동결건조 품질 및 결과물

동결건조 시에 얼음의 형상이 영향을 많이 주는 것 같은데, 얼음이 얼 때 영향을 주는 요인이 무엇이 있을까?

 

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동결건조(freeze-drying) 과정에서 얼음의 형상은 최종 제품의 품질에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 얼음의 형상에 영향을 미치는 주요 요인들은 다음과 같습니다:

 

https://link.springer.com/article/10.1007/s11095-023-03607-9

1. 냉각 속도 (Cooling Rate)

• 빠른 냉각: 빠른 냉각 속도는 작은 얼음 결정이 형성되도록 하여, 건조 후에도 미세하고 균일한 구조를 유지할 수 있게 합니다. 이는 제품의 표면적을 증가시켜 건조 속도를 높입니다.
• 느린 냉각: 느린 냉각 속도는 큰 얼음 결정이 형성되도록 하여, 건조 후에는 더 큰 기공 구조를 가지게 됩니다. 이는 물질의 투과성을 증가시킬 수 있지만, 균일하지 않을 수 있습니다​

2. 용액의 성분 (Solution Composition)

• 용질 농도: 용액에 용질이 많이 포함되어 있으면, 얼음이 형성될 때 용질이 농축되어 얼음 결정 사이에 축적될 수 있습니다. 이는 얼음 결정의 크기와 모양에 영향을 미칩니다.
• 첨가제: 특정 첨가제는 얼음 결정의 형성을 조절하여 원하는 형상을 얻을 수 있도록 도와줍니다​

 

3. 결정화 방법 (Crystallization Method)

• 자유 결정화: 자연적으로 얼음이 형성되도록 하면, 불규칙한 형태의 얼음 결정이 생깁니다.
• 유도 결정화: 초냉각 상태에서 외부 충격을 가해 결정화를 유도하면, 보다 균일한 결정 형상을 얻을 수 있습니다

 

4. 온도와 압력 (Temperature and Pressure)

• 온도: 동결 온도는 얼음 결정의 형성에 직접적인 영향을 미칩니다. 매우 낮은 온도에서 얼음 결정이 천천히 자라게 하여 보다 균일한 형태를 형성할 수 있습니다.
• 압력: 압력은 물의 상태 변화를 조절하며, 특히 진공 상태에서의 압력 변화는 얼음의 승화 과정을 조절합니다​ 

 

5. 용매의 종류 (Type of Solvent)

• 물 외에 다른 용매를 사용하는 경우, 각 용매의 특성에 따라 얼음 결정의 형상이 달라질 수 있습니다. 예를 들어, 에탄올이나 메탄올과 같은 용매는 다른 형태의 얼음 결정을 형성합니다

 

6. 시작 용액의 상태 (Initial Solution State)

• 용액의 점도, 밀도 및 표면 장력 등은 얼음 결정 형성에 영향을 미칠 수 있습니다. 고점도 용액은 일반적으로 큰 얼음 결정을 형성하기 어렵습니다​ 

 

7. 초냉각 (Supercooling)

• 물이 초냉각 상태로 존재하는 시간과 조건은 얼음 결정의 초기 형성에 큰 영향을 미칩니다. 초냉각 상태에서 물은 외부 충격 없이 안정한 상태로 유지되다가, 결정화가 시작되면 급격히 얼어붙습니다​

 

참고 문헌

• Franks, F. (1982). Freeze-Drying: Lyophilization of Pharmaceutical and Biological Products. CRC Press.
• Kuu, W. Y., & Otten, L. (1981). Freeze-drying of Pharmaceuticals and Biopharmaceuticals. In Developments in Pharmaceutical and Biopharmaceutical Formulations.

이러한 요인들을 조절하여 동결건조 과정에서 원하는 형태의 얼음 결정을 형성함으로써 최종 제품의 품질과 특성을 최적화할 수 있습니다.

 

 

 

주요 장비 및 사양

1. 동결건조기 (Freeze Dryer):
   • 기본 구성: 진공 펌프, 냉각 시스템, 승화 및 응축 시스템.
2. 진공 펌프 (Vacuum Pump):
   • 요구 사양: 고효율, 저소음, 적절한 진공 압력 유지 (약 0.1 mbar 이하).
   • 유형: 로터리 베인 펌프, 터보 분자 펌프.
3. 냉각기 (Chiller):
   • 목적: 용매 회수를 위한 냉각.
   • 요구 사양: 저온 유지 (일반적으로 -40°C 이하), 충분한 냉각 능력 (냉각수 순환 시스템 포함).
4. 압력 게이지 및 제어 시스템 (Pressure Gauges and Control System):
   • 정확한 압력 모니터링과 제어.
   • 필요 시 자동 제어 기능을 포함.
5. 열전도성 검출기 (Thermocouples):
   • 정확한 온도 측정을 위한 고정밀 장치.
   • 다중 채널 지원으로 여러 지점의 온도 모니터링 가능.
6. 샘플 준비 장비:
   • 균일한 샘플 분배를 위한 스프레이 드라이어 또는 동결기.
   • 균일한 분산을 위한 초음파 세척기.
7. 용매 회수 시스템 (Solvent Recovery System):
   • 용매 증기를 효과적으로 응축 및 회수.
   • 냉각 트랩 및 응축기 포함.
8. 안전 장비:
   • 화재 및 폭발 방지 장비.
   • 적절한 환기 시스템.