동결 건조기란?

동결 건조기란?

 

■   소 개

많은 물질들은 안정적인 저장과 수송을 위해 건조 시 잔여 수분이 2% w/w 또는 그 이하로 유지되어야 한다. Lyophilization 또는 freeze drying 이라 불리는 동결건조는 액체 상태로 건조할 경우 발생할 수 있는 대부분의 문제점을 제거할 수 있다. 

동결 건조란 건조의 한 종류로, 물질을 동결시키고, water vapor의 부분압을 낮춤으로써 얼음을 직접 증기로 만드는 승화에 의해 얻어진다. 여기서 부분압을 낮춘다는 의미는 물의 3중점 이하로 압력을 낮춘다는 것을 의미한다(6 mbar or 4.6 Torr). 낮은 압력하에서 얼음의 형태를 가지는 수분은 열 에너지를 공급함으로써 액체로 변하는 것이 아니라 water vapor로 직접 승화한다. 승화된 얼음 결정체들은 공간을 남기기 때문에, 건조된 물질은 무수히 많은 틈을 포함하고 있어서, 수분 흡수가 용이해 재수화 (re-hydration) 시 완전하게 re-solution된다.

동결 건조의 이러한 고유 성질은 “용매를 잘 흡수한다”는 그리스어로부터 유래되어 "Lyophilization"으로 명명되어 쓰인다. 물질의 중요한 구성 성분들은 얼음 결정체에 의해 승화 건조 과정 동안 고정되어 유지되며 건조된 물질의 형태는 대체로 젖은 물질의 얼려진 형태와 같고 skin를 형성하기 위한 표면으로의 분자 이동이 줄어든다. 낮은 온도에서의 건조는 손상을 최소화 시키고, 휘발성의 구성 성분을 고정시키기 때문이다.

젖은 물질이 최종 포장 용기 속에 담겨지기 바로 전 멸균 여과 될 수 있고 미립자와 박테리아 오염은 감소시킬 수 있기 때문에 동결건조는 특히 주사제 생산에 유용하다. 

간단히 말해 동결 건조의 이점은 

a) 열에 민감한 물질의 손상을 최소화하고 비활성화한다.

b) 수분의 침투가 용이하고 부스러지기 쉬운 구조 형성

c) 정밀하고 깨끗한 충진 가능.

d) 빠르고 완벽한 재수화(Re-hydration) 가능 등이며

 

단점은 

a) 장비가 비싸다는 점. (다른 건조 방법에 비해3배 이상)

b) 높은 에너지 비용(다른 건조 방법에 비해2-3배 이상)

c) 긴 공정시간(보통 24시간 이상의 건조사이클을 거치나 줄일 수 있다. ) 등이다.

 

동결건조는 다음과 같이 제품이 하나 또는 그 이상의 기준을 갖고 있을 때 유용하게 쓰인다.

불안정할 때
열에 민감할 때
초소의 소립자가 필요할 때
정밀한 충진이 필요할 때
빠르고 완전한 재수화가 필요할 때
제품이 비쌀 때

 

■  동결 건조의 역사

동결건조는 때때로 물질들이 매우 건조한 대기에서 얼려진 상태로 유지된다면 자연에서도 획득될 수 있다. 그러나 만약 멸균 환경이 각별히 필요할 경우에는 건조한 공기를 계속적으로 공급하기는 어렵다. 실제로 진공 하에서 process를 진행하여 증기의 부분압을 낮추는 것이 편리하다.

동결건조는 1909년 단백질을 보호하는 방법으로 처음 보고되었다. 얼려진 샘플들로부터 승화하는 수증기의 흡수를 위해 화학적인 건조제를 이용하였으나 후에 기계적인 Ice trap이 값비싼 건조제 대신 사용되었다. 이러한 동결 건조 공정은2차 세계대전동안 혈액의 혈장을 보호하기 위해 처음 산업적으로 이용되었다. (1940년 처음 대규모 설비가 소개되었다.) 그 후에 1970년대 세계적으로 천연두 박멸을 위한 캠페인에 힘입어 가장 널리 알려진 계기가 되었다. 처음에 많은 백신들은 작은 원심분리기 형태의 동결건조기에서 건조되었으나. 1970년에서 1980년 사이에 동결건조의 공정은 완성되어 보다 넓고 다양한 생산물들 즉 진단시약, 호르몬, 간 추출물, 비타민, 항생제들과 혈액 등에 적용되어졌다.

 

1980년대 새로운 항생제, 항암제, 그리고r-DNA 발효 생산물을 위한 대규모 설비의 사용은 정교한 CONTROL 시스템과 자동화된 제품 취급에 대한 필요를 불러 일으켰다. 항암제들의 일부는 극도의 독성으로 인해 작동자의 안전성을 저해할 우려가 있어 정교한 자동 정화 시스템이 개발되었고 시스템에서는 GMP를 위한 제규정에 벗어나지 않는 장비로 개선되어 1990년대 생산 공정의 Validation은 동결 건조기까지 포함되어 확장되었다.

 

■  동결 건조의 원리

동결건조의 공정은 온도/시간과 압력/시간에 의한 다음 3단계로 구성된다.

냉각으로 물질을 고체화 시킨다.
승화 건조는 건조된 생산물 속에 수분이 4% w/w 내외로 줄어들고 건조 후 남은 형태는 실제로 처음 얼려진 물질과 같은 크기, 형태를 갖는다.
Desorption 또는2차 건조에서는 원하는 정도까지 수분을 줄여야 한다.(종종1% w/w내외)
이상의3단계는 보통 제품에서 동시에 일어나기도 한다..
 

예로, 에탄올과 같이 낮은 공융점을 가진 물질이 제품에 존재한다면 실제의 동결건조기의 온도에서 완전하게 얼지 않는다. 낮은 공융점를 갖는 구성 성분들은1차 건조과정의 초기에서 제품이 실제 동결건조가 시작되기 전에 액체 상태에서 증발 하게된다. 그것은 또한 승화 건조가 완전하게 되기 전에 그 cake의 건조된 부분에서 일부의 2차 건조가 시작되는 것이 일반적이다.

승화 과정 중 증기는 cake의 외곽부터 점차 내부로 이동되는 건조 경계선에서 발생한다. 승화중인 증기는 반드시 실제의 건조 층의 틈을 통해 지나가야 한다. 그 틈들의 형태는 동결되면서 형성된 얼음 결정체의 결과로써 생기며 만약 그 결정체들이 작고 불연속적이라면 증기의 배출 통로는 제한적일 것이고 만약 큰 나뭇가지의 결정체 형태를 갖는다면, 배출이 쉽고 그 제품들은 더욱 빨리 건조될 수 있다. 동결방법과 비율은 다음과 같은 승화의 과정에 있어서 결정적인 요인으로 작용한다.

 

 

 

▶  동결
물과 한가지의 용질(Nacl)로 구성된 단순한 혼합물은 아마 둘 다 결정화될 것이다. 이 경우 동결은 다음과 같이 이루어진다.
초기 온도로부터 0℃이하까지 냉각은 얼음의 핵을 형성하고 결정체의 열 방출은 0℃를 향하여 온도가 올라가게 한다. 그리고 나서 결정체는 Nacl과 물의 평균 melting point에 비슷하게 온도가 점진적으로 떨어지게 된다.
용액의 온도가 떨어지기 시작하면 포화가 막바지에 도달하고 용질의 결정체는 침전된다. 결국 공융점은 물질이 완전한 결정체에 도달하는 위치로  물질이 하나 이상의 용질 결정체를 포함하는 경우 유사한 현상이 나타나며 각 구성 요소의 어는점 보다 낮게 형성된다.
실제의 경우 대부분 용질은 결정화되지 않고 무결정화된 형태를 갖는다. 이 경우 공융점의 온도는 없고, 미세 구조를 유지하는 동결 건조가 가능한 최고의 제품 온도가 있다. 이것을 collapse 온도라고 부른다.
동결 과정에서 수분이 얼음 결정으로 분리됨에 따라 용질의 농도가 두드러지게 증가되는 점을 감지해야 한다. 이는 농도와 PH를 급격히 변화시켜 종종 제품에 위험한 영향을 끼친다.

 

▶  동결 방법
액체를 동결 건조할 경우, 제품의 두께를 얇게 하여 동결과 건조 시간을 감소할 수 있다. 이를 위하여 Freezing bath에서 V자 쐐기를 만들기 위해 용기를 기울이거나 수평축으로 천천히 돌리거나 또는 수직축으로 빠른 속도로 돌려 속이 빈 실린더의 모양을 형성하게 하는 등 다양한 방법이 개발되었다. 이런 방법은 상대적으로 작은 규모에 적용되어진다.
대부분의 동결건조는 냉각에서 정적인 방법을 사용하는데 대부분 차가워진 표면 또는 동결건조기의 선반과의 표면 접촉에 의존한다. 멸균 제품에서는 handling과 계속적인 오염을 줄이기 위해 보통 동결건조기의 선반 위에서 얼려진다.
액체의 질소를 이용하여 신속하게 동결할 수 있으나 이 같은 방법은 작은 얼음 결정체로 형성되기 때문에 주의해야 한다. 이 작은 결정체는 melting-back, collapse 또는 느린 승화 등과 같이 증기의 이탈 속도를 늦추게 한다. 이는 또한 그것 자체도 사용 전에 반드시 멸균정제 해야 한다. 만약 작은 얼음 결정이 나타나는 동결 방법을 피할 수 없다면, 상태조절 또는 온도조절을 이용하여 얼음 결정체에 성장의 기회를 주어야 한다. 이는 결정체의 성장을 위해1-2시간동안 eutectic 또는 collapse 온도 이하로 제품의 온도를 유지하고 승화 시작하기 전에 재동결을 한다.

 

▶  승 화
동결 후, 증기의 부분압은 승화가 일어날 수 있도록 압력을 물의 3중점 이하로 감소시켜야 한다. 만약 물 분자들을 위한 일탈 경로가 자유롭다면, 1차 건조의 초기단계에 있어 승화의 속도는 선반과 접촉되는 부분에 열이 전이 되는 비율에 따라 크게 달라진다.
물질의 안전성이 유지되는 가장 낮은 건조온도(eutectic point)가 승화과정에서 넘어간다면, 융해가 나타난다. 이것은 쪼그라들고 부푸는 등의 제품의 실패를 늘려준다.
이것은 일부의 용질이 결정을 이루지 않고 얼려지지 않은 물과 혼합된 무정형의 “glass”가 형성되는 collapse와 때때로 혼동된다. 그 glass는 순수한 물 얼음 결정체로 지탱되어 단단하게 나타나지만 순수한 물 얼음 결정체들은 승화되어, 그 유지물들이 제거 되면 외관상으로 건조제품이 collapse되어 불침투 물질을 형성한다. 그 현상은 일반적으로 적용되는 수없이 많은 물질의 collapse 온도를 측정했던 Mackenzie 박사에 의해 설명되어졌다.
 열 대부분이 열 전도율이 낮은 얼려진 물질을 통해 전달되어지므로, 융해를 피하기 위해서는 열 변화폭이 낮고 전도된 열이 작아야 한다.
열을 가한 후 증기는 제품의 외부에서부터 흘러나오며 승화율은 제품 cake의 건조된 부분의 길이가 길수록 제한된다. 매우 낮은 압력하의 건조과정에서 vial 아래쪽 제품에 융해 없이 동결건조 될 때 열 이동에 어려움이 있다. -20℃주변이 최대의 건조온도라면, 진공 조건 하에 선반에서부터 vial의 유리 밑으로의 약한 열 전이로 인해 선반 표면 온도를 40℃까지 올리는 것이 필요할 지도 모른다. 승화율을 저해하는 어떤 것이든 melt-back 또는 collapse 그리고 제품을 파괴할 수 있다.
승화 과정 동안 선반에서 제품으로의 열 이동은 진공상태를 깨뜨림으로써 증가된다. 이것은 공기 또는 건조한 질소가스를 Drying chamber 속으로 주입하거나 또는 0.5mbar로 압력을 유지하기 위해 진공펌프의 valve를 조절하는 방법 등이 대표적인 방법이다. 이것은 가열된 선반으로부터 제품용기의 밑부분으로의 대류적인 열 전달이 개선되고, 주어진 건조 비율을 위한 선반에서부터 제품까지의 온도 차이가 줄어든다.
그 기술들은 많은 연구자들에 의해 설명되어졌다. 멸균된 제품들을 위해 공기 또는 질소가스는 Drying chamber속으로 보통 0.2micron 스팀 멸균 필터를 통과하여 주입된다.
일반적으로 단순한 물질의1cm두께의 cake이 깨끗한 얼음 결정체 구조와 온도를 효과적으로 활용하고 건조 공간에서 압력을 조절한다면1차 건조시간은 10-20시간 사이다.
건조시간은 두께의 대략적인 관계에 따라 변화한다.
시간 = K(두께) 1.5
K는 상수, 이것을 또한 다음과 같이 표현할 수 있다.
시간은 (두께) 1.5에 비례적이다.

▶  2차 건조
이것은 결합수, 결정화된 수분, glassy 물질 속에 무작위로 퍼져있는 물 , 세포 내부의 물 또는 흡수된 물 등과 같이 남아있는 수분을 제거한다. 1차 또는 승화 건조가 완료되고 이러한 수분은 desortion을 통해서 제거한다. 남아있는 수분의 양은 보통 4%w/w 이내이다.
이러한 수분은 진공상태에서 제품에 열을 가해서 제거할 수 있는데, 일반적으로 15℃~ 30℃사이로 1차 건조시간의 ⅓정도로 한다.
건조된 물질의 잔여 수분정도는 생명체 보관의 주요한 요소이다. 많은 생물적인 물질들은 과도한 건조에 의해 피해 입을 수 있고, 최종 수분의 양이1.5%-2% 사이에서 건조 됐을 때 최고의 적정량으로 유지된다. 예로 BCG와 같은 백신들은1.5%, 살아있는 rubella, measles와 그 이외의 것들은 2%, 화학 제제와 항생제 등의 다른 물질들은 최상의 결과를 위해 반드시 잔여수분이 0.1%보다 낮게 건조되어야 한다. 대부분의 동결 건조된 물질들은 흡습성이 있다. 그래서 반드시 용기를 봉인해서 보관하여야한다. 통용되고 있는 방법은 보통 건조 시 순수한 질소가스를 주입시켜 보관한다. Argon과 Helium등의 다른 기체들도 또한 사용되고 있다.

 

■   식품 산업에서의 동결 건조
최근 우리 주변에서 많은 동결 건조 식품을 접할 수 있으며 동결 건조라는 용어를 다시금 생각하게 되는데 상기에서 언급한 정밀한 동결 건조는 식품에 있어 고부가 가치의 몇몇 제품을 제외 하고는 현실 상 불가능하며 동결 건조 공정에 대한 오해로 인해 간혹 논쟁이 일어나고 있는 현실이다.
솔직히 식품 산업에서 말하는 동결 건조는 진공 건조로, 이 두 가지의 차이는 승화를 이용하느냐, 기화를 이용하느냐에 달려 있다.
혹자는 건조 전 식품을 동결하여 건조하면 동결 건조하는 것으로 잘못 알고 있는데 오해는 여기에서부터 출발하고 있다. 동결 후 승화를 이용하여 건조하기 위해서는 건조 중 반드시 제품을 공융점 이하(경험상 -15oC ~ -25oC 내외)로 유지해야만 동결건조가 된다는 점이다. 만일 제품의 온도가 공융점 이상이 될 경우 녹게 되어 승화되는 것이 아니라 기화되어 진공 건조의 과정을 거치게 된다.
이처럼 제품을 공융점 이하로 유지하면서 건조할 경우, 식품은 대략 1 주일 이상의 건조 시간이 소요되어 생산성이 지극히 낮아 저가의 식품에는 적용키 어려운 것이 사실이다. 따라서 생산성과 비용을 고려해 제품을 공융점 이상으로 가열하여 1-2일 내에 건조하는 방법을 사용하고 있다. 이 경우 동결건조의 장점이 많이 감소되어 제품의 질이 낮아질 수 밖에 없다.
그럼 건조된 제품을 가지고 동결건조 하였는지 진공건조 하였는지 어떻게 구별할 것인가? 가장 쉬운 방법은 제품을 물에 희석하면 되는데 동결 건조 제품은 물을 쉽게 흡수하고 진공 건조 제품은 시간이 많이 걸린다는 점을 이용해 구별하면 손쉬우리라 생각된다. 따라서 동결 건조된 제품은 대기중에 노출 시 제품에 수분이 쉽게 침투하므로 반드시 진공 포장 되어야 한다.
또한 식품 산업에서 사용하고 있는 건조기는 엄밀한 동결 건조기와 구조적으로 상당한 차이(제품의 온도 제어, 진공 system등)를 갖고 있으며 규모 경제적 측면에서 소형보다는 대형화 (1ton-3 ton)되어 있다.  
이를 간략하게 요약하면 다음과 같은 표로 설명할 수 있다.           

이상의 차이를 보다 잘 설명해주는 빅터 콜만 박사의 논문을 게재한다.  

 

Freeze Drying Makes the Difference

by Victor Kollman, Ph.D.

 

We who have access to the vast array of existing modern technology have the power to use it to build a better, more healthy society; or, we can use it for destructive purposes thereby hurting/injuring others.  Nowhere is this more evident than in food and health technology.  In this article we discuss the almost unlimited potential of modern freeze drying technology to prepare foods and nutriceuticals having far superior nutritional quality to heat-processed food and food supplements (vitamins, minerals, protein, lipids and carbohydrates, etc.).  However, simply because a food or food supplement states on the label that it has been freeze-dried does not mean that it has ever been close to a cryogenic (low temperature) freeze dryer; or, that the product has any more food value than if it had been processed by conventional heating methods.

Yes, untruthful labeling is fraud and this practice is rampant in the so-called health foods business.  Buyer beware.  Read this article before you make a purchase.

 

What is Freeze Drying?

Freeze drying or lyophilization is a method used to dry a material such as herbs, vegetables, milk, or algae, etc. in a frozen state under high vacuum so that ice or any other frozen solvent (solublizing liquid) sublimes rather rapidly and a porous solid containing about 3% moisture (water) content remains.  Sublimation is the process of causing water or some other solvent to pass from a solid state to the vapor state without passing through the liquid state.  Many pharmaceutical products and most of our nutriceutical products are purified by this process which is accomplished by freezing the material (in water) to be processed and then cooling it to about -20°F in the freeze-drying chamber.  A vacuum is then applied to the freeze-drying chamber and the amount of air inside the chamber is reduced to about the amount of air you would find on. the moon (essentially none).  When a full vacuum has been achieved, heat is slowly applied to the material to be freeze-dried.  Heating of the product material is done by passing a warm liquid through stainless steel coils located just beneath the shelves on which the material being freeze-dried is located.  This warms the frozen material and the frozen solvent gradually passes from the solid state to the vapor state.  The vapors of the solvent are condensed back to the solid state (ice) on condenser plates located inside the freeze- dryer.  The condenser plates are cooled to about -80°F using special freon-type coolants and compressors, similar to those used in home refrigerators and freezers.  The sublimation process continues until the product is dry (3% moisture content).

 

Low Temperature (Cryogenic) Freeze Drying

There are two types of freeze drying methods in use throughout the United States.  One of these methods uses high temperatures (up to 225°F) and the other, which produces superior quality products, uses low temperatures (highest process temperature is 14°F/-10°C).  

In a typical freeze-drying operation the rate of drying (sublimation) is controlled by the temperature of the heating liquid which in turn raises the temperature of the material being dried.  Within certain limits the higher the product temperature, the greater the rate of drying.  In low temperature (cryogenic) freeze drying, the shelf temperature is never increased at a rate greater than the capacity of the vacuum system to maintain 150 millitorr (0.15 millimeters of mercury) and the freon system to maintain -76°F on the ice condensing plates.  The time required to dry the product is from 4 to 6 days.  However, the results are worth the extra cost and time.  

Some of the benefits of Cryogenic Freeze-Drying:

· Insures maintenance of molecular energy and integrity (same or better than the living state).

· Maintains enzymatic activity.

    Limits cell rupture to insure cells are viable when rehydrated (suspended in water).

· Guarantees the activity and assimilability of vitamins, minerals, lipids and protein, etc.

· Lengthens the refrigerated shelf life.

If the original product that was introduced into the freeze dryer was free of bacteria, yeast, mold, and fungi, there is no reason for concern over pathogenic products.  However, we have each of our freeze-dried products analyzed for salmonella, staphylococcus, mold, yeast, fecal coliforms and general aerobic bacteria to be certain that none are present and that no harmful enterotoxins are lurking around to make you sick.

 

High Temperature Freeze Drying

High temperature freeze drying technology is employed by essentially all commercial and private companies who claim to be "freeze drying" their products, with the exception of those who culture friendly bacteria.  High temperature freeze-drying can also be referred to as cooking under low vacuum (2.5 torr = 2.5 millimeters of mercury) while heating the product temperature in the chamber to temperatures that can reach 225°F and above.

Use of high temperatures has three advantages:

· Cuts the time for drying from 4 to 6 days to 48 hours.

· Reduces the cost factor by about four.

· Kills some (but not all) unwanted/harmful microorganisms.

During the drying cycle (48 hours) the product temperature is ramped (increased) via computer commands to 225°F.

 

  All biological enzymatic activity is usually lost between 110°F-122°F and the biological quality is permanently destroyed.  Further, in high temperature freeze drying the final moisture content is usually 10% or higher.  The result... wet spots in the partially dry product promote the growth of various microbes (pathogenic and non-pathogenic).  Then, the processor must bake (at higher temperatures, greater than 225°F) the partially dry product to sterilize it in order to sell it to an unsuspecting buyer who, in all likelihood will experience some undesirable side effects from overloading the gastrointestinal system with dead microorganisms.  This practice is used by nearly all health food businesses, particularly those who sell and distribute algae products, both of domestic and foreign origin.

When high temperature freeze-drying is used, if there is chlorophyll present in the product, the chlorophyll molecules will lose their magnesium ions and be degraded to pheophytin.  Pheophytin is a bluish- black waxy pigment that is dark olive brown in solution and differs from chlorophyll by replacement of the magnesium atom in the molecule by two hydrogen atoms.  Pheophytin has a bitter flavor.  High temperature freeze drying causes carbohydrates to carmelize (char), producing a burned smell.  Further, lipids, fatty acids, and proteins lose their biological integrity (original quality before drying).  The final product obtained by high temperature freeze-drying generally has a burned smell, is darker in color than the natural fresh material, has markedly less nutritional value and has lost most, if not all, of its high structural energy due to molecular configuration which was acquired during growth (synthesis).  The product is less energy-dense.  When the product is eaten, the consumer is left with little more than the "seller's hype" which convinced him/her to buy the product in the first place!  

Shown in the table below is a summary comparison of Low Temperature Freeze Drying versus High Temperature Freeze Drying. It may more easily help in perceptualizing the dramatic differences between REI's LTFD (low temperature freeze drying) technology and the quality of products being sold by entrepreneurial companies who use fast and dirty processing procedures to rush their so-called premium quality products to market.

 

Comparison of Low Temperature Freeze-Drying (LTFD) and High Temperature Freeze-Drying (HTFD)