동결건조기 이론
Freeze Drying Theory & Technology
1. 동결건조란?
정의
Lyophilization(라이오필리제이션)과 Freeze Drying(동결건조)는 저온 탈수 과정입니다. 일반적으로 부패하기 쉬운 재료를 보존하거나 재료를 더 편리하게 보관하는 데 사용합니다.
작동 원리
재료를 얼려서 물을 제거한 다음 진공 챔버에 넣어 재료의 동결된 물이 고체 상태에서 기체 상태로 바로 승화할 수 있도록 합니다.
용어의 차이점
동결건조 (Freeze Drying)
일반적인 용어로 식품, 의약품, 생물학적 제제 등 다양한 분야에서 사용
라이오필리제이션 (Lyophilization)
전문적인 용어로 제약, 생물학, 화학분야에서 주로 사용
2. 동결건조의 장점
저온 탈수
영하의 온도를 유지하여 제품 본연의 특성에 미치는 영향이 적음
품질 보존
생물학적 활성, 비타민, 맛, 외관을 손상시키지 않음
쉬운 재구성
물이나 기타 용매를 첨가하면 쉽고 빠르게 재구성 가능
높은 품질
동결 건조된 재료는 신선한 재료 다음으로 우수한 품질
3. 동결건조 3단계
동결 단계 (Freezing)
완전히 동결된 재료는 첫 번째 단계이며, 성공적인 동결 건조의 보험입니다.
💡 핵심: 불완전한 냉동 제품은 진공 환경에서 끓이고 상할 수 있으므로 완전한 냉동이 필수입니다.
1차 건조 단계 (Primary Drying)
물리적 물을 제거합니다. 생물의 90% 이상이 물리적 물이므로 이 단계는 상당한 시간이 소요됩니다.
⚠️ 주의: 단시간에 제공되는 에너지가 너무 많으면 재료가 녹을 수 있으므로 적절한 시간 차트 프로그래밍이 필요합니다.
2차 건조 단계 (Secondary Drying)
결합된 물을 제거하며, 이 단계에서는 더 높은 진공과 더 많은 에너지가 필요합니다.
🔧 조건: 온도 0℃ 초과 (일부 제품은 30℃), 압력 <30Pa까지 낮춤
4. 일반 건조 vs 동결 건조
| 구분 | 열풍건조 | 진공건조 | 동결건조 |
|---|---|---|---|
| 압력 | 대기압 | 1000~5000mbar | <1mbar |
| 온도 | >80℃ | 30~80℃ | <0℃ |
| 품질 저하 | 높음 | 보통 | 없음 |
| 외관 변화 | 수축 | 약간 변화 | 변화 없음 |
| 비용 | 낮음 | 보통 | 높음 |
| 생산 방식 | 연속 | 연속 | 배치 |
| 생산성 (단위 시간당) | 높음 | 중간 | 낮음 |
건조 방식에 따른 특성 요약
일반적인 건조 방법, 특히 고온을 사용하는 열풍 건조는 제품의 품질을 저하시킬 수 있습니다. 이 과정에서 제품은 수축되거나 단단해질 수 있으며, 산화는 물론 영양소 및 색상 특성까지 저하될 수 있습니다. 진공 건조와 같은 일부 개선된 기술은 온도를 낮추기는 하지만, 열에 민감한 재료의 경우 영양 손실이 불가피할 수 있습니다.
반면, 동결 건조는 특히 열에 매우 민감한 재료에 대해 최고의 건조 품질을 제공하며, 때로는 유일한 건조 방법이기도 합니다. 비록 배치 생산성이 낮고 처리 기간이 길어 비용이 상대적으로 높다는 단점이 있지만, 품질 보존 측면에서는 가장 우수한 방법으로 평가받습니다.
5. 삼중점 이론
삼중점이란?
일반적으로 환경에는 세 가지 형태의 물(증기, 고체, 액체)이 있으며, 압력과 온도를 가하면 세 가지 중 어느 두 가지라도 유연하게 변환할 수 있습니다.
동결건조 핵심: 고체 물(온도<0°C) 주변 압력이 삼중점(6.11mbar)보다 낮으면 액체 상태를 통과하여 기체로 직접 승화됩니다.
물의 삼중점 다이어그램
6. 동결건조기 구성 요소
🏠 건조실
원자재를 넣고, 식히고, 건조하는 진공 환경의 압력 용기
❄️ 얼음 응축기
승화된 증기를 모으고 응축시켜 얼음으로 변환
🔧 진공 펌프
건조실 압력을 진공화하고 유지하여 승화 조건 조성
⚙️ 압축기 (냉동 시스템)
응축기에 냉각 에너지를 공급하고 증기를 지속적으로 응축
🔥💧 난방 및 유체 순환 시스템
원자재의 초기 동결을 위한 냉각 에너지를 공급하고, 이후 승화 및 건조 단계에서 필요한 가열 에너지를 정밀하게 제어하여 공급합니다.
🖥️ 제어 시스템
PLC 기반 컨트롤러로 자동 동결 건조 과정 보장
동결건조기 구조 및 흐름도
7. 응용 분야
✅ 동결건조 가능 제품
❌ 동결건조 부적합 제품
8. 비용 고려사항
💰 비용 구조
부실한 기계 설계나 유지보수로 인한 생산성 부족은 지속적인 비용 발생의 원인이 될 수 있습니다.
📋 주요 고려사항
- • 적용 가능성 검토
- • 지원 시설 요구사항
- • 동결 건조 배치 기간
- • 수도 및 전기 소비량
- • 총 투자 및 향후 필요 유지/인건비
- • 각 적용 사례의 고유성 및 사용자 조건에 따른 장비 맞춤 제작 필요성
9. 동결건조 샘플 갤러리
수의학 백신
인체 백신
제약
생선
꽃
토마토
딸기
국
죽
채소
아이스크림
페이셜 마스크
10. 동결 건조기의 분류
생산 능력 기준
실험실 연구 및 소규모 생산을 위한 실험실 규모 동결 건조기와 대량 생산을 위한 산업용(생산 규모) 동결 건조기로 분류할 수 있습니다.
응용 분야 기준
특정 요구사항에 따라 약품용 동결 건조기 (제약 기준 충족), 식품용 동결 건조기, 그리고 다양한 일반적 목적을 위한 범용 동결 건조기 등으로 나뉩니다.
11. 열에 민감한 물질의 동결 건조
동결 건조는 열에 민감한 다양한 물질을 건조하는 데 있어 핵심적인 산업 기술 중 하나입니다. 이 기술은 특히 긴 유통기한을 가지면서도 생물학적 활성을 유지해야 하는 안정된 제품을 생산하는 데 효과적인 방법으로 인정받고 있습니다.
의약품 분야
고온 공정은 의약품의 활성 성분을 파괴하여 약효를 상실시킬 수 있습니다. 동결 건조는 저온에서 처리하여 이러한 문제를 방지합니다.
식품 산업
기존의 고온 건조 방식은 식품의 영양소, 맛, 외관, 비타민 등을 크게 저하시킬 수 있습니다. 동결 건조는 이러한 품질 저하를 최소화합니다.
화학 및 생물학 분야
물질의 분자 구조와 안정성은 온도에 큰 영향을 받습니다. 기존 건조 방식으로는 최종 건조 제품의 품질을 보장하기 어려우나, 동결 건조는 이를 가능하게 합니다.
12. 동결 건조 장비 개요
동결 건조기는 크게 냉동 시스템, 진공 시스템, 제어 시스템, 제품을 건조하는 건조실(챔버), 그리고 수증기를 포집하는 응축기(콜드 트랩) 등 여러 하위 시스템으로 구성된 복합 장비입니다.
- ➔ 냉동 시스템: 주로 응축기를 매우 낮은 온도로 냉각시켜 건조 과정에서 발생하는 수증기를 효과적으로 포집(응축)하는 역할을 합니다. 또한, 일부 시스템에서는 제품 선반을 냉각하여 초기 동결 과정을 돕기도 합니다.
- ➔ 진공 시스템: 하나 또는 여러 개의 진공 펌프로 구성되며, 건조실과 응축기를 밀폐하여 내부 압력을 승화가 일어나기 쉬운 고진공 상태로 만들고 유지합니다.
- ➔ 제어 시스템: 온도, 압력 등 공정 변수를 정밀하게 감지하고 제어하여, 설정된 동결 건조 프로파일에 따라 전체 과정을 자동으로 운영하고 모니터링합니다.
- ➔ 건조실 및 응축기: 제품이 놓이는 공간(건조실)과 여기서 승화된 수증기가 얼음으로 포집되는 공간(응축기)으로, 이들은 효율적인 건조를 위해 긴밀하게 연결되어 작동합니다.
이러한 동결 건조기는 일반적으로 배치(batch) 방식으로 운영되며, 실험실용 소형 모델부터 한 번에 수백 kg에서 수 톤까지 처리할 수 있는 대형 산업용 설비까지 다양합니다.