[스크랩] 동결건조기 운전(1)

동결건조기 운전(1)

원물가공이 완료된다는 것은 tray에 담아 대차(car)에 꼽는 것까지 이다.

이것은 바로 동결 실에 rail을 태워 보내게 되는데 어쩌면 지금부터가 건조공정에 들어간다고도 할 수 있다.

 

첫째, 동결건조의 급속냉동이 중요하다고 강조하지만 그 이유는?

좀 복잡 하지만,

이 수분은 얼음승화(이때 내부 공극과 통로가 만들어 짐) 건조 부분과 기벽형태의 고형 분의 탈습건조(얼음형성이 안된 고형분 내 습기) 부분으로 나누어 보면.

1차 건조 … 승화부분(순수라 가정)

2차 건조 … 기벽물질 및 고형 분(65% 정도라 함)의 탈습건조

위 1, 2차 건조라고도 할 수 있음.

기벽물질 수분(얼지 않는 비동결수) : 0.35/0.65 = 0.538kg water / kg solids

 

예) 건조 전 고형 분 25% → 건조 후 고형 분 97.5% 일 때,

- 건조 제품 수분 : 0.025/0.975 =0.0256 kg water/kg solids

- 건조 전 수분 : 0.75/0.25 = 3kg water /kg solids

그러므로,

수분 승화는 : (3 - 0.538) / 3 = 0.8206 즉, 82.1 % 이고,

탈습건조 는 : (0.538 - 0.0256) / 3 = 0.1708 즉, 17.1 % 가 되며,

제품 잔류 분: 0.0256 / 3 = 0.00853 즉, 0.85%이다.

 

탈습구간(2차 건조)의 수분 량은 적어도 건조시간은 길어지므로(표피가 두꺼운 채소류는 건조 억제로 더 길어 짐) 동결이 충분히 되어 승화부분이 커져야 복원(Instable products) 품질도 우수하게 된다.

완만 동결은 승화 내부 공극 가지가 굵어져 탈습건조 시간이 더 걸릴 수 있다.

 

예) 건조 전 고형 분 10% → 건조 후 고형 분 95% 일 때,

- 건조 제품 수분 : 0.05/ 0.95 = 0.526 kg water/kg solids

- 건조 전 수분 : 0.9/0.1 = 9 kg water /kg solids

- 수분 승화 % : (9 - 0.538) / 9 = 0.94 → 94%

- 탈습건조 % : (0.538-0.526)/9 = 0.0013 → 0.13%

- 제품잔류수분% : 0.526 / 9 = 0.0584 → 5.84%

원물 수분 량 이 많을수록 승화 비율이 커지고, 탈습건조 비율은 반대로 적어진다.

또 건조 후 제품 고형 분 비율 중량비가 커지면 잔류수분은 적어지는 것이 당연하다. 이 잔류수분 비율이 ‘유통기간 설정’에 직접적으로 영향을 준다.

결국은 급속 동결이 영양소, 향 등 고정 및 건조제품 품질까지도 중요함을 알려준다.

또 탈습건조수분(비동결수)이 많은 것은 제품에 잔류 수분도 많게 된다.

 

둘째, 열판(Heat plate)에 동결 체(피건조물)가 건조되는 현상입니다.

건조 관(chamber) 내 진공(vacuum) 속 평평한 열판 위에서 동결된 원료에 열(승화 열) kcal/kg 을 加하면 얼음이 증발한다.

이때, 열전달은 대부분 복사(radiation)이며 전도는 10% 정도다. 건조물이 열판에 직접 닿을 수 가 없다. (열판에 1-5m/m tray가 떨어져)

일부 닿아있다 해도 건조가 진행되면 건조된 층이 진공이므로 열전도가 거의 되지 않는다.

건조 중 물품의 중심온도는 -24℃부터 서서히 온도가 올라가서 x℃가 되면 승화작용은 다 끝나고 탈습건조 진행 중으로 볼 수 있다.

(건조 후 이 중심온도가 표면온도에 근접하면 건조가 종료된 상태다.)

항율 건조 와 감율 건조의 한계점은 원료의 수분 량, 성상에 따라 다르지만, 건조시간 공정의 70%를 넘으면 감율 건조의 시작(의미는 없지만)이며 비 동결 수량이 많으면 이시간은 길어진다.

건조 중 건조물의 표면(경계면)을 자세히 본다면 동결된 얼음 층(건조 시 수증기 통로)과 고형물의 비동결수와 함께 기벽물질로 이루어졌는데 이것이 녹아(붕괴-collapse) 통로를 막으면 수증기 배출을 저하케 한다.

※ 이 부분 상세는 동결건조기 운전(2)에 있음.

경계면에서 수증기 배출을 막으면 그 부분 수증기압력 증가로 승화조건을 증발형태의 상변화가 일어난다.

이것을 동결건조가 아니고 진공건조라고 하며 건조물이 굳어있다.

건조 경계면 온도와 상응하는 진공도의 유지가 그래서 중요합니다.

만일, 물품온도 sensor를 경계면이 아닌 건조물 내부온도로 보며 열을 加(열매체 온도 상승)한다면 이런 현상일 것이다. 진공도가 정상(1torr 밑으로)이라고 해도.

 

이 상황의 운전은 적정한 진공도 유지와 열판의 온도(열매체 또는 열전달 물질의 온도)로 판단하지만, 현장건조는 건조 초기와 시간이 경과함에 따라 또 건조물의 수분 량(수율), 성상, 팬입(tray, pan 入) 상태 등에 따라 다르고 당해 장비(동결건조기)의 성능(Cold trap 표면온도 및 면적)을 고려하여 설정(Programing)이 최적 건조 조건을 정한다.

 

1)물품의 경계면 온도 2)열매체 온도 3)cold trap온도 4)진공도 설정 등 이다.

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출처 : 동결건조

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