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동결 건조(Freeze Drying)와 진공 시스템


동결 건조를 아십니까?

동결 건조라는 단어가 익숙하지 않을 수 있지만 우리는 이미 많은 분야, 특히 냉동 식 재료 분야에서 동결 건조 기술을 이용하고 있습니다.


이번 시간에는 동결 건조와 진공 시스템에 대해 알아보겠습니다.

 

동결 건조(Freeze Drying)이란?


냉동 건조라고도 불리는 동결 건조는 챔버 내부에 제품을 넣고 내부 온도를 낮춰 제품을 얼린 후, 챔버 내부 압력을 낮춰 재료에 포함되어 있다가 얼음이 된 물을 수증기로 승화 시키는 과정을 이용해 제품을 건조 시킵니다.


동결 건조는 고대 잉카 제국에서부터 시작되었습니다.

잉카에서는 13세기부터 안데스 산맥의 산 꼭대기에서 영하의 온도에 감자를 노출시키고, 낮에는 물기를 짜 햇볕에 말리는 과정을 반복해 동결 건조 감자를 만들었습니다.


동결 건조의 중요한 전환점은 2차 세계대전 중 현장에서 부상자를 치료하기 위해 혈장과 페니실린이 필요한 때였습니다.

냉장 운송이 부족하기 때문에 많은 혈청 공급품이 수령인에게 도착하기 전에 상해버렸는데, 동결 건조 공정 기술로 인해 혈장과 페니실린을 냉장 없이도 화학적으로 안정될 수 있도록 만들수 있었습니다.


동결 건조 공정은 일반적으로 두 단계로 진행됩니다.


1차 건조

제품을 -34℃ ~ -45℃의 매우 낮은 온도로 얼리는데, 이 때 제품 내부에 포함되어 있던 수분이 얼음으로 변합니다.

챔버 내부의 압력을 감소 시켜 제품 내부의 얼음이 승화 됩니다. 이 단계는 완료하는데 몇 시간이 걸릴 수 있습니다.

2차 건조

2차 건조 때는 챔버의 압력이 더 낮아지고 온도가 약간 상승하는데, 이 단계에서 남아있는 수증기를 제거합니다.


동결 건조 공정이 완료되면 제품은 탈수되 수분 함량이 매우 낮아지게 됩니다.

음식의 경우 가벼운 바삭한 질감과 긴 유통기한을 갖게 됩니다.


동결 건조는 다음과 같은 다양한 용도로 사용됩니다.


- 식품 보존 : 동결 건조 식품은 가벼운 무게와 긴 유통 기한이 특징이며, 제약 산업에서 열에 민감한 약물을 보존하는데도 사용됩니다.

- 과학 연구 : 동결 건조 기술은 박테리아나 바이러스, 세포와 같은 생물학적 샘플을 보존하는 데 사용되며, 의학 연구에서 조직 샘플을 보존하는 데도 사용됩니다.

- 산업용 : 동결 건조는 페인트와 잉크, 화장품과 같은 다양한 산업 제품을 보존하는데 사용됩니다.

또한 동결 건조 커피와 같은 음료를 만드는 데도 사용됩니다.

 

동결 건조와 진공 시스템


위에 설명한 것처럼 동결 건조는 물의 고체 형태인 얼음이 저압에서 승화되어 재료로부터 제거되는 공정입니다.

즉, 얼음이 녹지 않은 상태에서 바로 가체로 변하게 됩니다.


진공 시스템은 동결 건조에서 매우 중요한 역할을 하는데, 챔버 내의 압력을 낮춰 얼음이 승화하는 것을 촉진합니다.

압력이 낮아지면 얼음의 표면에서 증발하는 수증기가 챔버 내부에 머무르지 않고 빠르게 제거될 수 있고 빠르게 건조가 완료됩니다.


또한 진공 시스템은 공정 과정에서 열이 발생하게 되는 동결 건조 공정에서 발생한 열을 제거하는 데도 도움을 줍니다.

진공 시스템은 챔버 내의 압력을 낮춰 열을 빠르게 제거할 수 있고 그로 인해 건조가 완료되는 시간을 단축하고 제품의 품질을 높일 수 있습니다.



일반적으로 수증기로 인한 기체의 부하는 매우 높으며 방출된 수분이 펌프 시스템에 압력을 가하는 것을 막기 위해서는 응축기가 필요합니다.

상용 동결 건조기에는 두 가지 용도로 사용되는 열 교환기가 포함되어 있습니다.

먼저 열 교환기를 사용해 제품을 냉각하고 이후 제품을 부드럽게 가열해 수분의 승화를 유도합니다.

 

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