동결건조(freeze-dryer, lyophilizer)의 원리, 장단점, 3가지 단계

 

- 동결건조란

- 동결건조의 장단점

- 동결건조의 3단계

- 동결건조 시스템 설명

- pre-freezing

- primary-drying

- secondary-drying

- 참고할 많한 표/그래프

 

동결건조란

 

얼음결정 그대로 승화시켜 얼음결정이 없어진 다공성구조를 유지시키는 건조방식

https://courses.lumenlearning.com/cheminter/chapter/phase-diagram-for-water/

동결 – 승화 – 건조의 단계를 거친다.

승화를 기본으로 건조되기에,

건조되는 샘플이 들어가는 공간은 삼중점 아래에서 온도변화를 겪는다.

http://www.seehint.com/word.asp?no=13611

그냥 수분을 날리는 건조는 샘플이 쪼그라들 우려가 높다.

반면 동결건조를 진행하면, 구조가 (상당히) 유지되며 후에 흡습성이 뛰어나다.

 

동결건조의 장단점

 

장점

• 승화된 얼음 결정체들은 공간을 남기기 때문에, 건조된 물질은 무수히 많은 틈을 가져, 수분 흡수가 용이해 재수화 (re-hydration) 시 완전하게 resolution된다.
• 열에 민감한 물질의 손상을 최소화하고 비활성화한다.
• 정밀하고 깨끗한 충진이 가능하다.

단점

• 타 건조 방법에 비해 장비가 고가이다.
• 타 건조 방법에 비해 에너지 비용이 약 2-3배 높다.
• 보통 24시간 이상의 건조사이클로 줄일수 있으나
• 타 건조 방법에 비해 건조 공정이 길다.
• 대량은 힘들고, 뭉친 샘플도 오래걸린다.

https://www.spscientific.com/freeze-drying-lyophilization-basics/

그렇기에 샘플 돌려주며, 바닥에 뭉치는게 아닌, 벽에 펴지게끔 해주는 장비가 있다.

샘플의 표면적이 비교적 확보되고, 뭉쳐서 얼지 않게 하기 위해.

 

동결건조의 3단계

 

한번의 동결과 두번의 건조 단계로 나뉜다.

Pre-freezing

Primary drying

Secondary drying

http://www.seehint.com/word.asp?no=13611

 

동결건조 시스템 설명

 

<< 시스템 설명 >>

(1) vapor lock이나 separate condenser는 수증기가 진공펌프로 가는 것을 막아 + 온도차, 수증기농도차(압력차)로 흐름 생성

• 진공펌프 앞을 condenser로 냉각해준다. (고온 --> 저온 이동하는 힘 발생)
• 샘플에는 얼음이 승화되는 중 & 샘플에서 비교적 먼 곳에선 진공펌프가 비교적 더 낮은 압으로 상태 유지 중 (수증기 고농도 --> 저농도로 이동하는 힘 발생 & 진공의 압차로 고압 --> 저압으로 이동하는 힘 발생)

(2) 동결건조 시스템을 보면, 샘플을 올려두는 선반, 공간에 히터가 내장되어 있다.(열은 일반적으로 제품을 받치는 선반을 통해 전달)

(3) 암?주둥이?에 달 경우, 시간이 오래 지남에 따라 금방 상온에 근접한 온도가 될 것이다.

• 아무리 유리재질
• 외부에 호일을 감고//호일은 복사열을 막는 역할도 한다
• 진공상태 이더라도 유리와 닿는 부분이 존재하고(진공도가 높을 테니, 진공에 비해 유리로의 열 전달이 잘 이러날 것이라 판단)
• 완벽한 진공도가 아니며 진공 공간이 길이도 얕기에

바이알과 샘플을 액체질소에 담근 후

핑크보드(스티로폼) 속에 넣어 단열하는 과정에서 얼마나 빠른 열 손실, 온도 상승이 일어나는지 보인 그래프이다.

(바이알 속 중진공)

 

물질	열전도도 (W/m K)
진공 포장된 경우?	0.0035 라고 합니다
공기	0.025
유리	1.1
핑크보드	0.031 (20도에서)

 

 

pre-freezing

 

동결 속도를 빨리하면

얼음결정 사이즈가 작게 형성되고

동결 속도로 건조 이후의 pore size(얼음결정 사이즈 – 승화) & density(농도) 조절 가능

 

• 빠른 쿨링 = 작은 얼음결정 = freeze dry 어려워(오래걸려)

• 공융점(eutectic temperature)은 물질이 완전한 결정체에 도달하는 온도. 급격한 냉각 시, 결정의 형성이 덜하고 물의 경우 얼음의 사이즈가 작아진다.
• 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.
• 즉, 결정이 생성될 정도의 느린 냉각의 경우 공융점이 있고, 이 공융점을 넘으면 액화 // 무결정화어 냉각된 물제의 경우 collapse온도를 넘을 시 구조 무너짐
• (액체질소 ~ 작은 얼음결정) 만약 작은 얼음 결정이 나타나는 동결 방법을 피할 수 없다면, 상태조절 또는 온도조절을 이용하여 얼음 결정체에 성장의 기회를 주어야 한다(recrystallization). 이는 결정체의 성장을 위해1-2시간동안 eutectic 또는 collapse 온도이하로 제품의 온도를 유지하고 승화 시작하기 전에 재동결을 한다.

 

primary-drying

 

Points

1. 고진공압
2. 진공펌프 근처의 저온유지, condenser
3. 샘플을 적당량 heating

삼중점 아래로

• 삼중점 아래로 온도를 상승시켜야 승화
• 승화를 통한 동결건조 이어야 structure가 깨지지 않는다.
• = 진공에 가까운 저압도 condition이 중요

온도점

• 승화 건조는 샘플의 수분이 4% 내외로 줄어들고, 건조 후 shrinkage가 거의 일어나지 않는다.
• (Crystalline, 결정이 잘 형성되도록 얼려진 샘플의 경우) 물질의 안정성이 유지되는 가장 낮은 건조온도(eutectic point) 위로 온도가 넘어간다면, 승화가 아닌 융해가 나타난다. 이것은 쪼그라들고 부푸는 등의 제품의 실패를 만든다.
• (Amorphous, 결정이 잘 형성되지 못하게 얼려진 샘플의 경우 ~ amorphous물질이나 급속도로 냉각된 경우와 비슷) 동결건조가 어렵고, glass transition 온도점을 갖고 이보다 높은 collapse 온도점(융해가 일어나는 포인트)을 갖는다.

나은 건조를 위해

• 건조를 위해 선반/샘플의 온도를 적당량 올려주거나
• 열유동 흐름을 만들기 위해 --> 열전달을 위해 완벽한 진공이 아닌 dry한 공기 또는 질소를 chamber속으로 주입하거나 비교적 고압(0.5mbar)으로 올려 열전달을 시켜 (승화)건조를 시켜준다.
• 하지만 용융이 일어난다면 열전달은 용이할 수 있지만, 구조의 망가짐 부품/쪼그라듦이 일어날 것이다 (액체 상태의 건조로 인해)

Radiation 영향을 줄이기 위해 product를 넣은 flask를 Al 호일로 감싸서 FD 한다

물질온도 1도 상승 마다 건조시간 13% 감소

동결건조를 위한 압력조건은 0.05 ~ 0.3 Torr // 0.1 ~ 0.2 Torr가 이상적인 압력조건

승화를 빨리 시키기 위한 압력 조건(열전달을 잘 해주기 위해)은 이보다 높아 = 0.375 Torr

 

 

secondary-drying

 

• 시스템은 상온 보다 고온
• 동결건조 프로토콜 중 가장 최저압
• Primary drying(12h~)의 1/3 or 1/2의 시간 필요
•  Glassy물질 속의 물, 세포 내부의 물, 흡수된 물 등의 잔존 수분을 제거한다.
• 대부분의 동결건조된 물질들은 흡습성이 있기에 용기를 봉인해서 보관하거나 질소가스를 주입시켜 보관한다.

 

마치며, 참고할 만한 표/그래프

 

https://www.spscientific.com/freeze-drying-lyophilization-basics/

2022.01.30 - [정리, 공부/기계공학 & 시스템설계] - 바이알 냉각시스템(-40도) - 진공, 칠러, 워터블럭, 팰티어, 아두이노

바이알 냉각시스템(-40도) - 진공, 칠러, 워터블럭, 팰티어, 아두이노

이전에 동결건조 하겠다고 만들어둔 시스템이 얼마나 잘못됬음을 알 수 있었다아... :(

샘플을 계속 얼려주며 진공을 잡으니 건조는 되지 않고,,

그래서 오히려 온도를 잡아주지 않은 채로, 상온에 두툼한 핑크보드 속에 두었을 때가 제대로된 다공성구조를 보였다.