| 건조 방식 | ||||||
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1. 개요
凍結乾燥 / Freeze-drying, Lyophilization다른 말로 냉동건조(冷凍乾燥)라고도 한다. 용기의 온도를 급격하게 낮추어 건조시키고자 하는 재료를 얼린 다음 용기내부의 압력을 진공에 가깝게 하여 재료에 포함된 고체화된 용매를 바로 수증기로 승화시켜 건조하는 방법이다. 조직은 수축하지 않고 얼음결정이 생긴 자리가 공간이 생겨 가볍고 복원성이 좋은 제품이 된다.
2. 역사
현대의 산업적인 동결건조 기술이 개발되기 이전에도, 건조하고 추운 날씨와 높은 일조량을 동시에 만족하는 환경을 갖춘 일부 지역에서 건조한 공기와 강한 햇볕에 의해 얼음이 승화되는 것을 이용한 원시적인 동결건조법을 터득해 사용해 왔다. 그 중 한 예시는 남미 고산지대의 전통 동결건조 감자 '추뇨(Chuño)'로, 가을에 감자를 수확한 뒤 알이 작은 것들을 골라 널어두어 3일간 밤새 얼어붙었다가 낮 동안 마르기를 반복한 뒤 발로 밟아 남아있는 물을 짜서 만든다. 잉카인들은 대략 13세기 때부터 이 방법으로 감자를 보존해 왔으며, 고기 역시 비슷한 방법으로 말려서 보존했다고 한다. 한국 동해안에서 생산되는 황태나 과메기 역시 이러한 원시적 동결건조의 한 예시로 볼 수 있다.오늘날 쓰이는 산업용 동결건조 기술은 1811년에 처음 개발되었다. 초기에는 복잡한 공정 때문에 끽해야 광견병 치료제에 사용되는 물질의 변질을 막는 정도로만 그쳤다. 그러다 제2차 세계 대전 당시에 미국이 동결건조를 제대로 활용하면서 전환점이 찾아왔다.
노르망디 상륙 작전 이후 엄청난 수의 사상자가 발생하자 대량의 수혈용 혈액과 페니실린을 비롯한 의약품들이 필요해졌는데, 냉장 시설의 부족으로 혈액과 주사용 혈청이 쉽게 변질되었다. 그런데 마침 혈장은 동결건조했다가 복원해도 전혀 문제가 없었다는 점이 밝혀졌다. 미군은 이 점에 주목하여 냉장 시설이 부족한 전장에서 오래 보존하기 힘든 전혈 수혈보다는 냉장 시설 없이도 장기보존할 방법이 생긴 혈장 수혈을 최대한 이용하고자 했고, 이를 위해 대규모 동결건조 시설을 건설하였다. 이 공장에서는 수혈용 혈장을 동결건조하고, 혈장을 혈청으로 재가공한 뒤 페니실린, 스트렙토마이신 같은 의약품도 만들어 동결건조한 뒤 전장으로 보냈다. 덕분에 많은 장병들이 적절한 치료를 받고 목숨을 구할 수 있었다.
동결건조법은 의약품뿐만 아니라 전투식량에도 사용되었다. 전쟁 기간 동안 혈액을 혈장화하여 군납하던 NRC(National Research Corporation)는 전투식량에 들어가는 오렌지 주스 분말을 생산하는 계약을 따 냈고, 이를 위해 Florida Foods Corporation라는 자회사를 만들었다. 비록 이 계약은 얼마 지나지 않아 종전이 이뤄지면서 취소되었지만, 그 후로도 사업을 유지하여 미닛메이드라는 주스 브랜드가 탄생하게 되었다. 전쟁 이후, 동결건조 기술은 민간에서도 널리 쓰이게 되었는데, 그 혜택을 가장 크게 본 분야는 인스턴트 커피 산업이었다.
3. 쓰임새
열에 민감한 물질을 건조하는 데에 널리 쓰인다. 의학 분야에서는 열에 의한 수소결합 변형이 큰 재료[1]를 온전히 건조시키는 데 사용한다. 식품 산업에서는 맛을 보존하면서도 물을 넣어 되돌렸을 때 식감의 복원력이 뛰어난 보존식품을 만들 수 있는 장점이 있기에 많이 사용한다. 상온 또는 고온에서 반응성이 있는 액체 용액을 분리할 때도 사용할 수 있다.주로 동결 건조에 사용하는 제품은 열에 민감하거나 초소의 소립자가 필요한 제품, 또한 정밀한 충전이 필요한 제품, 고가의 제품, 빠르고 완전한 재수화가 필요한 제품 등이 포함된다. 동결건조 제품이 타 제품보다 비싼 건 이 때문이다. 식품 분야에서는 주로 과일이나 식료품 등에 사용된다. 국군의 전투식량에도 자주 사용된다. 불로에서 나온 동결건조 비빔밥 등이 여기에 포함되며 맛은 괜찮은 편이다.
더불어 생명과학/생명공학/의학에서도 지지체(scaffold)를 만들때도 사용되며 여러가지 시료를 분말 형태로 만들 때에도 널리 사용된다.
라면의 건더기 스프에 있는 건조 채소를 만들 때도 사용된다. 또 인스턴트커피에 사용되는 커피 추출액을 말릴 때에도 사용이 되고[2] 우주 식품을 만들 때에도 사용되기도 한다.
낚시에 사용하는 미끼를 동결건조시키기도 한다.
4. 동결건조의 장단점
상온/고온에서 반응성이 높아 열에 민감한 물질을 건조할 때 손상/변질을 최소화할 수 있다. 즉 물질의 비활성화에 딱 맞는 방식이다. 또한 조밀하고 깔끔한 충전이 가능하며, 빠르고 빈틈없는 재수화(再水和)가 가능하다. 부스러지기 쉬운 구조에 알맞으며 수분의 유입이 쉬운 점도 장점이다. 혈장이나 혈청과 같은 물질을 저온에서 건조시켜 분말로 만들게 되면 장기간 보존할 수 있다.
그러나 동결건조도 결국 건조이기 때문에 물을 제거했을 때 변형이 심각한 물질이라면 물을 다시 붓는다고 원래대로 돌아가리라 확신할 수 없다. 예를 들어 결정성을 보이는 친수성 고분자를 물에 녹인 경우 동결건조 시 물이 빠져나가며 결정성이 증가하여 가열하지 않으면 물에 녹지 않게 되는 경우가 흔히 존재한다. 다만 오히려 이 점을 조직공학에서 다공성 지지체(scaffold)를 제작할 때 이용하기도 한다.
5. 동결 건조 과정
동결건조는 동결(凍結), 승화(昇華), 건조(乾燥)라는 3단계로 나뉘어 이루어진다.5.1. 1단계: 동결
먼저 시료를 급속냉동한다. 동결건조기의 종류에 따라 다르지만 일반적으로 액체질소나 냉장고에 원하는 물질을 넣어 원하는 시료를 동결시킨다. 온도를 낮추는 속도나 방법에 따라 건조된 시료의 미세구조(microstructure)를 조절할 수 있다.용액에 온도가 떨어지는 과정에서 냉각속도가 느리다면 용액이 포화상태에 도달한 후 과포화되면서 용질의 결정체가 침전된다. 이 과정에서 용매와 용질의 상분리(phase separation)가 일어난다. 냉각속도가 매우 빠를 경우 용질이 용액에서 분리되지 못한 상태로 얼어붙을 수 있다.
공융점은 물질이 완전한 결정체에 도달하는 위치로 물질이 하나 이상의 용질 결정체를 포함하는 경우에 유사한 현상이 나타나 각 구성 요소의 어는점보다 낮다.
5.2. 2단계: 승화
얼어붙은 시료의 압력을 낮춘다. 압력을 낮추다 보면 물질에 따라 다르지만 승화점이 낮아지면서 시료 내의 동결된 용매(일반적으로는 수분)는 승화하여 기체가 된다.기계에 따라 다르지만, 일반적으로 압력을 낮추기 위해 공기를 빼주는 과정에서 승화가 일어나고 이때 빠지는 공기와 함께 기체가 된 용매가 같이 날아가게 된다.
5.3. 3단계: 건조
승화된 기체를 제거한다. 기체가 된 용매는 용질을 젖게 할 수 없으므로 고체만 남는다.흔히 사용되는 물-녹말 혹은 물-셀룰로오스 성분계에서는 물에 팽윤되어 있을 때에 비해 건조된 고체의 결정성이 증가한다. 다만 열풍건조에 비해서는 결정성 증가의 폭이 작으며 기공이나 섬유상 같은 미세구조를 잘 유지하고 있기 때문에 다시 물에 담갔을때 물이 침투하는 속도가 빠른 편이다.
6. 기기 종류
[3]
가정용으로 쓰이는 전용기계이다. 가격은 천차만별이다.
7. 기타
- 동결기와 건조기, 별도의 두 장치를 통해 할 수도 있다. 이때 시간 간격이 용매가 녹지 않을 정도로 짧아야 한다.
- 동결건조한 과일칩을 유아들 간식으로 자주 판매한다. 다만 동결건조한 과일 특성상 미세한 건조과일가루가 굉장히 많이 나는 편이라 아이들 폐에 들어가지 않게끔 주의가 필요하다.
- 동결건조기에 과자류, 특히 끈적한 캐러멜이나 쫀득한 젤리, 폭신한 마시멜로[4] 등을 넣고 돌리면, 수분이 날아가서 파삭파삭한 느낌의 독특한 식감을 가진 과자가 된다. 일례로 동결건조한 스키틀즈는 외국에서 인기가 많고, 우리나라에서도 편의점 등지에서 '동결 건조 캔디'라는 이름으로 판매되고 있다. 이런 여러가지 과자 종류들을 동결 건조해서 먹어보는 컨셉의 유튜브 채널도 존재한다. 국내에는 아누누가 대표적.
- 포켓몬스터의 얼음타입 기술중 하나인 프리즈드라이가 여기서 모티브를 가져왔다.