동결건조(Freeze Drying)란 공정 원리 장단점

냉동 건조(冷凍 乾燥) 또는 동결 건조(凍結 乾燥)는 식품 등의 보존을 용이하게 하고 무게를 줄여 운반을 편하게 하기 위해서 저온으로 냉각시킨 후 승화를 통해 수분을 빼는 공정이다.

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<동결건조 공정>

구체적으로 동결건조 공정은 다음과 같다. (그림 참조)

일반적인 기화의 과정은 액체(Liquid)에서 압력강하, 온도상승 등 파란색 화살표에 따르는 과정을 거쳐 기체(Gas)가 된다. 동결건조의 과정은 그림과 같이 (a)삼중점 이하로 온도의 하강 (b)삼중점 이하로 압력의 하강 (c) 하강한 압력을 유지하면서 온도를 상승시키면서 고체 안에 있는 고체상태의 물을 수증기로 바로 승화시킴(녹색 화살표)로 진행되며 전체 동결건조 공정은 전처리, 냉동, 1차 건조 및 2차 건조의 4단계로 이루어진다.​

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그림. 동결건조 과정(pubs.rsc.org 자료 일부 수정)

전처리

전처리 동결건조전 제품을 처리하는 모든 공정을 포함하는데, 생성물 농축, 제형 수정(즉, 안정성 증가, 외관 보존 및/또는 공정 개선을 위한 성분 추가), 고 증기압 용매 감소, 표면적 증가 공정 등이 포함된다. 동결 건조 의약품은 동결 건조 전 불순물 입자 제거와 멸균 공정이 선행되어야 한다. 구체적인 전처리 공정은 제품의 품질, 공정방법, 종류 등에 따라 달라질 수 있다.

 

냉동 및 어닐링

Phase diagram에서 삼중점 이하로 냉각 및 압력을 감소시키는 단계로 고체에서 기체로 바로 승화되는 것을 준비하는 단계이다. 동결 방법은 제품의 재구성 속도, 동결 건조 시간, 제품 안정성 및 적절한 결정화에 영향을 미칠 수 있기 때문에 전체 동결 건조 공정에서 가장 중요하다.

 

건조 단계

건조 단계에서는 수 mbar 수준으로 압력이 낮춰진 상태에서 도결 건조하고자 하는 제품 내부의 얼음이 승화될 수 있도록 재료에 충분한 열이 공급된다. 이 단계에서 재료 내부의 약 95%가 승화될 수 있다. 그러나, 이 단계는 너무 많은 열이 공급도면 재료의 구조가 변경될 수 있기 때문에 해당 단계를 상당히 느리게 진행하기도 한다.

해당 단계에서는 압력이 낮아 대류효과가 거의 일어나지 않으므로 열은 주로 전도 또는 복사에 의해 공급된다.

위의 건조단계에서 얼지 않은 물 분자를 제거하기 위해 2차 건조를 진행한다. 동결 건조 공정에서 해당공정은 재료의 흡착 등온선에 의해 제어될 수도 있다. 이 단계에서의 온도느 1차 건조 단계보다 더 높게 상승하게 되며, 탈착을 촉진하기 위해 압력을 낮출수도 있다.

 

동결 건조 공정이 완료된 후 일반적으로 재료가 밀봉되기 전에 질소와 같은 불활성 가스로 진공을 깨뜨리는 공정이 진행된다. 동결 건조 과정이 끝나면 제품의 최종 잔류 수분 함량은 약 1-4%로 매우 낮아지게 된다.

 

동결건조의 역사

고대의 잉카에서는 13세기부터 감자나 고기를 영하의 온도에 노출시키고 낮에는 물을 짜내어 햇빛에 말리는 과정을 진행하였는데 이것은 동결 건조의 원시적인 단계로 볼 수 있다.

현대의 동결 건조는 1890년 리처드 알트만(Richard Altmann)에 의해 시작되었는데, 그는 식물이나 동물의 조직을 동결하는 방법을 고안했지만, 1930년대까지 거의 주목받지 못했다.1909년, L. F. 샤켈(L. F. Shackell)은 전기 펌프를 사용하여 진공 챔버를 독자적으로 만들었다. 1927년 Tival과 1934년 Elser가 냉동 및 응축기 단계를 개선한 동결 건조 시스템으로 특허를 받았다.

제2차 세계 대전 중, 현장에서 부상자를 치료하기 위해 혈장과 페니실린이 필요했는데, 냉장 운송이 부족했기 때문에 많은 혈청 공급품이 수혜자에게 도달하기 전에 부패하였다. 동결 건조 공정은 혈장과 페니실린을 냉장 없이 화학적으로 안정하고 수송할 수 있는 방법으로 사용되기 시작되었다. 1950년대-1960년대에 동결 건조는 제약 및 식품 등에 다양하게 사용되기 시작되었다. 동결 건조 식품은 우주 비행사와 군대 식량의 가공방법으로 이용되면서 다양하게 이용되고 발전하게 되었다.

 

동결건조 공정의 이용

식품 및 제약의 장기보관을 위해 주로 많이 사용된다. 식용곤충, 옥수수, 채소, 커피, 베이컨 과일 등 다양한 식품의 보존을 위해 동결건조가 사용된다. 제약 회사는 종종 동결 건조를 사용하여 살아있는 바이러스 백신, 생물학적 제제, 및 기타 주사제와 같은 제품의 유통 기한을 증가시킨다. 또한 인체에서 흡수가 빨라지게 하는 동결건조 분말의 제조도 많이 이루어진다.

이렇게 수분이 줄어들게 되면 세균이나 효소가 작용할 수 없게 되고, 수분의 접촉을 막는다면 식품 등을 상온에서 몇 년 동안 보존할 수 있게 된다. 냉동 건조는 높은 온도로 처리하는 다른 건조 방식보다 영양분이나 세포 조직을 덜 손상시킨다. 이 외에 작은 동물의 박제 등에 동결건조를 이용하기도 한다. 다공성 세라믹 제조 등 재료공정에서 동결건조가 사용되는 경우도 있다.

 

동결건조의 장점

- 식품 및 의약품 등의 유통기간을 획기적으로 증가시킨다.

- 동결 건조 제품은 다공성이기 때문에 물을 공급시켜 원래의 상태로 쉽게 복원된다. 이와 같은 특성으로 인스턴트 식품에 많이 이용된다.

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동결건조의 단점

- 동결건조는 원재료의 색상과 영양소를 많이 유지할 수 있는 공정이다. 또한 식품의 식감도 상당히 유지할 수 있다.

- 동결 건조는 저온 탈수 공정이기 때문에 이러한 조건에 내성이 있는 병원균 등이 제품에 남아 있을 수도 있다.

- 동결 건조는 냉동과 진공과정이 들어가기 때문에 기존 건조보다 비용이 많이 발생한다.