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1. 서론
식품 및 의약품의 안정적인 보관과 수송을 위해서는 적절한 수분 함량이 필수적이다. 동결건조(Freeze Drying)는 이러한 요구사항을 충족할 수 있는 효과적인 건조 방법이다.
동결건조는 물질을 동결시킨 후, 감압 상태에서 얼음이 직접 수증기로 승화되는 과정을 통해 수분을 제거하는 기술이다. 이 과정에서 물질의 주요 성분들은 얼음 결정체에 의해 보호되어 원형을 유지할 수 있다. 따라서 동결건조는 열에 민감한 물질의 손상을 최소화하고, 재수화가 용이한 다공성 구조를 생성할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 특성으로 인해 동결건조는 식품, 제약, 생명공학 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.
동결건조 기술은 1909년 단백질 보호 목적에서 처음 보고되었으며, 2차 세계대전 중 혈액 플라즈마 보존을 위해 산업 현장에 도입되었다. 이후 1970년대 천연두 백신 생산에 활용되면서 널리 알려지게 되었고, 1980년대 이후 새로운 의약품 개발과 함께 대규모 설비와 자동화 시스템이 발전하였다. 오늘날 동결건조 기술은 식품, 제약, 진단시약, 호르몬, 항생제 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.
동결건조 공정은 크게 3단계로 구성된다. 첫째, 냉각을 통해 물질을 고체화시킨다. 둘째, 감압 상태에서 얼음이 승화되어 수분이 제거되는 1차 건조 과정이 진행된다. 셋째, 추가적인 탈착 건조를 통해 최종적으로 원하는 수준의 잔류 수분을 달성한다. 이 각각의 단계는 서로 밀접하게 연관되어 있으며, 동결 방식과 속도, 압력, 온도 등의 공정 변수에 따라 미세 구조와 건조 효율이 달라진다. 예를 들어 동결 시 얼음 결정체의 크기와 연속성이 달라지면 증기 배출 통로가 영향을 받게 된다. 또한 과도한 동결 속도나 낮은 공융점을 가진 물질의 경우에는 일부 물질이 완전히 동결되지 않아 승화 과정에 문제가 발생할 수 있다.
동결건조 기술은 식품, 제약, 생명공학 분야를 중심으로 지속적으로 발전하고 있다. 식품 분야에서는 과일, 채소, 커피, 유제품 등의 장기 보관과 즉석 섭취성을 높이는 데 기여하고 있으며, 제약 분야에서는 생물학적 제제와 열에 민감한 의약품의 안정성을 향상시키는 데 활용된다. 최근에는 가정용 소형 동결건조기의 보급이 확대되어 일반 소비자들도 이 기술을 활용할 수 있게 되었다. 향후에는 공정 자동화와 에너지 효율 개선을 통해 동결건조 기술의 산업적 활용이 더욱 확대될 것으로 전망된다.
2. 동결건조의 개념
2.1. 동결건조의 정의
동결건조는 안정적인 저장과 수송을 위해 건조 시 잔여 수분이 2% w/w 또는 그 이하로 유지되어야 하는 많은 물질에 사용되는 기술이다. Lyophilization 또는 freeze drying이라 불리는 동결건조는 액체 상태로 건조할 경우 발생할 수 있는 대부분의 문제점을 제거할 수 있다. 동결건조란 건조의 한 종류로, 물질을 동결시키고, water vapor의 부분압을 낮춤으로써 얼음을 직접 증기로 만드는 승화에 의해 얻어진다. 여기서 부분압을 낮춘다는 의미는 물의 3중점 이하로 압력을 낮춘다는 것을 의미한다(6 mbar or 4.6 Torr). 낮은 압력에서 얼음 형태인 물은 열 에너지를 받아 액체로 변하는 것이 아니라 water vapor로 직접 승화한다. 승화된 얼음 결정체들은 공간을 남기기 때문에, 건조된 물질은 무수히 많은 틈을 포함하고 있어서, 수분 흡수가 용이해 재수화 (re-hydration) 시 완전하게 re...
