凍結乾燥 / Freeze-drying or Lyophilization

다른 말로 냉동건조(冷凍乾燥)라고도 한다. 용기의 온도를 급격하게 낮추어 건조시키고자 하는 재료를 얼린 다음 용기내부의 압력을 진공에 가깝게하여 재료에 포함된 고체화된 용매를 바로 수증기로 승화시켜 건조하는 방법이다. 조직은 수축하지 않고 얼음결정이 생긴 자리가 공간이 생겨 가볍고 복원성이 좋은 제품이 된다.

의학용의 경우는 열에 의한 수소결합 변형이 큰 재료[1]를 온전히 건조시키는 데 사용하며 식품의 경우에도 맛을 잃지 않으면서 물을 넣어 되돌렸을 때 식감의 복원력이 뛰어난 보존식품을 만들 수 있는 장점이 있기에 많이 사용한다. 식감의 복원력이 뛰어나게 되는 이유는 동결건조로 급속냉동할 시 식품속의 물 분자가 더 적게 팽창하여 식품 본래의 분자구조에 영향을 덜 미치기 때문이다. 화학 물질들 중 상온 또는 고온에서 반응성이 있는 물질들의 용매를 제거할 때 역시 사용할 수 있다.

동결건조를 하는 이유로는 보통 열에 민감한 물질의 손상을 최소화하기 위해서 이다. 즉, 물질의 비활성화에 딱 맞는 방식이다. 이들 물질은 상온 또는 고온에서 반응할 위험이 크다. 또한 조밀하고 깔끔한 충진이 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 제거 했을때 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 가열없인 물에 녹지 않게 되는 경우가 흔히 존재하며 이를 이용하여 조직공학에서 다공성 지지체(scaffold)를 제작하기도 한다. 즉 동결건조도 만능은 아닌셈.

주로 동결 건조에 사용하는 제품은 열에 민감하거나 초소의 소립자가 필요한 제품, 또한 정밀한 충진이 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 분말형태로 만들때도 널리 사용된다.

일상생활에서 쉽게 볼 수 있는 예로는 황태가 있으며, 라면의 건더기 스프에 있는 채소를 건조 시킬 때 사용된다. 또 인스턴트커피에 사용되는 커피 추출액을 말릴 때에도 사용이 되고 우주 식품을 만들 때에도 사용되기도 한다.

장례법 중 하나인 빙장이 이런 원리이다. 액체질소를 사용하여 시신을 영하 196도까지 냉각시킨 후 잘게 부순 뒤[2] 수분을 제거하여 별도의 친환경상자에 넣어 매장하는 방식이 동결건조와 유사하며 최근 친환경적인 장례법으로 떠오르고 있다. 자세한 내용은 빙장 항목 참고.

낚시에 사용하는 미끼를 동결건조시키기도 한다.

동결 건조의 공정방식은 3가지로 뼈대가 이루어져 있다. 이 3가지는 각각 동결(凍結)단계, 승화(昇華)단계 그리고 건조(乾燥)단계로 이루어져 있다.

동결이란 어는 걸 말한다. 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.

얼어붙은 시료의 압력을 낮추게 되면, 얼어붙은 용매가 고체에서 액체로 액화를 겪는 상태를 지나 고체에서 기체로 승화할 수 있는 상태가 된다. 압력을 낮추다보면 물질에 따라 다르지만 승화점 또한 낮아지고 결국 시료 내의 용매(일반적으로는 수분)는 승화하여 기체로 날아가게 된다.

기계에 따라 다르지만, 일반적으로 압력을 낮추기 위해 공기를 빼주는 과정에서 승화가 일어나고 결국 빠지는 공기와 함께 기체가 된 용매가 같이 날아가게 된다.

얼어 붙는 과정에서 이미 고체가 되어버린 용매는 승화점 이상의 온도에서 기화되게 되며 고체에서 기체로의 상변화(phase transformation)는 용질을 젖게 만들지 않기 때문에 처음 시료의 구조를 유지한 상태로 용매만 제거되게 된다.

흔히 사용되는 물-녹말 혹은 물-셀룰로오스 성분계에서는 물에 팽윤되어 있을때에 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.

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가정용으로 쓰이는 전용기계이다. 가격은 천차만별.

동결기와 건조기, 별도의 두 장치를 통해 할 수도 있다. 이때 시간 간격이 용매가 녹지 않을 정도로 짧아야한다