커피믹스의 분말이 물에 잘 녹는 이유, 의약품 캡슐 속 성분이 체내에서 균일하게 흡수되는 이유 그 배경에는 분무건조(Spray Drying) 기술이 있습니다.
분무건조는 액체(슬러리·용액)를 분말로 변환하는 가장 빠르고 경제적인 방법 중 하나로, 제약·식품·배터리 소재·화장품 등 거의 모든 산업의 분말 생산 공정에서 활용되고 있습니다. 이 글에서는 분무건조의 기본 원리부터 공정을 구성하는 4단계, 그리고 장비를 선택할 때 고려해야 할 핵심 변수까지 차례로 살펴보겠습니다.
분무건조란
분무건조란 액체 상태의 물질을 미세하게 분무한 뒤 고온의 건조 매체와 접촉시켜 수분을 증발시키고, 그 결과 생성된 분말을 모으는 일련의 공정을 말합니다. 분무건조기 내부로 분사된 액적(droplet)은 미립화되며 큰 표면적을 갖게 되어 매우 빠른 속도로 수분이 증발합니다.
액상 식품을 분말화하는 방법에는 열풍건조법, 분무건조법, 동결건조법, 가열건조법 등이 있습니다. 건조 온도가 130~200℃ 범위로 비교적 높은데도 불구하고 원료와 열의 접촉 시간이 수초 이내이기 때문에 열에 의한 성분 변화가 작다는 것이 특징입니다. 다른 건조 방식에 비해 용해성·유동성이 좋은 구형 분말 제품을 만들 수 있고, 미립화부터 분말화까지 하나의 공정으로 연속 운전이 가능해 분말의 물성을 일정하게 유지할 수 있다는 장점도 있습니다.
산업별 활용 사례
제약 분야
• 성능이 개선된 중간체 생산: 용해도 향상, 맛 차폐(마스킹), 방출 제어(서방형 등), 비정질 고체분산체(ASD) 형성
• 슬러리로부터의 API(원료의약품) 분리
• 건조 분말 흡입제(DPI) 제조
• 위생적인 조건에서의 제품 처리, 유해·고독성 물질 취급, 기능적 특성 보존에 유리
화학 분야
· 탄소나노섬유
· 세라믹
· 실리카
· 리튬배터리용 전극 소재
식품 분야
· 건강기능식품
· 유아용 분유
· 향료 캡슐화
· 오일 캡슐화
· 추출물 건조
· 조류 건조
이 외에도 사료, 3D 프린팅용 분말, 농업용 소재 등 분말 생산이 이루어지는 거의 모든 분야에서 분무건조가 활용됩니다.
다른 건조 방식과 비교했을 때 분무건조의 핵심 특성은 연속 공정, 높은 처리량, 좁은 입자 크기 분포로 요약할 수 있습니다. 또한 수분 함량 5% 미만의 분말 생산이 가능해 제품의 저장 안정성을 높일 수 있습니다.
분무건조 4단계 공정
그렇다면 분무건조는 어떤 과정으로 진행될까요?
① 분무화(Atomization)
액체를 미세한 액적으로 전환하는 첫 단계로, 이때 형성되는 액적의 크기가 최종 입자 크기, 건조 시간, 제품 균일성을 좌우합니다. 노즐(분무 방식)의 선택이 전체 공정 설계에서 가장 중요한 결정 중 하나입니다.
노즐 3종 비교
| 노즐 종류 | 적용 규모 | 작동 원리 | 생산 입자 크기 | 주요 고려 변수 |
| 이중유체 노즐 | 실험실~산업 | 기체 압력으로 액체 분무 | 약 3~80µm | 점도, 공급 속도 |
| 압력 노즐 | 주로 산업용 | 고압으로 액체 자체를 분무 | 약 20~200µm | 고형분 함량, 입자 균일성 |
| 회전식 분무기 | 주로 산업용 | 원심력 이용 | 약 20~300µm | 대용량 처리, 넓은 점도 범위 |
점도가 높을수록 큰 노즐을, 표면장력이 높을수록 작은 노즐을 사용한다는 것입니다. 씨엔지유니티에서는 SCHEDIO사와의 협력을 바탕으로 고객사에게 적합한 노즐 선택을 추천드립니다.
SCHEDIO의 이중유체 노즐은 헤드 교체 없이 병류(co-current)와 역류(counter-current) 운전 방식을 간단한 조작만으로 전환할 수 있도록 설계되어 있습니다. 요청 시 노즐에 자켓을 장착해 냉각 또는 가열할 수 있으며, 전기 가열식 노즐도 제공됩니다.
회전식 분무기(rotary atomizer)는 고속으로 회전하는 스핀들의 여러 오리피스에서 원심력으로 액체를 분사하는 방식입니다. 이중유체 노즐 대비 좁은 입도 분포와 우수한 유동성을 가진 분말을 생산할 수 있다는 장점이 있습니다.
가장 마모가 심한 부품인 휠(wheel)은 고온의 공정 가스와 마모성·부식성 원료에 지속적으로 노출되기 때문에, 원료 특성에 따라 슈퍼듀플렉스강 2507, 하스텔로이 C276/C2000, 인코넬, 티타늄 등 다양한 소재 중에서 선택할 수 있습니다. 비마모성 제품의 벌크 밀도를 높이고자 할 때는 커브베인 휠을, 마모성 제품을 다룰 때는 마모를 방지하는 인서트형 휠을 적용합니다.
② 고온 가스와의 접촉
분무된 액적은 챔버 내에서 병류(co-current), 역류(counter-current) 방식으로 고온의 건조 가스와 접촉합니다. 챔버 내 균일한 가스 흐름은 제품의 벽면 부착과 체류 시간을 결정하는 요소입니다.
③ 용매 증발
액적은 표면적이 넓기 때문에 건조가 거의 즉각적으로 진행됩니다. 이때 핵심이 되는 개념이 습구 온도로, 액적의 온도가 주변 공기 온도보다 낮게 유지되면서 증발이 일어나는 원리입니다. 이 때문에 건조 매체 온도가 130~200℃에 달해도 원료 자체는 그보다 훨씬 낮은 온도를 유지할 수 있습니다.
분무건조의 가장 큰 강점 중 하나는 공정 조건을 통해 입자의 형태와 물성을 의도적으로 설계할 수 있다는 점입니다. 생산 가능한 입자 형태로는 구형, 조밀형, 중공형, 다공성, 주름형, 붕괴형 등이 있으며, 입자 크기 분포, 수분 함량과 같은 특성을 공정 변수로 제어할 수 있습니다.
건조 조건에 따라 입자의 형태는 크게 두 가지 양상으로 나뉩니다.
• Case I (느린 건조 속도·저온, 높은 용해도, 낮은 점도): 용질의 이동성이 높아 구형이고 치밀한 입자가 형성됩니다.
• Case II (빠른 건조 속도·고온, 낮은 용해도, 높은 점도): 입자 표면에 먼저 크러스트(껍질)가 형성되어 주름지거나 쭈그러든, 속이 빈(중공형) 입자가 형성됩니다.
④ 제품과 건조 매체의 분리
건조된 분말을 회수하는 가장 효율적인 방식은 사이클론 집진기입니다. 미세 분말을 추가로 포집하기 위해 사이클론 뒤에 백필터를 배치하는 경우도 많습니다.
SCHEDIO / APTSol 분무건조기 소개
씨엔지유니티가 한국 공식 파트너로 공급하는 SCHEDIO의 APTSol 분무건조기는 소형 산업 스케일 설계를 통해 공정 개발 단계부터 상업 생산 스케일업까지 연속성을 확보할 수 있도록 설계되었습니다.
공정 설계 특징
• 내장형 DoS(Design of Space) 시스템
• 공정 확장성(Process Scalability)
• 고독성 물질 대응 설계(High Potent Design)
• 무균 설계(Aseptic Design)
• 고도화된 공정 모니터링
소프트웨어 및 운영 기능
• 실시간 트렌드 모니터링: 모든 SCHEDIO 분무건조기에 적용되어 지속적인 공정 추적과 최적화를 지원
• 사용자 관리: 다중 사용자 레벨 설정 및 무제한 사용자 관리, 고객사 SCADA 시스템과의 중앙 로그인 연동 옵션 제공
• 자동 배치 리포트: CFR 21 Part 11 기준에 부합하는 소프트웨어로 감사 추적(Audit Trail) 및 자동 배치 리포트 생성 지원, OneDrive 업로드 또는 SCADA 연동 가능
• 레시피 관리: 상위 권한 사용자가 무제한 공정 레시피를 업로드·관리해 일관된 자동화 공정 운영 가능
• 확장성: APT부터 APT 30까지 모델 라인업을 통해 R&D 단계에서 양산 단계까지 손쉽게 전환
• 타사 장비 이전 지원: 다른 브랜드 장비에서의 공정 이전,스케일업을 위한 전문 기술 지원으로 리스크 최소화
용매 회수 및 컨테인먼트
• 용매 회수를 통한 운영비(Opex) 절감
• 최대 1 ng/m³ 수준까지 대응 가능한 컨테인먼트 시스템으로 고독성 화합물의 안전한 취급·처리 지원
• 고객 공정 요구사항에 맞춘 맞춤형 컨테인먼트 설계
무균 설계 및 멸균 방식
• 무균 격리기(isolator) 또는 Grade B·C 클린룸 내 설치가 모두 가능한 유연한 설치 옵션
• 제품 접촉부는 SIP(Steam-in-Place) 방식으로, 비접촉부는 VHP(Vaporized Hydrogen Peroxide) 방식으로 각각 멸균
| Technical Details | APT 2 | APT 5 | APT 5+ | APT 30 |
| Evaporation rate (kg/h) | 2 | 5 | 8 | 30 |
| Max inlet temperature (°C) | 220 | 300 | 300 | 300 |
| Heating capacity (kW) | 4 | 13 | 17.5 | 45 |
| Fan capacity max. (50 mbar) | 110 | 150 | 180 | 380 |
| Nozzle type | Two fluid | Two fluid / Rotary | Two fluid / Rotary | Two fluid / Rotary |
| Space requirements (L × W × H, cm) | 115 × 80 × 210 | 250 × 120 × 270 | 280 × 220 × 330 | 380 × 250 × 400 |
| Weight (kg) | 240 | 550 | 650 | 1100 |
| Spray congealing option | ○ | ○ | ○ | ○ |
| Spray congealing capacity (kg/h) | 2.5 | 9 | 16 | 50 |
마무리 Q&A
Q. 분무건조기는 어떤 산업에서 사용하나요? A. 제약(API 분리, DPI 흡입제, 고체분산체), 식품·뉴트라슈티컬(분유, 커피, 기능성 분말), 배터리(전극 소재 분말), 화장품 등 광범위한 산업에서 활용됩니다.
Q. 분무건조기로 만들 수 있는 입자 크기 범위는? A. 고분자 기반 미세캡슐화 기준 5~5,000µm 범위의 입자 생산이 가능하며, 노즐 종류·공급 속도·챔버 온도 조합으로 목표 입도를 설계합니다.
Q. 열에 민감한 원료도 분무건조가 가능한가요? A. 가능합니다. 병류(co-current) 방식에서는 액적 온도가 습구 온도(약 40~60°C 수준)에 근접하게 유지되므로 열 민감성 성분 처리에 적합합니다.
씨엔지유니티는 SCHEDIO/APTSol의 공식 한국 파트너로서 제약, 식품, 배터리 소재, 화학 등 다양한 산업의 분무건조 공정 도입을 지원합니다. 원료 특성에 맞는 노즐 선택부터 파일럿 테스트, 상업 생산 스케일업까지 전 과정에 대한 상담이 필요하시면 문의해 주시기 바랍니다.
의견을 남겨주세요