동결건조

동결건조(리포리라이제이션이라고도 함)에서는 미리 동결된 제품에서 물이 액체 상태를 거치지 않고 고체 상태에서 직접 기체 상태로 전환됩니다(승화). 이를 위해 제품은 먼저 극저온으로 냉동된 후, 압력이 크게 감소된 건조 챔버에 보관되며, 이 과정에서 발생하는 수증기는 응축기에 의해 얼음으로 분리됩니다. 제품 구조 붕괴(유테틱 또는 붕괴점)를 방지하기 위해 제품 온도는 임계 제품 온도 이하로 유지되어야 합니다.

이 과정은 세 단계로 설명됩니다:

• 동결 단계: 제품은 온도 조절이 가능한 작업대에 놓여 동결점 이하의 온도로 냉각되어 내부에 포함된 물이 결정화됩니다.
• 1차 건조: 진공 상태에서 적당한 가열을 가하면 얼음이 승화되어 대부분의 물이 제거되고 얼음 응축기에 분리된다.
• 2차 건조: 잔류 수분은 압력을 더욱 낮추고 온도를 높인 상태에서 탈착을 통해 제거되며, 원하는 최종 수분 함량에 도달할 때까지 이 과정이 지속됩니다.

핵심적인 점은 얼음의 승화(昇華)에 필요한 에너지 요구량이다. 대략적으로:

Q = m_w * Δh_sub

• Q: 승화 시 필요한 열량
• m_w: 제거할 물의 질량
• Δh_sub: 물의 비승화 엔탈피

승화 속도는 주로 제품 위와 응축기 위의 수증기 압력 차이에 따라 달라집니다:

dm_w/dt ∝  (p_v,Produkt −  p_v,Kondensator)

• dm_w/dt: 승화된 물의 질량 유량
• p_v,제품: 제품 표면의 수증기 압력
• p_v, 콘덴서: 콘덴서에서의 수증기 압력

동결건조는 주로 열에 민감하거나 구조적으로 중요한 제품, 예를 들어 의약품 원료, 백신, 효소, 배양균, 인스턴트 식품, 고급 커피 또는 과일에 사용됩니다. 이 공정에서는 건조된 제품의 형태와 기공 구조가 대부분 유지되기 때문입니다. 생성된 다공성 매트릭스는 빠른 재습윤 및 재구성을 가능하게 합니다.