동결 건조

Freeze-drying

동결 건조 커피나 과일 조각은 어떻게 얼린 채로 물만 쏙 빼낼까요?

무슨 일이 일어났나

동결 건조는 물건을 먼저 얼린 뒤 물을 빼는 방법으로, 얼린 것을 진공에 두면 얼음이 액체를 거치지 않고 바로 수증기가 됩니다(미국 FDA).

물의 삼중점(273.16 K)에서 포화 증기압은 611.65 Pa 이라(NIST), 압력을 그보다 낮추면 물이 액체로 있을 수 없어 시뮬레이터가 «얼음이 바로 수증기로(승화)» 를 보입니다.

시뮬레이터에서 100 Pa 이면 얼음의 승화점이 −20.33 °C, 3 Pa 면 −52.18 °C 이므로, 얼어 있는 재료가 이보다 따뜻하기만 하면 얼음이 녹지 않고 곧장 수증기로 날아갑니다.

FDA 는 이 과정을 얼리기 · 1 차 건조(승화) · 2 차 건조(탈착)의 세 단계로 나누고, 진공 보조 송풍기가 건조실 압력을 20 micron(약 2.7 Pa) 밑으로 낮춘다고 설명합니다.

📸 진짜 모습

국제 우주 정거장의 동결 건조 실험 병들 — 무게를 거의 느끼지 않는 곳에서 동결 건조한 물질이 어떻게 되는지 살핍니다. — 국제 우주 정거장의 동결 건조 실험 병들 — 무게를 거의 느끼지 않는 곳에서 동결 건조한 물질이 어떻게 되는지 살핍니다.
출처: NASA/JSC · 퍼블릭 도메인 · NASA 그림 창고 원본 ↗

💡 생활 속 예시

뜨거운 물을 부으면 곧바로 녹는 동결 건조 커피 알갱이는, 얼음이 빠져나간 자리가 작은 구멍으로 남아 물이 쉽게 스며듭니다.
가볍고 바삭한 동결 건조 딸기는 모양은 그대로인데 무게가 크게 줄어, 속의 물이 거의 다 빠져나갔음을 알 수 있습니다.

어떤 부품이 무엇을 하나

냉동 선반 — 재료를 먼저 꽁꽁 얼려 속의 물을 얼음으로 바꿉니다.
건조실(진공 통) — 재료를 담고 공기를 빼 압력을 물의 삼중점 압력보다 낮춥니다.
진공 펌프 · 보조 송풍기 — 건조실 압력을 낮게 지킵니다 — FDA 는 20 micron 밑까지 낮춘다고 적습니다.
응축기(얼음 덫) — 아주 차갑게 식힌 판으로, 날아온 수증기를 다시 얼음으로 붙잡아 펌프로 들어가지 않게 합니다.
가열 선반 — 승화로 식는 재료에 열을 조금씩 넣어 얼음이 계속 날아가게 합니다.

재료를 얼려 속의 물을 얼음으로 만듭니다(얼리기).
건조실 공기를 빼 압력을 611 Pa 보다 훨씬 낮게 내립니다.
선반으로 열을 조금 넣으면 얼음이 녹지 않고 바로 수증기로 날아갑니다(1 차 건조 · 승화).
날아간 수증기는 차가운 응축기에 다시 얼음으로 붙잡힙니다.
마지막으로 재료 겉에 붙어 남은 물 분자를 떼어 냅니다(2 차 건조 · 탈착).

확인된 값

동결 건조: 물건을 먼저 얼린 뒤 물을 빼는 방법 (미국 FDA 점검 안내): remove water after freezing 출처
얼린 것을 진공에 두면 얼음이 액체를 거치지 않고 바로 수증기가 된다: vacuum: solid → vapor directly 출처
세 단계: 얼리기 · 1 차 건조(승화) · 2 차 건조(탈착): 3 단계 출처
진공 보조 송풍기는 건조실 압력을 20 micron(수은주 — 약 2.7 Pa) 밑으로 낮춘다 (FDA 용어 풀이): 2.7 Pa 출처
273.16 K(0.01 °C — 물의 삼중점 온도)에서 물의 포화 증기압 (NIST 표 첫 줄): 611.65 Pa 출처
에드워즈 고진공 회사의 동결 건조기 10P — 1950 년 무렵 (Science Museum 1991-352): 1950 출처
승화: 고체와 기체 사이를 바로 오가는 상태 변화 (USGS): solid ↔ gas 출처

교육과정에서는

한국 2022 · 과학(중학교) · 물질의 상태 변화 [9과04-03]
잉글랜드 · KS4 Physics: The structure of matter

출처

이어서 보기

같은 단원 · 상태 변화

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