed bacterial solution is composed of a calcite-forming bacterium, Glatamibacter halopytocola, in a larger amount than the lignin-decomposing bacterium, Pristeria megaterium, and the sugarcane waste-based biovinyl of the present invention is manufactured based on the mixed bacterial solution, it can be confirmed that the growth rate and dispersion rate are significantly increased. This shows that as the composition ratio of calcite-forming bacteria increases, more calcite is formed, strengthening the soil strength and improving porosity, thereby improving the growth rate and dispersion of lignin-decomposing bacteria.
  • beneficial bacteria can be supplied to damaged soil to improve and strengthen the soil structure.
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 사탕수수 폐기물을 기반으로 한 바이오비닐이 개시된다. 사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐은, 증류수, 옥수수전분(cornstarch), 아가르(agar), 사탕수수껍질(SCB, sugar cane bark) 및 두 종 이상의 박테리아가 혼합된 혼합 박테리아 용액을 포함하여 구성될 수 있으며, 토양에 제공되는 경우, 손상된 토양에 유익한 박테리아를 공급하여 토양의 구조를 개선하고 강화할 수 있다. 이로 인해 사탕수수 농업이 환경에 미치는 부정적인 영향을 줄이고, 농작물의 성장 환경을 개선할 수 있다.

Description

사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐 및 이의 제조 방법
본 발명은 환경 친화적인 소재의 개발에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 사탕수수 폐기물을 활용하여 토양 강화 및 오염 방지 기능을 가진 바이오비닐을 생성하는 방법에 관한 것이다.
사탕수수 농업은 전 세계적으로 중요한 산업이며, 특히 라틴 아메리카, 아프리카, 아시아 등의 열대 및 아열대 지역에서 주요 수입원으로 자리 잡고 있다. 다만, 사탕수수 농업의 확장과 관련된 환경적 영향은 무시할 수 없으며, 특히 사탕수수 폐기물의 처리 방식은 중대한 환경 문제를 야기한다.
사탕수수 폐기물의 소각은, 토양의 다공성과 침투율을 증가시켜 홍수에 대한 취약성을 높이는 주된 원인 중 하나이다. 이 외에도, 사탕수수 농장의 확장을 위한 삼림 벌채는 토양의 다공성 증가, 수분 보유 능력의 감소 및 토양의 물리적, 화학적, 생물학적 특성의 변화를 초래하여 자연 재해에 대한 지역의 취약성을 심화시킨다.
예를 들어, 온두라스와 같은 국가에서는 연평균 수십 차례의 홍수와 폭풍우, 그리고 가뭄이 발생하며, 이러한 자연재해는 주로 광범위한 삼림 벌채와 관련이 있다. 사탕수수는 해당 지역에서 주요 산업 작물이며, 사탕수수 농장을 위한 삼림 벌채는 이 지역의 생태적 취약성을 더욱 증가시키고 있다.
특히, 1961년부터 2020년까지 전 세계 사탕수수 생산량은 약 345% 증가했으며, 이러한 증가 추세는 앞으로도 지속될 것으로 예상되고 있으며, 이는 사탕수수 재배로 인한 환경 문제를 더욱 악화시킬 것으로 예상된다.
뿐만 아니라, 사탕수수 농업의 환경적 영향은 단지 토양 다공성의 증가와 삼림 벌채에만 국한되지 않는다. 사탕수수 폐기물의 부적절한 처리는 토양 산성화와 수질 부영양화를 유발할 수 있으며, 이는 생태계에 심각한 피해를 줄 수 있다. 다시 말해, 사탕수수 폐기물의 부적절한 처리는 토양 산성화 및 수질 부영양화를 유발하며, 사탕수수 폐기물을 적절하게 재활용함으로써 생태계의 피해를 줄일 수 있다.
그러나 사탕수수 폐기물을 기반으로 한 종래의 재활용 방안은 다소 비효율적일 수 있다. 구체적인 예를 들어, 사탕수수 폐기물을 활용한 종래의 바이오 에탄올 생산은, 생산 비용이 높고 유해 대기 오염 물질의 배출을 증가시킬 뿐 아니라 이산화탄소 배출량 감소 효과에 대한 불확실성 때문에 비효율적일 수 있다.
따라서, 사탕수수 농업으로 인해 발생하는 토양 황폐화 문제에 대한 해결책과 함께, 사탕수수 폐기물의 효율적 재활용 방안에 대한 필요성이 점증할 수 있다.
[선행기술문헌] 대한민국 등록특허공보 제10-0863158호
본 발명은 사탕수수 농업으로 인한 토양 황폐화 문제를 해결하고, 사탕수수 폐기물을 효과적으로 재활용하여 환경 친화적인 바이오비닐을 제공하기 위함이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐이 개시된다. 상기 사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐은, 증류수(DW, Distilled Water), 옥수수전분(Cornstarch), 아가르(Agar), 사탕수수껍질(SCB, SugarCane Bark) 및 두 종 이상의 박테리아가 혼합된 혼합 박테리아 용액을 포함할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 상기 옥수수전분은, 상기 증류수 100중량부 대비 0.5중량부 구비되며, 상기 아가르는, 상기 증류수 100중량부 대비 1중량부 내지 1.5중량부 구비되고, 상기 사탕수수껍질은, 상기 증류수 100중량부 대비 1중량부 구비될 수 있다.
대안적인 실시예에서, 상기 혼합 박테리아 용액은, 방해석 형성 박테리아(Calcite Producing Bacteria) 군에서 선택된 일 종의 박테리아 및 리그닌 분해 박테리아(Lignin Decomposing Bacteria) 군에서 선택된 다른 일 종의 박테리아를 포함할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 상기 혼합 박테리아 용액은, 글루타미박터 할로피토콜라(Glutamicibacter halophytocola) 및 프리스테리아 메가테리움(Priestia megaterium)을 포함할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 상기 혼합 박테리아 용액은, 둘 이상의 박테리아가 0.001 ABS로 희석된 용액일 수 있다.
대안적인 실시예에서, 상기 바이오비닐은, 상기 증류수 100중량부 대비 1중량부의 당밀(Molasses)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐 제조 방법이 개시된다. 상기 방법은, 증류수에 옥수수전분, 아가르, 사탕수수껍질을 투입하여 혼합물을 생성하는 단계, 상기 혼합물을 가열시키는 단계, 상기 혼합물을 가열 처리한 후, 상기 혼합물에 두 종 이상의 박테리아가 혼합된 혼합 박테리아 용액을 첨가하는 단계 및 상기 혼합 박테리아 용액이 첨가된 혼합물을 응고시켜 사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 상기 혼합물을 생성하는 단계는, 당밀을 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 상기 혼합 박테리아 용액은, 방해석 형성 박테리아 군에서 선택된 일 종의 박테리아 및 리그닌 분해 박테리아 군에서 선택된 다른 일 종의 박테리아를 포함할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 상기 혼합 박테리아 용액은, 글루타미박터 할로피토콜라 및 프리스테리아 메가테리움을 포함할 수 있다.
본 발명에 의해 제조된 사탕수수 폐기물 기반의 바이오비닐은, 손상된 토양에 유익한 박테리아를 공급하여 토양의 구조를 개선하고 강화할 수 있다. 이로 인해 사탕수수 농업이 환경에 미치는 부정적인 영향을 줄이고, 농작물의 성장 환경을 개선할 수 있다.
또한, 사탕수수 산업에서 발생하는 폐기물의 재활용을 통해 순환 경제를 지원하며, 온실가스 배출을 감소시키는 등의 추가적인 환경적 이점을 제공할 수 있다. 이를 통해 사탕수수 재배 및 처리 과정에서 발생할 수 있는 폐기물 문제를 해결하고, 환경 오염을 줄일 수 있다.
다양한 양상들이 이제 도면들을 참조로 기재되며, 여기서 유사한 참조 번호들은 총괄적으로 유사한 구성요소들을 지칭하는데 이용된다. 이하의 실시예에서, 설명 목적을 위해, 다수의 특정 세부사항들이 하나 이상의 양상들에 대한 총체적 이해를 제공하기 위해 제시된다. 그러나, 그러한 양상(들)이 이러한 구체적인 세부사항들 없이 실시될 수 있음은 명백할 것이다.
도 1은 본 발명의 사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐을 제조하는 제조방법에 대한 예시적인 순서도를 도시한다.
도 2는 토양의 공극에 따른 토양의 질을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련된 사탕수수폐기물의 준비 과정을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 토양 채취를 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예와 관련된 UA 및 UB 배지의 생성 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예와 관련된 UA 배지에 박테리아를 배양하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예와 관련된 도 7은 NA 및 UA 배지에서 배양된 농장 토양 박테리아의 관찰 결과에 관련한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예와 관련된 UA 배지에서 배양된 농장 토양 박테리아 콜로니의 관찰 결과에 관련한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예와 관련된 수분 보유 능력 테스트를 위한 준비 및 절차를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예와 관련된 세 종류의 아가르 배지에 각 박테리아 용액을 스트리킹 방법으로 접종하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예와 관련된 리그닌 분해 능력을 설명하기 위하여 현미경을 통해 배지를 관찰한 도면이다.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예와 관련된 토양 샘플들의 발아율을 나타낸 예시도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예와 관련된 SCB 바이오비닐의 박테리아 분산 속도 테스트 준비 과정을 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예와 관련된 박테리아 이동성 테스트 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예와 관련된 토양 위에 놓인 SCB 바이오비닐의 24시간 후 현미경 이미지에 관한 도면이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예와 관련된 각 박테리아의 번식률을 설명하기 위한 예시도이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예와 관련된 리그닌 분해 박테리아 대비 방해석 형성 박테리아의 구성 비율 변경에 따른 번식률을 설명하기 위한 예시도이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예와 관련된 SCB 바이오비닐을 통해 토양의 구조를 개선함을 보여주는 실험 결과값을 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐(SugarCane Bark Biovinyl)은, 손상된 토양에 유익한 박테리아를 공급하여 토양의 구조를 개선하고 강화할 수 있다. 본 발명의 사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐은, 분해 가능한 매트릭스 형태로 제작될 수 있으며, 토양에 삽입되는 방식으로 활용될 수 있다. 사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐은, 토양에 삽입되어 구비되는 경우, 유익한 박테리아를 방출하여 토양의 구조를 개선시킬 수 있다.
실시예에서, 사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐은 방해석 형성 박테리아와 리그닌 분해 박테리아를 포함하는 혼합 박테리아 용액을 통합함으로써, 토양의 물리적 구조를 강화하고 유기물의 분해를 촉진하여 토양의 영양 상태를 개선한다.
사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐은 자연적으로 분해되면서 선별된 박테리아가 토양 내에 방출되어 토양 침식을 줄이며, 수분 보유 능력을 증가시키고, 토양 내 미생물 다양성을 향상시키는 등 다양한 이점을 제공할 수 있다.
사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐은, 사탕수수 폐기물(즉, 사탕수수 껍질)을 포함하여 구비될 수 있다. 사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐은 생분해성이며, 토양에 삽입될 때 유익한 박테리아를 방출하여 토양의 건강을 개선하고 황폐화를 방지하는 역할을 한다. 이 과정에서 사탕수수 껍질과 같은 폐기물을 활용함으로써, 농업 부산물의 재활용을 촉진하고, 폐기물 처리 비용을 줄이며, 환경 보호에 기여한다. 사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐의 활용은, 사용은 사탕수수 농업으로 인한 토양 황폐화 문제에 대한 지속 가능하고 환경 친화적인 해결책을 제시하며, 사탕수수 폐기물을 재활용하여 생성된다는 점에서 경제적 가치 또한 제공한다.
본 발명에 의해 생성된 바이오비닐의 적용은 특히 사탕수수 재배 지역뿐만 아니라 다른 농업 지역에서도 토양 황폐화 문제를 해결하는데 유용하며, 지속 가능한 농업 관행과 환경 보호를 위한 새로운 방안을 제공한다.
이하에서는, 도 1 내지 도 20을 참조하여, 사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐, 그의 제조 방법 및 이를 통해 발생되는 효과에 대하여 보다 자세하게 후술하도록 한다.
도 1은 본 발명의 사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐을 제조하는 제조방법에 대한 예시적인 순서도를 도시한다. 도 2는 토양의 공극에 따른 토양의 질을 설명하기 위한 예시도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련된 사탕수수폐기물의 준비 과정을 나타낸 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 토양 채취를 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 5은 본 발명의 일 실시예와 관련된 UA 및 UB 배지의 생성 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예와 관련된 UA 배지에 박테리아를 배양하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예와 관련된 도 7은 NA 및 UA 배지에서 배양된 농장 토양 박테리아의 관찰 결과에 관련한 도면이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예와 관련된 UA 배지에서 배양된 농장 토양 박테리아 콜로니의 관찰 결과에 관련한 도면이다. 도 9는 본 발명의 일 실시예와 관련된 수분 보유 능력 테스트를 위한 준비 및 절차를 설명하기 위한 도면이다. 도 10은 본 발명의 일 실시예와 관련된 세 종류의 아가르 배지에 각 박테리아 용액을 스트리킹 방법으로 접종하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 11은 본 발명의 일 실시예와 관련된 리그닌 분해 능력을 설명하기 위하여 현미경을 통해 배지를 관찰한 도면이다. 도 12 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예와 관련된 토양 샘플들의 발아율을 나타낸 예시도이다. 도 15는 본 발명의 일 실시예와 관련된 SCB 바이오비닐의 박테리아 분산 속도 테스트 준비 과정을 나타낸 도면이다. 도 16은 본 발명의 일 실시예와 관련된 박테리아 이동성 테스트 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 17은 본 발명의 일 실시예와 관련된 토양 위에 놓인 SCB 바이오비닐의 24시간 후 현미경 이미지에 관한 도면이다. 도 18은 본 발명의 일 실시예와 관련된 각 박테리아의 번식률을 설명하기 위한 예시도이다. 도 19는 본 발명의 일 실시예와 관련된 리그닌 분해 박테리아 대비 방해석 형성 박테리아의 구성 비율 변경에 따른 번식률을 설명하기 위한 예시도이다. 도 20은 본 발명의 일 실시예와 관련된 SCB 바이오비닐을 통해 토양의 구조를 개선함을 보여주는 실험 결과값을 도시한다.
도 1은 본 발명의 사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐(이하 'SCB 바이오비닐')을 제조하는 제조방법에 대한 예시적인 순서도를 도시한다. 도 1에 도시된 단계들은 필요에 의해 순서가 변경될 수 있으며, 적어도 하나 이상의 단계가 생략 또는 추가될 수 있다. 즉, 이하의 순서들은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 권리 범위는 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, SCB 바이오비닐 제조 방법은, 증류수에 옥수수전분, 아가르, 사탕수수껍질(SCB)을 투입하여 혼합물을 생성하는 단계(S100)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 증류수는, 혼합물의 구성 요소들이 균일하게 분산되도록 하는 용매로 사용될 수 있다.
옥수수전분은, 바이오비닐의 구조적 뼈대를 제공하며, 분해될 때 토양에 유익한 영양소를 공급하여 생물학적 활성을 촉진하는 역할을 한다.
아가르는, 젤 형태의 매트릭스를 형성하여 바이오비닐의 물리적 안정성을 높이고, 제품의 형태를 유지하는 역할을 한다. 이는 바이오비닐이 환경에 적용될 때 일정 기간 동안 그 형태와 기능을 유지할 수 있도록 돕는다.
사탕수수껍질은, 재생 가능한 자원으로서 바이오비닐에 필요한 유기적 구성 요소를 제공한다. 사탕수수 껍질은, 최종 생성되는 바이오비닐의 전체적인 강도를 증가시킬 수 있다. 이러한, 사탕수수 껍질의 활용은 사탕수수 재배로 발생하는 농업 폐기물을 효과적으로 재활용함으로써 환경적 지속 가능성을 증진시킨다.
실시예에 따르면, 사탕수수 껍질은 효과적인 사용을 위해 다음과 같은 과정을 거쳐 가루 형태로 준비될 수 있다.
먼저, 사탕수수 껍질을 제거한 후, 이를 흄 후드(fume hood) 내에서 7일간 건조시켜 완전히 말릴 수 있다. 이 단계는 사탕수수 껍질 내의 수분을 제거하여 분쇄 과정이 더욱 효율적으로 이루어지도록 하기 위함이다.
완전히 건조된 사탕수수 껍질(SCB)을 푸드 프로세서(food processor)에 넣어 곱게 갈아 분말 형태로 만들 수 있다. 이 과정은 사탕수수 껍질의 물리적 구조를 미세화하여 바이오비닐 제조 시 혼합 용이성을 향상시키기 위함이다.
분쇄된 SCB를 체를 사용하여 거르면, 미세한 SCB 분말을 획득할 수 있다. 이렇게 얻어진 미세 분말은 용기에 보관되며, 이는 추후 바이오비닐 제조 과정에서 사용된다. 준비된 SCB 분말을 오토클레이브(autoclave)에서 121도 Celsius, 1.5기압의 조건에서 15분간 멸균 처리한다. 멸균 처리는, 사탕수수 껍질 분말이 바이오비닐 제조 과정에서 활용되기 전에 미생물 오염을 방지하고 제품의 안전성을 보장하기 위한 것일 수 있다.
실시예에 따르면, 옥수수전분은, 증류수 100중량부 대비 0.5중량부 구비되며, 아가르는, 증류수 100중량부 대비 1중량부 내지 1.5중량부 구비되고, 사탕수수껍질은, 상기 증류수 100중량부 대비 1중량부 구비될 수 있다. 일 예로, 증류수가 50mL 구비되는 경우, 옥수수전분은 0.25g 구비되며, 아가르는 0.5 내지 0.75g 구비되고, 사탕수수껍질은 0.5g 만큼 구비될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 혼합물을 생성하는 단계는, 당밀을 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
실시예에서, 당밀이 첨가되는 경우, 최종 제품인 SCB 바이오비닐의 성능에 여러 긍정적인 효과를 야기할 수 있다. 당밀의 첨가는 SCB 바이오비닐 내의 박테리아, 특히 방해석 형성 박테리아의 성장률과 분산 속도를 증가시키는 역할을 하며, 하기와 같은 두 가지 주요 이점을 제공한다.
첫째, 박테리아의 성장률이 증가함으로써, SCB 바이오비닐이 토양에 적용될 때, 토양 강화와 개선을 위한 박테리아 활동이 보다 효과적으로 이루어지게 된다. 당밀은 SCB 바이오비닐이 분해되는 동안 박테리아에 추가적인 영양분을 제공하여, 더 많은 박테리아가 활발하게 번식하고 활동할 수 있는 환경을 조성한다.
둘째, 당밀의 첨가로 인한 박테리아의 빠른 분산 속도는 바이오비닐이 토양 내에서 더 균일하게 작용하도록 도울 수 있다. 이는 토양 개선 및 강화 효과가 SCB 바이오비닐이 적용된 토양 전반에 보다 균일하게 분포될 수 있게 하며, 이로 인해 토양의 건강과 구조가 전체적으로 개선될 수 있다.
이와 같이, 당밀을 첨가하여 생성된 SCB 바이오비닐은, 박테리아의 활성 증가와 효율적인 분산을 통해 토양의 건강을 촉진하고 강화하는 데 기여할 수 있다.
또한, 실시예에서, 당밀은, 바이오비닐 혼합물의 점성을 증가시키고, 최종 제품의 유연성과 강도를 향상시키는 역할을 한다. 또한, 당밀은 사탕수수 껍질과 함께 바이오비닐 제조 과정에서 자연적인 결합제 역할을 하여 혼합물의 일관성을 보장한다. 당밀의 경우, 증류수 100중량부 대비 1중량부 구비되는 것이 바람직하다. 즉, 증류수가 50ml인 경우, 당밀은, 500μL 포함되는 것이 바람직하다. 이 비율은 최적의 특성을 지닌 바이오비닐을 제조하기 위해 필요한 충분한 점성과 유연성을 혼합물에 제공하기 위해 결정된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, SCB 바이오비닐 제조 방법은, 혼합물을 가열하는 단계(S200)를 포함할 수 있다.
일 예로, 혼합물을 핫플레이트에서 80℃ 내지 150℃ 범위로 가열하여 끓일 수 있으며, 끓인 후에는 약 10분간 식혀서 혼합물의 온도를 낮출 수 있다. 혼합물의 가열은, 옥수수전분, 아가르, 당밀, 그리고 사탕수수 껍질 분말이 효과적으로 혼합되고 용해되어, 균일하고 안정적인 혼합물을 형성하도록 하기 위함이다. 이러한 과정을 통해 형성된 혼합물은 바이오비닐의 기반이 되며, 적절한 온도에서 가열하고 식히는 과정을 거치면 최종 제품의 물리적 성질과 생분해성을 최적화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, SCB 바이오비닐 제조 방법은, 혼합물을 가열 처리한 후, 혼합물에 두 종 이상의 박테리아가 혼합된 혼합 박테리아 용액을 첨가하는 단계(S300)를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 혼합 박테리아 용액은, 둘 이상의 박테리아가 0.001 ABS로 희석된 용액일 수 있다.
혼합 박테리아 용액은, 방해석 형성 박테리아 군에서 선택된 일 종의 박테리아 및 리그닌 분해 박테리아 군에서 선택된 다른 일 종의 박테리아를 포함할 수 있다. 선택된 박테리아의 도입은, 바이오비닐이 토양 내에서 활성화되어 유익한 작용을 하도록 하며, 이는 토양의 구조와 영양 상태를 개선하는 데 기여할 수 있다.
실시예에서, 혼합 박테리아 용액은, 박테리아가 0.001 ABS(흡광도 또는 광학밀도)로 희석된 용액일 수 있다. 이는 매우 낮은 박테리아 농도를 의미하며, 특정 환경에서의 박테리아 활동을 최적화하기 위한 조건일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 토양 개선 및 바이오비닐 활성화를 위하여, 방해석 형성 박테리아 군 및 리그닌 분해 박테리아 군 각각에서 선택된 박테리아를 추출하여 조합하는 것이 바람직하다. 선택된 박테리아는 서로 상호작용하여 토양 내에서 방해석의 형성을 촉진하고 리그닌을 분해함으로써 토양의 물리적 및 화학적 속성을 개선할 수 있다.
즉, 전술한 박테리아들의 조합은 바이오비닐의 기능을 최적화하기 위해 고안된 것일 수 있다. 방해석 형성 박테리아는 바이오비닐이 토양에 적용될 때 토양 구조를 강화하고, 리그닌 분해 박테리아는 사탕수수 껍질 등의 유기물 분해를 촉진하여 토양의 영양 상태를 향상시키는 역할을 수행한다.
보다 구체적인 실시예에서, 혼합 박테리아 용액은, 방해석 형성을 촉진하는 글루타미박터 할로피토콜라 및 리그닌 분해를 촉진하는 프리스테리아 메가테리움을 포함하여 구비되는 것이 바람직하다.
글루타미박터 할로피토콜라 및 프리스테리아 메가테리움은 각 군에서 방해석 형성과 리그닌 분해 능력이 가장 박테리아일 수 있다. 글루타미박터 할로피토콜라는 토양 강화와 구조적 안정성 향상에 기여하는 반면, 프리스테리아 메가테리움은 사탕수수 껍질 같은 유기 잔여물의 분해를 가속화하여 토양에 유용한 영양소를 제공할 수 있다.
실시예에서, 선택된 방해석 형성 박테리아인 글루타미박터 할로피토콜라는, 그람 양성, 호기성이며 비운동성 박테리아 종으로, Glutamicibacter 속에 속하며 Microbacteriaceae과 및 Actinobacteria강에 속한다. 글루타미박터 할로피토콜라는 다양한 환경 소스에서 발견되며, 식물 성장 촉진 생물활성 화합물을 생산하고, 키틴 분해 활성을 가지며 항진균 효능을 유지할 수 있다. 글루타미박터 할로피토콜라의 최적 온도는 25-28°C이며, 최적 pH는 7-7.5이다.
실시예에서, 선택된 리그닌 분해 박테리아인 프리스테리아 메가테리움은 이전에 Bacillus megaterium으로 알려졌으며, 그람 양성 박테리아이다. 프리스테리아 메가테리움은 주로 식물 성장에 대한 유익한 효과로 알려져 있다. 프리스테리아 메가테리움은 인산염 생물비료로 작용하고 질소 고정을 촉진할 수 있다. 프리스테리아 메가테리움은, 식물 성장과 가뭄 스트레스 내성을 증진시킬 수 있다. 또한, 프리스테리아 메가테리움, 항병원성 메커니즘으로 인한 생물학적 살충제 역할을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, SCB 바이오비닐 제조 방법은, 혼합 박테리아 용액이 첨가된 혼합물을 응고시켜 사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐을 생성하는 단계(S400)를 포함할 수 있다.
해당 단계는 박테리아의 활동을 통해 형성된 유기 및 무기 물질이 상호 작용하여, 견고한 바이오비닐 소재를 형성하는 단계이다. 이 과정은 온도, pH, 및 습도 등의 환경 조건이 최적화된 특정 조건 하에서 진행될 수 있다.
일 예로, 혼합 박테리아 용액이 첨가된 혼합물을 150mm 지름의 페트리 접시에 부어 흄후드에서 굳히는 과정을 통해 본 발명의 SCB 바이오비닐을 생성할 수 있다.
전술한 제조 단계를 거쳐 생성된 SCB 바이오비닐은, 손상된 토양에 유익한 박테리아를 공급하여 토양의 구조를 개선하고 강화하는 중요한 역할을 훈다. 예컨대, 도 2를 참조하면, 토양의 공극률이 큰 경우, 수분 보유 능력이 저하되고, 식물 뿌리의 공기와 물의 접근이 제한될 수 있다.
한편, SCB 바이오비닐에 포함된 박테리아(즉, 방해석 형성 박테리아)는 토양의 미세 공극 내에서 칼슘 카보네이트(CaCO3)를 생성한다. 이 과정은 토양 내의 칼슘 이온과 이산화탄소가 반응하여 진행되며, 생성된 칼슘 카보네이트는 토양 공극을 부분적으로 채우며, 토양 입자 간의 결합을 강화시킨다. 결과적으로, 전반적인 토양의 다공성은 증가하고 투수성은 감소하게 되는데, 이는 물의 유출을 줄이고 토양에 물이 더 오래 머물도록 하여, 식물의 뿌리 시스템이 필요한 수분과 영양소를 더욱 효과적으로 흡수할 수 있도록 한다.
이러한 SCB 바이오비닐의 효과는, 사탕수수 농업을 포함한 농업 활동이 환경에 미치는 부정적인 영향을 줄이는 데 기여할 수 있다. 토양 구조의 개선과 안정화는 물의 보유 능력을 향상시키고, 침식을 방지하며, 식물의 뿌리 발달을 촉진하여 전체적인 농작물의 성장 조건을 개선한다. 또한, SCB 바이오비닐의 사용은 사탕수수 폐기물을 재활용하는 지속 가능한 방법을 제공함으로써, 폐기물 관리와 자원의 효율적 사용을 촉진하고, 농업 생태계 내에서 순환 경제 모델을 실현하는 데 도움을 준다.
결론적으로, SCB 바이오비닐의 개발과 활용은 농업 환경의 지속 가능한 관리와 개선을 위한 혁신적인 접근 방식을 제시하며, 이는 토양 건강의 증진, 수자원의 보호, 그리고 농업 생산성의 향상을 동시에 달성할 수 있는 전략으로서 중요한 가치를 가진다. 또한, 사탕수수 산업에서 발생하는 폐기물의 재활용을 통해 순환 경제를 지원하며, 온실가스 배출을 감소시키는 등의 추가적인 환경적 이점을 제공할 수 있다. 이를 통해 사탕수수 재배 및 처리 과정에서 발생할 수 있는 폐기물 문제를 해결하고, 환경 오염을 줄일 수 있다.
이하에서는 본 발명인 SCB 바이오비닐의 효과성을 검증하기 위해 수행된 다양한 실험 방법과 그 결과에 대해 자세하게 후술한다.
사탕수수 폐기물(사탕수수 껍질) 준비
사탕수수껍질의 경우, 도 3에 관련한 과정을 통해 준비하였다. 도 3에서 A는 사탕수수를 나타내며, B는 사탕수수 폐지물 즉, 사탕수수 껍질을 나타내고, C 및 D는 체질을 통해 SCB 분말을 수집하는 과정을 나타내고, E는 멸균된 SCB 분말을 나타낸다.
보다 구체적으로, 사탕수수 껍질은 효과적인 사용을 위해 다음과 같은 과정을 거쳐 가루 형태로 준비하였다.
먼저, 사탕수수 껍질을 제거한 후, 이를 흄 후드(fume hood) 내에서 7일간 건조시켰다. 완전히 건조된 사탕수수 껍질을 푸드 프로세서(food processor)에 넣어 곱게 갈아 분말 형태로 만들고, 이후, 분쇄된 SCB를 체를 사용하여 거르면, 미세한 SCB 분말을 수집하여 비커에 보관하였다. 미생물 오염을 방지하고 제품의 안전성을 보장하기 하기 위하여, 보관된 SCB 분말을 오토클레이브(autoclave)에서 121도 Celsius, 1.5기압의 조건에서 15분간 멸균 처리를 수행하였다.
실험을 위한 토양 채취
경기도 가평군 설악면에서 양 농장 및 당나귀 농장 각각에서 2종의 토양을 400g 지퍼팩에 담아서 채취하였으며, 채취된 토양은 24시간 이내에 실험실로 옮겨져 사용할 때까지 4℃의 온도에서 보관하였다.
도 4의 A는 가평군에 위치한 당나귀 농장을 보여준 예시도이며, B는 양 농장 및 당나귀 농장 각각에서 채취한 토양을 보여주는 예시도이다.
박테리아 배양 배지 준비
1) NA 배지 및 NB 배지
250mL 증류수(DW)와 Nutrient Broth(NB) 분말 2g씩 2개의 500mL의 에플렌마이어 플라스크에 각각 첨가하였다. 즉, 증류수 및 NB 분말이 함유된 2개의 플라스크를 준비하였으며, 2개의 플라스크 중 하나의 플라스크에 3.75g의 아가르 분말을 첨가하여 NA(Nutrient Agar) 배지를 생성하였으며, 다른 하나의 플라스크는 아가르가 첨가되지 않은 NB 배지로 생성하였다.
이후, 생성된 NA와 NB 혼합물을 오토클레이브를 사용하여 멸균 처리하였으며, 멸균 처리 이후, NB는 튜브에 붓고 NA는 페트리 접시에 부어 응고될 때까지 4℃에서 냉장 보관하였다.
이러한 과정을 통해 아가르 분말을 첨가된 NA 배지 및 아가르 분말이 첨가되지 않은 NB 각각을 생성하였다.
2) UA 배지 및 UB 배지
증류수(DW) 250mL, 효모 추출물(yeast extract) 5g, 염화암모늄(ammonium chloride) 2.5g, 염화나트륨(sodium chloride) 0.75g, 요소(urea) 5g을 2개의 플라스크 각각에 첨가하여 조합하였다.
2개의 플라스크 중 하나의 플라스크에 3.75g의 아가르 분말을 첨가하여 UA(Urea Agar) 배지를 생성하였으며, 다른 하나의 플라스크는 아가르가 첨가되지 않은 UB(Urea Broth) 배지로 생성하였다.
이후, 생성된 UA와 UB 혼합물을 오토클레이브를 사용하여 멸균 처리하였으며, 멸균 처리 이후, UB는 튜브에 붓고 UA는 페트리 접시에 부어 응고될 때까지 4℃에서 냉장 보관하였다. 도 5의 A는 UA 용액을 페트리 접시에 붓고 UA 배지를 생성하는 과정을 나타낸 예시도이며, B는 원추형 튜브에서의 UB 배지를 나타낸 예시도이다.
방해석 형성 박테리아
각 토양 유형 별로, 1:5 희석 혼합물 두 개를 제조하였다. 각 토양 유형별로 1g의 토양이 50mL 튜브에 4mL의 증류수와 함께 추가하였다. 혼합물은 로, vortex mixer을 통해 혼합된 후 상층액과 침전물이 분리될 때까지 방치되었으며, 10μL 루프를 상층액에 담그고 각 토양 샘플당 2개의 UA 평판에 접종하여 streaking 방법으로 배양하였으며, 아가르가 포함된 배지는 28°C에서 48시간 동안 인큐베이터에 배치되었다.
상기의 과정은 도 6에 도시된 바와 같다. 도 6은 UA 배지에서 농장 토양 박테리아를 배양하는 과정을 보여주는 것으로, 도 6의 A는 농장 토양의 희석 혼합물을 나타내며, B는 UA 배지 위에 접종된 농장 토양을 나타낸다. 또한, 도 6의 C는 인큐베이터 안에 접종된 UA 배지를 보여준다.
도 7은 NA 및 UA 배지에서 배양된 농장 토양 박테리아에 관한 것으로, 도 7의 A는 당나귀 농장 토양의 박테리아가 UA 배지 위에서 배양된 것을 나타내며, B는 양 농장 토양의 박테리아가 UA 배지 위에서 배양된 것을 나타낸다. 또한, 도 7의 C는 당나귀 농장 토양의 박테리아가 NA 배지 위에서 배양된 것을 나타내며, D는 양 농장 토양의 박테리아가 NA 배지 위에서 배양된 것을 나타낸다.
보다 구체적으로, 박테리아 배양 배지는, 도 7과 같이 관찰되었으며, 각각이 구별되는 박테리아 콜로니 식별하였다. 각각 다른 형태의 박테리아 콜로니가 존재하며, 각 콜로니의 구분을 위해, 각 콜로니에 주석(annotation)을 달았다. 각 콜로니에 표시된 주석을 바탕으로 10μL 루프 사용하여 각 박테리아 군을 긁어내어 해당하는 원추형 튜브에 UB 배지가 담긴 튜브에 혼합하였다. 이 경우, 각 튜브에는 오직 하나의 박테리아 콜로니 만이 포함되도록 하였다. 이와 같이, 모든 구별되는 박테리아 콜로니가 각각의 튜브에 분리될때까지 반복하였으며, 이후 48시간 동안 배양하였고, vortex mixer에서 혼합하였다.
이후, micropipette을 사용하여 각 박테리아 용액 200μL을 96-well plate의 각 웰(well)에 삽입하였으며, microplate reader를 통해 630nm 파장에서 배양된 박테리아의 ABS흡광도 측정하였다.
즉, 당나귀 및 양 농장 각각의 토양에서 방해석 형성 박테리아를 UA 배지에 배양하였으며, 배양된 박테리아 콜로니들은 크기, 가장자리, 색상, 질감, 높이, 투명도의 6가지 카테고리로 분류하였다. 도 8은 Urea Agar 배지에서 배양된 농장 토양 박테리아 콜로니의 관찰 결과에 관련한 도면이다.
분리 결과, 24개의 개별 콜로니들은 UB 매체에서 분리하여 배양되었다. 당나귀 농장에서 온 10개의 박테리아 콜로니는 DA, DB쪋 DJ로 라벨링되었으며, 양 농장에서 온 14개의 박테리아 콜로니는 SA, SB쪋 SO로 라벨링되었다.
수분 보유 능력 테스트
도 9에 도시된 바와 같이, 수분 보유 능력 테스트를 위한 준비 및 절차를 진행하였다. 도 9의 A는 종이컵에 담긴 토양 박테리아 샘플들을 나타내며, B는 종이컵에 구멍을 뚫는 작업 과정을 보여주고, C는 구명(즉, 배수구)이 뚫린 종이컵을 나타내며, D는 완성된 수분 배수 시스템을 나타내며, E는 토양에 DW(증류수)를 추가하는 과정을 보여주며, F는 종이컵을 록커 위에 위치시킴을 보여준다. 종이컵은 박테리아 샘플을 담는 용기로 사용되며, 컵에 구멍을 뚫어 물이 통과할 수 있게 한다. 물 배수 시스템은 추가된 물이 토양을 통해 흐르고 제거될 수 있도록 돕는다. DW를 토양에 추가하는 단계는 박테리아 샘플의 수분 조건을 조절하며, 최종적으로 록커에 컵을 배치하여 샘플이 균일하게 처리될 수 있도록 한다.
보다 구체적으로, 6개의 구멍이 있는 종이컵을 다른 종이컵과 겹쳐서 배수 시스템을 구성하였다. 이 경우, 박테리아 용액당 1개의 배수 시스템을 구비하였다. 멸균된 토양 250g을 증류수 250ml 1:1 비율로 혼합하였으며, 구멍이 뚫린 종이컵에 20g 토양을 추가하였다.
각 박테리아 용액의 0.1 ABS에 해당하는 양을 증류수와 혼합하여 2mL 박테리아 용액을 생성하였으며, 마이크로 피펫을 사용하여 2mL 박테리아 용액을 흙이 채워진 각 컵에 추가하였다. 실온에서 72시간 후 배수 컵 내부의 토양에 증류수 10mL를 추가하고 10분 대기하였으며, 10분 후 증류수 10mL 추가 투입하였다. 샘플의 균일한 처리 및 실험 결과의 정확도 향상을 위하여, 50분 후 컵을 록커에 올려 물의 접착력을 줄이고, 샘플 내의 물 분자들이 더 자유롭게 움직이도록 하였다.
수분 보유 능력 테스트 결과
수분 보유 능력 WHC(Water Holding Capacity)은 주어진 토양이 공극 내에 수분을 유지하는 능력을 의미할 수 있다. 해당 테스트는 토양 내에 방해석이 형성되어 있는지를 식별하기 위한 것이다. 높은 WHC는, 방해석이 형성되어 토양을 압축했다는 것을 나타낼 수 있다.
WHC는 토양의 수분 방출을 관찰함으로써 측정된다. 박테리아가 들어 있는 종이컵 바닥에 작은 절개를 내고, 박테리아가 72시간 동안 번식한 후 토양에 20ml의 증류수(DW)를 추가한다. 토양의 수분 방출은 10분, 1시간, 그리고 24시간 후에 관찰되었다.
총 24개의 박테리아 토양 샘플 중, 수분 방출이 없는 것(즉, 방해석의 형성을 보여줌)으로, 다음의 9개가 선택되었습니다. SA, SH, SK, SL, SR, DG, DH, DK, DL.
리그닌 분해 박테리아
각 토양 유형 별로, 1:5 희석된 농장 토양과 DW(증류수)의 혼합물 상층액에 10 μL 루프를 담갔다가, 각 토양 샘플당 2개의 NA 배지에 streaking 방법으로 접종하였다. 아가르 배지는 28°C에서 48시간 동안 인큐베이터에 배치되었다. 배양 배지에 나타난 각각의 구별되는 박테리아 콜로니가 관찰되었으며, 각 콜로니에 상이한 주석을 달아 표시하였다. 10 μL 루프를 사용하여 각 박테리아 클로니를 긁어내어 해당하는 원추형 튜브에 NB 배지와 혼합하였다. 이와 같이, 모든 구별되는 박테리아 콜로니가 각각의 튜브에 분리될때까지 반복하였으며, 이후 48시간 동안 배양하였고, vortex mixer에서 혼합하였다.
리그닌 분해 테스트
이하의 [표 1]과 같이 3 종류의 아가르 배지가 제작하였다.
Agar Medium Type Materials
Fine SCB 1 g fine SCB powder, 3 g agar powder
Rough SCB 1 g rough SCB powder, 3 g agar powder
Fine SCB+NA powder, 0.4 g nutrient broth powder 1 g fine SCB powder, 3 g agar
세분화된 SCB(Fine SCB)와 거친 SCB(Rough SCB)는 텍스처의 차이를 제공하며, 세분화된 SCB+NA는 특정 영양 요구를 충족시키기 위해 NA 영양소가 추가된 배지를 의미한다.
표 1에 나열된 재료들이 각각의 3개 비커에 200mL의 DW(증류수)와 함께 추가되었다. 각 비커에는 magnetic bar가 추가되어 magnetic stirrer를 사용해 혼합되었다. 그 후, 혼합물들은 autoclave에서 멸균 처리되었다.
멸균된 혼합물을 일정 시간 식힌 후, 자석 교반기에서 계속 혼합되었다. 혼합물은 클린 벤치에서 60x15mm 페트리 접시에 부어, 응고될 때까지 방치하였다.
이후, 10 μL 루프를 사용하여 각 박테리아 용액을 취한 다음, 세 종류의 아가르 배지에 스트리킹 방법으로 접종하였다. 접종된 배지들은 도 10과 같이, 실온에서 72시간 동안 배양되었다. 도 10의 A는 3 가지의 혼합물을 준비하는 과정을 나타내며, B는 SCB 아가르 배지에서 배양된 농장 토양을 나타낸다.
영양분이 없는 배지와 NA가 함유된 배지를 비교되었으며, 영양소 없이도 박테리아의 충분한 증식을 보인 경우 우선적으로 선정하였다.
선정된 박테리아의 리그닌 분해 능력은 현미경을 통해 확인하였다.
리그닌을 분해하지 않는 E. coli 및 박테리아가 없는 대조군과 2개의 박테리아 후보를 비교함으로써 분해 능력을 관찰하였다.
도 11에서 볼 수 있듯이, 두 박테리아 후보가 있는 SCB 브로스 매체에서는 E. coli 및 대조군에 비해 더 많이 분해됨을 확인할 수 있다. SCB 브로스 매체에서는 형태가 명확하게 보이는 반면, E. coli 및 대조군에서는 구조가 없고 아모르프한 상태(amorphous state)임을 확인할 수 있었다. 이러한 과정을 통해 선정된 박테리아 후보의 리그닌 분해 능력이 확인되었다.
선별된 박테리아의 생물학적 독성 테스트
선정된 박테리아에 대한 독성 테스트는 생태계 또는 인간 건강에 해로운 영향을 주는지 파악하기 위함이다.
독성 테스트를 위하여, 두 가지 다른 조건 하에서 상추 씨앗을 배양하고, 그 결과를 관찰하였다.
먼저, 방해석 형성 박테리아가 있는 토양의 경우, 배수되지 않은 물을 제거한 후, 방해석 형성 박테리아가 있는 선별된 토양 위에 9개의 상추 씨앗을 세로 3개 가로 3개로 균등하게 배치하였다. 이 경우, 컵은 8.5cm x 5.5cm 크기의 플라스틱 돔 커버로 보온되었다.
리그닌 분해 박테리아가 있는 토양의 경우, 멸균된 토양과 증류수를 1:1 비율로 혼합하였다. 또한, 접시(5.5cm x 1.5cm)의 절반을 혼합 토양으로 채우고, 토양 위에 9개의 상추 씨앗을 배치하였다.
이후, 각 샘플 위에 0.1 ABS 농도의 박테리아 용액을 1mL을 분무하였으며, 발아를 관찰하여 방해석 형성 박테리아와 리그닌 분해 박테리아가 상추 씨앗의 발아에 미치는 영향을 관찰하였다. 발아한 종자의 수를 4일 동안 매일 기록하였으며, 씨앗의 발아율을 통해 박테리아의 영향을 평가하였다.
방해석 형성 박테리아가 있는 토양 샘플 중 발아율이 가장 높았던 박테리아 토양 샘플은, 도 12와 같이, DG, DH 박테리아가 있는 샘플로 확인되었다.
또한, 리그닌 형성 박테리아가 있는 토양 샘플 또한, 4일 동안 매일 기록되었으며, 도 13 및 14을 통해 확인할 수 있듯이, SB, SC, DD, DE, DF 박테리아 토양 샘플은 대조군에 비해 더 나은 성장률을 보였다. 도 13은 리그닌 분해 박테리아 토양 샘플에서 4일 동안 자란 싹의 수를 기록하여 나타낸 그래프이다. 도 14는, 4일째에 선정된 후보 박테리아 토양 샘플에서 발아된 싹을 보여주는 도면이다. 리그닌 분해 능력과 씨앗 발아율을 고려하여, SB와 SC가 최종 선별되었다.
선별된 박테리아가 함유된 SCB 바이오비닐
1) 박테리아가 포함되지 않은 두 가지 유형의 바이오비닐 생성
(1) 먼저 50mL의 증류수(DW), 0.25g의 옥수수 전분, 0.75g의 아가르, 그리고 0.5g의 SCB를 비커에 혼합하였다.
(2) 혼합물을 핫플레이트에서 끓인 후 약 10분간 식히는 과정을 거친다.
(3) 그 다음 혼합물을 150mm 지름의 페트리 접시에 부어 흄후드에서 굳히는 과정을 거친다.
위와 같은 절차를 통해 두 가지 유형의 바이오비닐을 생성하되, 하나의 바이오비닐 생성 과정에서는 500μL의 당밀을 추가하여 생성한다. 즉, 당밀이 첨가되거나, 첨가되지 않은 두 가지 유형의 바이오비닐(박테리아 미포함)을 생성하였다.
2) 선별된 박테리아가 포함된 SCB 바이오비닐 생성
(1) 먼저 50mL의 증류수(DW), 0.25g의 옥수수 전분, 0.75g의 아가르, 그리고 0.5g의 SCB를 비커에 혼합하였다.
(2) 혼합물을 핫플레이트에서 끓인 후 약 10분간 식히는 과정을 거친다.
(3) 혼합물이 식은 후, 0.001 ABS 혼합 박테리아 용액을 첨가
(4) 그 다음 혼합 박테리아 용액이 첨가된 혼합물을 150mm 지름의 페트리 접시에 부어 흄후드에서 굳히는 과정을 거친다.
위와 같은 절차를 통해 두 가지 유형의 바이오비닐을 생성하되, 하나의 바이오비닐 생성 과정에서는 500μL의 당밀을 추가하여 생성한다. 즉, 당밀이 첨가되거나, 첨가되지 않은 두 가지 유형의 바이오비닐(박테리아 포함)을 생성하였다.
SCB 바이오비닐에 의해 분산된 박테리아의 분산율
도 15는 SCB 바이오비닐의 박테리아 분산 속도 테스트 준비 과정을 나타낸다. 도 15의 A는 토양에 DE를 추가하는 과정을 보여주며, B는 바이오비닐 조각 자르기는 과정을 나타내고, C는 조각된 바이오비닐을 나타내며, D는 바이오비닐을 토양 위에 배치하는 과정을 보여준다.
먼저, 100mm 지름의 8개 페트리 접시 각각에 멸균된 토양을 얇게 펼치고, 20mL의 증류수로 적시는 과정을 거친다.
방해석 형성 박테리아와 리그닌 분해 박테리아가 포함된 바이오비닐에서 0.5cm x 0.5cm 크기의 조각을 각각 잘라낸다.
각 바이오비닐 조각을 토양의 중앙에 배치하고 페트리 접시 뚜껑으로 덮은 후, 48시간 동안 방치한다. 페트리 접시 뚜껑에는 중앙에서 동일한 간격으로 세 군데를 표시한다.
방해석 형성 박테리아가 포함된 바이오비닐에 대해, 10μL 루프를 우선 UB 매체에 담갔다가 각 표시된 점에 담근 후, 1000μL의 UB 매체가 들어 있는 마이크로튜브에 혼합한다. 리그닌 분해 박테리아에 대하여 동일한 절차를 NB 매체를 활용하여 수행한다.
실온에서 24시간 동안 배양한 후, 각 배양된 박테리아 매체에서 200μL를 취해 96-웰 배양 플레이트의 각 웰에 옮긴다.
그 다음, 배양된 박테리아의 성장량 또는 밀도를 정량적으로 평가하기 위하여, 마이크로플레이트 리더를 사용하여 박테리아 매체의 흡광도(ABS)를 측정한다. 이러한 과정을 통해 바이오비닐에 포함된 박테리아가 주변 토양으로 얼마나 잘 분산되는지를 확인하였다. 도 16은 박테리아 이동성 테스트에 대한 도면이다. 도 16의 A는 토양 채취된 구체적인 위치를 나타내며, B는 토양으로부터 박테리아를 회수하는 과정을 나타내며, C는 ABS 측정하는 과정을 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 SCB 바이오비닐은, 옥수수 전분과 아가르를 기반으로 제작되었으며, 바닐의 강도를 높이기 위해 SCB이 추가되었다. 토양 내에서 분해되지 않는 SCB로 인한 잠재적 문제를 해결하기 위해 리그닌 분해 박테리아를 바이오비닐에 통합하여 구성하였다. 방해석 형성 박테리아 DG, DH 및 리그닌 분해 박테리아 SC, SB를 포함하는 SCB 바이오비닐의 효과는 바이오비닐로부터 박테리아의 분산 속도를 관찰함으로써 테스트되었다.
선별된 박테리아를 포함하는 바이오비닐 조각이 멸균된 토양이 담긴 페트리 접시 위에 놓이고, 48시간 후, 바이오비닐 근처, 중간, 멀리에 있는 토양 내에서 박테리아의 번식이 관찰되었다.
도 17은 토양 위에 놓인 SCB 바이오비닐의 24시간 후 현미경 이미지를 보여준다. 여기에서, 건조한 대조군과 일반 대조군을 비교했을 때, 바이오비닐이 구조를 유지하고 수분에 젖었을 때 색이 바래는 현상은, 박테리아의 유무와 관계가 없다는 것을 확인할 수 있다. 이는, 바이오비닐이 박테리아에게 충분한 시간과 영양소를 제공함으로써 박테리아가 번식할 수 있음을 보여주는 것이다. 특히, 리그닌을 분해하는 박테리아가 포함된 바이오비닐은 다른 샘플들과 비교했을 때 SCB가 더 많이 분해되었다는 것을 확인할 수 있다. 이는 SCB 바이오비닐이 박테리아의 활동을 촉진하여 더 빠른 분해를 유도함을 보여준다.
실시예에서, 당밀이 함유된 SCB 바이오비닐을 멸균된 토양에 놓고 박테리아 분산 테스트를 수행한 결과, 0.5cm x 0.5cm 조각 바이오비닐의 박테리아가 반경 2.5cm까지 분산되는 것으로 나타났다. 이는, 예컨대, 직경 15cm의 바이오비닐을 토양 위에 놓으면 직경 1.5m의 토양 면적에 박테리아가 분산됨을 의미할 수 있다.
Bacteria Near Middle Far
Calcite
forming 		DG 1.291 1.068 0.891
DH 0.741 0.675 0.297
Lignin
Decomposing 		SC 0.169 0.217 0.143
SB 0.204 0.119 0.130
방해석 형성 박테리아의 경우, DG와 DH의 흡광도는 [표 2]에 나타난 것처럼 모든 3개 위치에서 박테리아가 관찰됨으로써 검증되었다. DG는 DH에 비해 훨씬 더 높은 성장을 보임을 확인할 수 있으나, 도 18에서 DG는 중간 위치에서의 박테리아 분산이 가장 가까운 위치보다 적어, 이동이 느림을 나타내며 느린 분산 속도를 보였다. 반면 DH의 경우, 중간 위치의 분산이 가장 가까운 위치보다 높아, 특히 당밀을 포함하는 바이오비닐에서 빠른 분산을 보였다. 따라서, DH가 더 빠른 분산 속도를 보였지만, DG가 상당히 높은 번식률을 보여 DG가 선별되었다.리그닌 분해 박테리아의 경우, [표 2]와 같이 SB와 SC가 비슷한 번식률을 가짐을 확인할 수 있다. 도 18을 참조하면, SC는 SB에 비해 더 빠른 분산 속도를 가짐을 확인할 수 있다. SC는 거리가 멀어질수록 분산이 증가하는 반면, SB는 감소하는 경향을 보인다. 따라서, SC는 비슷한 번식률을 유지하면서 더 빠른 분산 속도를 보여 SC가 선별되었다.
박테리아의 최종 선별
최종 선별된 방해석 형성 박테리아와 리그닌 분해 박테리아는, 아가르 배지 위에서 배양된 후, 그들의 종을 식별하기 위해 16s rRNA와 BLASTN 분석을 통한 DNA 시퀀싱을 위해, 한국의 MACROGEN으로 발송하였다.
선별된 DG는 Glutamicibacter halophytocola 99.58% 일치로 확인되었으며, SC는 Priestia megaterium 92% 일치로 확인되었다. 이 결과는 두 박테리아 모두 병원성 박테리아가 아님을 나타내며, 이로 인해 인체 및 생태계에 대한 안정성이 보장된다.
즉, 전술한 실험 내용 및 결과를 통해 글라타미박터 할로피토콜라가 토양 다공성을 개선하는 석회 형성 속성을 가지며, 프리스테리아 메가테리움이 리그닌 분해 속성을 가지고 셀룰로오스를 효과적으로 분해할 수 있음을 확인할 수 있다.
이러한 실험 결과를 통해 SCB 바이오비닐이 방해석 형성 박테리아를 효과적으로 분산시켜 토양 강도를 향상시키고 남아 있는 SCB의 분해를 촉진한다는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 SCB 바이오비닐을 활용하는 경우, 손상된 토양에 유익한 박테리아를 공급하여 토양의 구조를 개선하고 강화할 수 있다. 이로 인해 사탕수수 농업이 환경에 미치는 부정적인 영향을 줄이고, 농작물의 성장 환경을 개선할 수 있다.
또한, 사탕수수 산업에서 발생하는 폐기물의 재활용을 통해 순환 경제를 지원하며, 온실가스 배출을 감소시키는 등의 추가적인 환경적 이점을 제공할 수 있다. 이를 통해 사탕수수 재배 및 처리 과정에서 발생할 수 있는 폐기물 문제를 해결하고, 환경 오염을 줄일 수 있다.
실시예에 따르면, 방해석 형성 박테리아가 리그닌 분해 박테리아가 포함된 양 이상으로 SCB 바이오비닐 내에 함유되는 경우, 박테리아의 번식이 활발해지며, 분산이 향상될 수 있다.
구체적으로, 리그닌 분해 박테리아 100중량부 대비 방해석 형성 박테리아가 100중량부 이상이 구비되는 것이 바람직하다. 즉, 프리스테리아 메가테리움 100 중량부 대비 글라타미박터 할로피토콜라가 100중량부 이상 구비되는 경우, 박테리아의 번식이 활발해지며, 분산이 향상될 수 있다.
하기의 [표 3]은 프리스테리아 메가테리움 대비 글라타미박터 할로피토콜라의 비율을 변경시켜 제조한 SCB 바이오비닐에 관련한 분산 결과를 나타낸다. 구체적으로, 프리스테리아 메가테리움 100중량부 대비 글라타미박터 할로피토콜라 50중량부, 프리스테리아 메가테리움 100중량부 대비 글라타미박터 할로피토콜라 80중량부, 프리스테리아 메가테리움 100중량부 대비 글라타미박터 할로피토콜라 100중량부, 프리스테리아 메가테리움 100중량부 대비 글라타미박터 할로피토콜라 120중량부 및 프리스테리아 메가테리움 100중량부 대비 글라타미박터 할로피토콜라 150중량부 각각에 대응하는 혼합 박테리아 용액을 기반으로 제조한 SCB 바이오비닐을 멸균된 토양에 놓고 박테리아 분산 테스트를 수행한 결과를 표시하였다. 각 SCB 바이오비닐을 토양에 놓고 24시간 이후 각 위치에서 측정한 흡광도를 나타낸다.
박테리아 비율
(프리스테리아 메가테리움: 글라타미박터 할로피토콜라) 		Near Middle Far
1 : 0.5 0.846 0.824 0.756
1 : 0.8 0.922 0.989 0.819
1 : 1 1.282 1.112 0.896
1 : 1.2 1.321 1.118 0.945
1 : 1.5 1.387 1.132 0.986
[표 3]을 참조하면, 혼합 박테리아 용액에 프리스테리아 메가테리움 대비 글라타미박터 할로피토콜라가 포함되는 비율이 증가할수록 높은 번식률을 보이는 것을 확인할 수 있다. 특히, 프리스테리아 메가테리움 100중량부 대비 글라타미박터 할로피토콜라 100중량부 이하에서는(즉, 프리스테리아 메가테리움 100중량부 대비 글라타미박터 할로피토콜라 50중량부 또는, 프리스테리아 메가테리움 100중량부 대비 글라타미박터 할로피토콜라 80중량부)는 성장률이 저하되나, 프리스테리아 메가테리움 100중량부 대비 글라타미박터 할로피토콜라 100중량부 이상인 경우에, 성장률이 현저하게 향상되는 것을 확인할 수 있다.
도 19는 프리스테리아 메가테리움 대비 글라타미박터 할로피토콜라의 구비 비율 변경에 따른 분산 속도를 보여주는 예시도이다. 도 19의 그래프에서, a는 프리스테리아 메가테리움과 글라타미박터 할로피토콜라의 구성 비가 1:0.5인 혼합 박테리아 용액을 기반으로 제조한 바이오비닐에 관련하며, b는 프리스테리아 메가테리움과 글라타미박터 할로피토콜라의 구성 비가 1:0.8 인 혼합 박테리아 용액을 기반으로 제조한 바이오비닐에 관련하며, c는 프리스테리아 메가테리움과 글라타미박터 할로피토콜라의 구성 비가 1:1 인 혼합 박테리아 용액을 기반으로 제조한 바이오비닐에 관련하며, d는 프리스테리아 메가테리움과 글라타미박터 할로피토콜라의 구성 비가 1:1.2 인 혼합 박테리아 용액을 기반으로 제조한 바이오비닐에 관련하고, e는 프리스테리아 메가테리움과 글라타미박터 할로피토콜라의 구성 비가 1:1.5 인 혼합 박테리아 용액을 기반으로 제조한 바이오비닐에 관련한 것이다.
도 19에 도시된 바와 같이, 프리스테리아 메가테리움 100 중량부 대비 글라타미박터 할로피토콜라 100 중량부 이하인 경우에는, a 및 b와 같이, 중간 위치(middle)에서의 박테리아의 분산이 가까운 위치(near) 보다 현저하게 적어 이동이 느린 것을 확인할 수 있다. 한편, 글라타미박터 할로피토콜라가 프리스테리아 메가테리움의 함유량 이상으로 포함되는 경우(즉, 프리스테리아 메가테리움 100 중량부 대비 글라타미박터 할로피토콜라 100 중량부 이상), 중간 위치에서의 박테리아 분산이 가장 가까운 위치 보다 높으며, 이를 통해 빠른 분산을 보이는 것을 확인할 수 있다.
[표 3] 및 도 19와 같이, 혼합 박테리아 용액 상에 방해석 형성 박테리아인 글라타미박터 할로피토콜라가 리그닌 분해 박테리아인 프리스테리아 메가테리움 보다 더 많은 양 함유되어 혼합 박테리아 용액을 구성하고, 해당 혼합 박테리아 용액을 기반으로 본 발명의 사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐을 제조하는 경우, 성장률 및 분산 속도가 현저하게 증가되는 것을 확인할 수 있다. 이는 방해석 형성 박테리아의 구성 비율이 증가함에 따라 방해석이 보다 더 많이 형성되어 토양의 강도가 강해지고, 다공성이 개선됨에 따라, 리그닌 분해 박테리아의 번식률 및 분산이 향상됨을 보여준다.
일 실시예에 따르면, 본 발명의 SCB 바이오비닐을 활용하는 경우, 손상된 토양에 유익한 박테리아를 공급하여 토양의 구조를 개선하고 강화할 수 있다. 도 20의 실험 결과를 참조하면, 본 발명의 SCB 바이오비닐이 배치된 토양(즉, 6개의 실험군)의 경우, SCB 바이오비닐이 배치되지 않은 6개의 대조군에서 측정된 TOC(Total Organic Carbon) 및 MBC(Microbial Biomass Carboc) 보다 향상됨을 확인할 수 있으며, P value 값은 0.05 미만으로 신뢰도 높은 결과임을 확인할 수 있다. TOC는 유기 탄소의 총량을 나타내는 것이며, MBC는 미생물 생체량의 탄소량을 나타내는 것으로, 토양의 건강 상태와 생산성을 평가하는 중요한 지표가 될 수 있다. 즉, TOC 및 MBC의 향상됨을 보여주는 실험 결과는, 본 발명의 SCB 바이오비닐의 활용에 따라 토양의 구조가 개선 및 강화됨을 의미할 수 있다.

Claims (10)

  1. 사탕수수 폐기물을 기반으로 한 바이오비닐에 있어서,
    증류수(DW, Distilled Water);
    옥수수전분(Cornstarch);
    아가르(Agar);
    사탕수수껍질(SCB, SugarCane Bark); 및
    두 종 이상의 박테리아가 혼합된 혼합 박테리아 용액; 을 포함하는,
    사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 옥수수전분은, 상기 증류수 100중량부 대비 0.5중량부 구비되며,
    상기 아가르는, 상기 증류수 100중량부 대비 1중량부 내지 1.5중량부 구비되고,
    상기 사탕수수껍질은, 상기 증류수 100중량부 대비 1중량부 구비되는,
    사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 박테리아 용액은,
    방해석 형성 박테리아(Calcite Producing Bacteria) 군에서 선택된 일 종의 박테리아 및 리그닌 분해 박테리아(Lignin Decomposing Bacteria) 군에서 선택된 다른 일 종의 박테리아를 포함하는,
    사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 박테리아 용액은,
    글루타미박터 할로피토콜라(Glutamicibacter halophytocola) 및 프리스테리아 메가테리움(Priestia megaterium)을 포함하는,
    사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 박테리아 용액은,
    둘 이상의 박테리아가 0.001 ABS로 희석된 용액인,
    사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 바이오비닐은,
    상기 증류수 100중량부 대비 1중량부의 당밀(Molasses)을 더 포함하는,
    사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐.
  7. 사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐 제조 방법에 있어서,
    증류수에 옥수수전분, 아가르, 사탕수수껍질을 투입하여 혼합물을 생성하는 단계;
    상기 혼합물을 가열시키는 단계;
    상기 혼합물을 가열 처리한 후, 상기 혼합물에 두 종 이상의 박테리아가 혼합된 혼합 박테리아 용액을 첨가하는 단계; 및
    상기 혼합 박테리아 용액이 첨가된 혼합물을 응고시켜 사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐을 생성하는 단계; 를 포함하는,
    사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 혼합물을 생성하는 단계는,
    당밀을 첨가하는 단계; 를 더 포함하는,
    사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 혼합 박테리아 용액은,
    방해석 형성 박테리아 군에서 선택된 일 종의 박테리아 및 리그닌 분해 박테리아 군에서 선택된 다른 일 종의 박테리아를 포함하는,
    사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 혼합 박테리아 용액은,
    글루타미박터 할로피토콜라 및 프리스테리아 메가테리움을 포함하는,
    사탕수수 폐기물 기반 바이오비닐 제조 방법.
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