동결건조

왜 배우는가: 동결건조는 식품, 의약품, 생물 소재의 품질을 열 손상 없이 보존하는 대표적 건조 기술이므로 품질 관리와 공정 설계의 기본이 된다. 상평형도를 이용한 원리 설명은 여러 교시에 걸쳐 반복되는 주제이므로 승화와 삼중점 개념을 정확히 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제137회 4교시 5번, 제116회 2교시 1번, 제110회 2교시 1번, 제98회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

동결건조는 식품을 얼린 뒤 감압 상태에서 얼음을 승화시켜 수분을 제거하는 건조 방법이다. 동결건조는 Freeze-drying이라고도 하며, 열을 가하지 않고 시료에서 물을 제거하는 과정이다. 열풍 건조와 달리 수분이 액체로 녹아 빠지지 않고 얼음이 곧바로 수증기가 되어 빠져나가므로 제품의 구조가 유지된다. 답안을 구성할 때는 다음 키워드를 함께 쓴다.

• 승화: 고체가 액체를 거치지 않고 곧바로 기체가 되는 상변화이다. 동결건조의 1차 건조가 이 현상을 이용한다.
• 삼중점: 고체, 액체, 기체가 함께 평형을 이루는 온도와 압력의 한 점이다. 물의 삼중점에서는 온도와 압력이 동시에 정해진다.
• 상평형도: 온도와 압력에 따라 물질이 고체, 액체, 기체 중 어느 상으로 존재하는지 나타낸 그림이다.
• 1차 건조: 동결된 자유수를 승화로 제거하는 단계이다.
• 2차 건조: 흡착되어 남은 결합수를 온도를 높여 탈착시키는 단계이다.
• 잔류 수분: 건조가 끝난 제품에 남는 수분이다.
• 다공성 구조: 얼음이 빠져나간 자리에 남는 미세한 빈 공간의 구조이다.

공정은 동결, 1차 건조, 2차 건조의 세 단계로 나뉜다. 동결 단계에서는 얼음 결정의 크기가 제품 조직을 좌우하므로 빠르게 얼리는 것이 중요하다. 얼음 결정이 커지면 세포벽 같은 구조가 손상될 수 있기 때문이다.

2. 개념 풀이

동결건조의 정식 정의는 식품을 삼중점 온도 이하로 동결한 뒤, 삼중점 압력보다 낮은 감압 상태에서 얼음을 승화시켜 수분을 제거하는 건조 방법이다. 공정은 동결, 1차 건조, 2차 건조의 순서로 진행되며, 각 단계는 물의 서로 다른 상태를 제거하는 것이 목적이다.

원리를 상평형도로 풀면 다음과 같다. 물의 삼중점은 약 273.16K, 0.00604atm(611.657Pa) 조건이다. 이보다 낮은 0.00604atm 미만의 압력에서는 상평형도의 고체 영역과 기체 영역이 직접 맞닿으므로, 온도를 올려도 액체 영역을 거치지 않고 얼음이 곧바로 수증기가 된다. 이 현상이 승화이다.

동결건조의 원리는 얼음을 녹이지 않고 승화시키는 데 있다. 대기압에서 같은 식품을 가열하면 얼음은 먼저 녹아 액체가 되고 이어서 증발한다. 액체 단계에서는 조직이 이동하여 형태가 무너질 수 있다. 반면 감압 공정은 액체 단계를 건너뛰므로 얼음이 있던 자리가 그대로 빈 공간으로 남고, 제품 구조가 유지된다.

동결 단계에서는 제품을 삼중점보다 낮은 온도로 냉각하여 승화가 일어날 조건을 만든다. 용질이 포함된 시료는 빙점이 낮아지므로 순수한 물보다 더 낮은 온도까지 냉각해야 한다. 이 때문에 실제 시료의 상평형도는 순수한 물의 그림과 다르게 나타난다.

이 단계에서는 시료에 열을 조금 가해 얼음이 녹지 않고 승화하는 데 필요한 에너지를 공급한다. 1차 건조에서는 전체 수분의 대부분이 제거된다. 제품 온도가 녹는점을 넘지 않도록 열 공급량을 조절해야 한다.

2차 건조는 흡착 등온선에 따라 진행되며, 온도를 1차 건조보다 높이고 압력도 낮추어 결합수를 탈착시키는 단계이다. 2차 건조에서는 온도를 0℃ 이상으로 올리기도 한다. 동결건조 제품의 잔류 수분은 보통 1~4% 수준이다. 2차 건조가 끝나면 진공을 불활성 기체로 채운 뒤 밀봉한다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 자유수: 얼음 형태로 얼어 있는 수분이며 1차 건조에서 승화로 제거된다.
• 결합수: 식품 성분에 흡착되어 결합한 수분이며 2차 건조에서 탈착으로 제거된다.
• 감압: 용기 안의 압력을 삼중점 압력 이하로 낮추어 얼음의 승화를 유도하는 조작이다.

3. 등장 배경과 필요성

열을 가하는 건조 방식은 식품의 색, 향, 조직을 바꾸고 영양 성분을 파괴하는 문제가 있다. 특히 젖산균이나 혈장처럼 열 민감성이 큰 소재는 가열하면 품질이 쉽게 떨어진다. 이 문제를 해결하기 위해 열을 쓰지 않고 수분을 제거하는 방식이 필요해졌다.