동결건조

동결건조의 정의

동결건조는 시료를 얼린 뒤 진공에서 얼음을 승화시켜 수분을 제거하는 건조 방법이다.

정식 용어는 동결건조(lyophilization)라 한다. 제품을 동결한 뒤 진공에서 수분을 승화시킨다.

핵심은 승화다. 나머지 용어는 이 승화를 조건에 맞게 일으키고 수증기를 제거하는 데 쓰인다.

승화와 삼중점

승화는 고체가 액체를 거치지 않고 바로 기체가 되는 현상이다.

압력을 물의 삼중점 이하로 낮추면 얼음이 녹지 않고 바로 기화한다.

물의 삼중점은 약 0.01℃, 611Pa이다. 얼음이 녹는 단계를 건너뛰어 조직과 성분이 덜 변한다.

그래서 동결건조는 얼음을 녹이지 않고 기체로 빼내는 공정이다.

공정 네 단계

동결건조 공정은 예비동결, 1차 건조, 2차 건조, 밀봉의 네 단계로 진행된다.

예비동결은 제품을 공융점 이하로 완전히 얼린다. 고체가 되어야 다음 단계로 간다.

1차 건조는 진공을 만들고 열을 가해 얼음을 승화시킨다. 수분의 대부분이 여기서 빠진다.

2차 건조는 얼음이 사라진 뒤 온도를 높여 흡착된 수분을 탈착한다. 압력은 더 낮춘다.

마지막으로 질소 같은 불활성 기체를 채운 뒤 밀봉한다.

동결건조기의 구성

동결건조기는 진공 챔버, 선반, 응축기, 진공 펌프, 냉동 장치, 제어 장치로 구성된다.

선반은 제품을 냉각하거나 가열한다. 이 덕분에 공정 단계를 나눠 제어할 수 있다.

응축기는 승화한 수증기를 얼음으로 포집한다. 챔버 밖에서 운전된다.

진공 펌프는 챔버와 응축기의 압력을 낮춘다. 냉동 장치는 선반과 응축기에 냉매를 공급한다.

열풍건조와 비교

동결건조와 열풍건조는 수분을 빼는 원리가 다르다. 그래서 제품의 조직이 크게 달라진다.

동결건조는 얼음을 승화시키므로 제품이 액체 상을 거치지 않는다.

열풍건조는 고온 가열로 증발시키므로 제품이 수축되고 경화된다.

동결건조 제품은 세포 구조가 유지되어 물을 빠르게 흡수한다.

정리와 장단점

정답은 얼음이 액체를 거치지 않고 기체가 되기 때문이다. 승화가 핵심이다.

동결건조의 장점은 열손상이 적어 품질과 영양을 지키고 상온 장기 보관이 가능하다는 것이다.

단점은 승화가 느린 열전달 과정이라 건조에 수 시간 이상 걸리고 에너지 소모가 크다는 것이다.

시험에서는 승화, 삼중점, 진공, 응축기와 함께 장단점을 모두 써야 높은 점수를 받는다.