본문내용
1. 개요
1.1. 동결건조의 개념과 특징
동결건조(Freeze drying)은 액체 상태를 동결시킨 후, 감압 상태에서 물의 승화(얼음이 직접 기체로 변화)를 통해 수분을 제거하는 건조 방식이다. 동결건조 과정에서 제품의 형태와 구조가 유지되므로 열에 민감한 물질의 품질 저하를 최소화할 수 있다. 또한 동결건조 제품은 빠르고 완전한 재수화가 가능하며, 제품 내부에 다공성 구조가 형성되어 수분 침투가 용이하고 부서지기 쉽다는 특징이 있다. 동결건조는 기존의 열풍건조나 냉장/냉동 보관 등의 방식에 비해 에너지 비용과 장비 투자비용이 높지만, 제품의 품질 유지 측면에서 유리한 장점이 있다.
1.2. 동결건조의 장점과 단점
동결건조는 열에 민감한 물질의 손상을 최소화하고 비활성화하며, 수분의 침투가 용이하고 부스러지기 쉬운 구조를 가져 정밀하고 깨끗한 충진이 가능하다. 또한 빠르고 완전한 재수화가 가능하다. 그러나 장비가 다른 방식에 비해 3배 이상 비싸고, 높은 에너지 비용이 들며, 건조 속도가 느린 편이다. 제품이 다공성 구조이므로 지방질의 산화가 일어나기 쉽고, 건조 후 부서지기 쉬우며 흡습성이 높다.
2. 동결건조의 발달 과정
2.1. 동결건조의 역사
동결건조는 1909년 단백질을 보호하는 방법으로 처음 보고되었다. 초기에는 얼려진 샘플들로부터 승화하는 수증기의 흡수를 위해 화학적인 건조제를 이용하였으나 후에 기계적인 Ice trap이 사용되었다. 이러한 동결 건조 공정은 2차 세계대전 동안 혈액의 혈장을 보호하기 위해 처음 산업적으로 이용되었고, 1940년 처음 대규모 설비가 소개되었다. 이후 1970년대 세계적인 천연두 박멸 캠페인을 통해 가장 널리 알려지게 되었으며, 많은 백신들이 동결건조기에서 건조되었다. 1970년에서 1980년 사이 동결건조의 공정이 완성되면서 다양한 생산물들에 적용되었다. 1980년대에는 새로운 항생제, 항암제, r-DNA 발효 생산물을 위한 대규모 설비의 사용으로 정교한 조절시스템과 자동화된 제품 취급에 대한 필요성이 대두되었다. 이에 따라 항암제 생산을 위한 정교한 자동 정화 시스템이 개발되었고, 1990년대에는 생산 공정의 Validation이 동결 건조기까지 포함되어 확장되었다. 이처럼 동결건조 기술은 발전을 거듭하며 다양한 분야에 활용되어 왔다.
2.2. 동결건조 기술의 발전
1940년대에 동결건조 기술이 처음으로 산업적으로 이용되었다. 당시 2차 세계대전 동안 혈액의 혈장을 보호하기 위해 대규모 동결건조 설비가 처음 소개되었다. 그 후 1970년대에는 세계적으로 천연두 박멸을 위한 캠페인에 힘입어 동결건조 기술이 가장 널리 알려지게 되었다. 많은 백신들이 작은 원심분리기 형태의 동결건조기에서 건조되었다. 1970년에서 1980년 사이에 동결건조 공정이 완성되어 진단시약, 호르몬, 간 추출물, 비타민, 항생제, 혈액 등 더 다양한 생산물들에 적용되었다. 1980년대에는 새로운 항생제, 항암제, 그리고 r-DNA 발효 생산물을 위한 대규모 동결건조 설비 사용이 늘어났으며, 이에 따라 정교한 조절시스템과 자동화된 제품 취급에 대한 필요성이 대두되었다. 특히 극도의 독성을 지닌 항암제의 경우 작동자 안전을 위해 정교한 자동 정화 시스템이 개발되었다. 1990년대에는 생산 공정의 Validation이 동결건조기까지 포함하여 확장되었다. 이처럼 동결건조 기술은 의약품, 생물학적 물질, 식품 등 다양한 분야에서 발전을 거듭해왔으며, 보다 정교한 장비와 공정 관리 기술의 도입을 통해 그 활용도가 지속적으로 증가하고 있다.
3. 동결건조의 원리
3.1. 동결 공정
물질을 동결시키고 물의 3중점 이하로 압력을 낮춤으로써 얼음이 직접 수증기로 승화되는 과정이다. 온도를 낮추면 물질이 고체화되며, 낮은 압력에서는 얼음이 액체를 거치지 않고 수증기로 바로 변한다. 이때 용질의 농도가 크게 증가하여 pH와 용액의 성질이 변화할 수 있다.
얇은 층을 형성하면 동결과 건조 시간을 줄일 수 있는데, 이를 위해 다양한 기술이 개발되었다. 주로 정적인 냉각 방식을 사용하며, 선반과의 접촉에 의해 동결이 이루어진다. 고속 냉각을 위한 액체 질소 사용은 작은 얼음 결정을 생성하므로 주의가 필요하다. 작은 결정은 증기 배출을 늦출 수 있어 상태 조절이나 재동결 과정이 필요하다.
또한 작은 얼음 결정은 handling과 오염에 취약하므로 멸균 제품은 동결건조기 선반 위에서 직접 동결하는 것이 일반적이다. 얼음 결정의 형태와 크기는 동결 방법에 따라 달라지며, 이는 승화 과정에 중요한 영향을 미친다.
3.2. 승화 공정
얼려진 물질로부터 수증기가 직접 승화하는 공정이다. 물 분자들이 자유롭게 이탈할 수 있는 경로가 확보된다면, 1차 건조 초기 단계에서 승화 속도는 선반으로부터 열전달 속도에 크게 의존한다. 물질의 안전성이 유지되는 최저 건조 온도(공융점)를 넘어가게 되면 융해가 발생하여 제품의 품질 저하를 야기할 수 있다. 이는 일부 용질이 결정화되지 않고 얼려지지 않은 물과 혼합된 무정형의 "유리 상태"가 형성되어 나타나는 현상이다. 이 유리 상태는 순수한 얼음 결정체로 지탱되어 ...
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