공조기술사, 공조냉동기계기술사 134회, 4교시, 4번, 동결건조에 대하여 다음을 각각 설명하시오.

 

 

1. 문제

 

 

2. 식품의 동결건조

"식품의 동결건조"는 식품 보존 및 가공 방법 중 하나로, '동결'과 '건조'를 결합한 기술입니다. 영어로는 freeze-drying 또는 lyophilization이라고 합니다.

 

동결건조란?

동결건조는 식품을 영하의 온도에서 먼저 얼린 후, 진공 상태에서 수분을 제거하는 방식입니다. 수분이 고체 상태(얼음)에서 바로 기체(수증기)로 변하는 승화(sublimation) 원리를 이용합니다.

 

동결건조의 과정

동결 (Freezing)

 

• 식품을 급속 냉동시켜 내부 수분을 얼립니다.

 

1차 건조 (1차 승화 건조)

 

• 진공 상태에서 얼음을 수증기로 승화시켜 대부분의 수분을 제거합니다.

 

2차 건조 (흡착 건조)

 

• 남은 결합수(식품에 붙어 있는 물분자)를 제거하여 수분 함량을 약 1~5% 수준까지 낮춥니다.

 

장점

 

• 영양소 손실이 적음: 열을 거의 사용하지 않기 때문에 비타민, 미네랄 등이 잘 보존됩니다.
• 맛과 향 유지: 원재료의 맛, 향, 색이 거의 그대로 유지됩니다.
• 장기 보관 가능: 수분이 거의 없어 부패나 미생물 번식이 어렵습니다.
• 빠른 복원성: 물만 부으면 쉽게 원래 형태로 복원됩니다.

 

단점

 

• 비용이 높음: 장비와 에너지 비용이 많이 듭니다.
• 시간 소요: 일반 건조보다 시간이 오래 걸립니다.

 

적용

 

• 즉석식품: 동결건조 미소된장국, 스프, 커피
• 간식: 동결건조 과일 (딸기, 사과, 바나나 등)
• 영양식: 유아식, 캠핑용 식품, 군용 식품
• 의료/제약: 백신이나 바이오의약품 보존

 

3. 동결건조 장치인 동결건조기

동결건조기는 동결건조 공정을 수행하는 장비로, 식품, 제약, 화장품, 생명과학, 재료공학 등 다양한 산업에서 사용됩니다.

 

동결건조기란?

동결건조기(Freeze Dryer)는 시료나 제품을 얼린 후, 진공 상태에서 승화시켜 수분을 제거하는 장치입니다. 핵심 목적은 제품의 구조, 성분, 기능을 최대한 유지하면서 수분을 제거하여 장기 저장이 가능하게 하는 것입니다.

 

기본 구성 요소

동결건조기는 일반적으로 다음과 같은 주요 부품으로 구성됩니다:

 

챔버(Chamber)

 

• 제품이 놓이는 공간입니다.
• 내부는 진공 상태로 유지됩니다.
• 내부 선반(shelf)이 있어 시료를 다층으로 배열할 수 있습니다.

 

냉각 시스템 (Freezing System)

 

• 시료를 빠르게 얼리기 위한 장치입니다.
• 보통 -40℃ ~ -80℃까지 냉각 가능합니다.
• 콘덴서(condenser)도 냉각되어 수증기를 포집합니다.

 

진공 펌프 (Vacuum Pump)

 

• 챔버 내부의 공기와 수증기를 제거하여 저압 상태(진공)를 만듭니다.
• 승화를 빠르게 하기 위해 중요한 역할을 합니다.

 

가열 시스템 (Heating System)

 

• 1차 건조 이후 2차 건조 단계에서 잔여 수분 제거를 위한 열을 제공합니다.
• 열은 일반적으로 선반에 내장된 히터를 통해 공급됩니다.

 

콘덴서 (Cold Trap / Condenser)

 

• 승화한 수증기를 다시 얼려서 포집합니다.
• 진공 펌프의 손상을 막고 효율적인 건조를 돕습니다.

 

제어 시스템 (Controller)

 

• 온도, 진공도, 시간 등을 조절하는 인터페이스입니다.
• 대부분 디지털 방식으로 자동 제어가 가능하며, 데이터 기록 기능도 있습니다.

 

동결건조기의 작동 원리

동결 단계

 

• 시료를 냉각시켜 내부 수분을 얼립니다.

 

1차 건조 (승화 단계)

 

• 진공 상태에서 얼음이 기체로 직접 승화되어 제거됩니다.
  선반에서 약간의 열을 공급하여 승화를 촉진합니다.

 

2차 건조 (탈착 단계)

 

• 남은 결합수(물분자)를 제거하기 위해 온도를 더 높이고 시간을 더 들입니다.

 

 

이상으로 문제 풀이를 마치도록 하겠습니다. 

모두 힘내세요.