유동층 과립화 공정 분석
유동층 과립화 (Fluidized Bed Granulation FBG) 공정 분석
앞에서 언급했던 유동층 과립화 공정이 현재 제약 식품을 포함해 많은 산업 부분에 사용되고 있음에도 불구하고 현재 나와 있는 유동화 이론과 과립에 대한 이론들이 모든 분말 입자와 유체의 고유 특성을 반영하지 못하고 있고 특히 본 연구에서 다루려고 하는 식품 분말의 경우 기존 이론에서 벗어나는 경향이 더욱 강하기 때문에 이는 실험적인 결과에 오 차로 작용하게 되고 이러한 오차는 시간 비용과 같은 산업적인 손실로 이어지기 때문에 공정 진행 전에 미리 공정을 예측하여 손실을 줄이는 것이 필요하지만 산업에서 사용되는 식품 분말들이 나노 단위 마이크로 단위 이하의 크기를 가지는 입자들이며 이렇게 작은 입자는 입자 간 작용이 복잡하고 입자의 거동을 쉽게 예측하기 더욱 어렵기에 따라서 아직도 과립기의 종류를 선택할 때나 과립 원료로 사용하는 분말 공정 조건의 선택에 있어서 실험적인 결과만이 선택 지표로 사용되는 어려움이 있고 이런 문제를 해결하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 공정 모사를 통해 결과를 예측하는 연구가 계속 진행되고 있으며 특히 유동층 과립화 공정은 분말과 물방울이 함께 유동하는 거시적 현상(macro scale) 뿐 아니라 입자와 물방울 입자와 입자끼리 충돌하며 젖거나 응집하여 과립이 형성되는 미시적 현상(micro scale)이 함께 발생하여 다중 스케일 (multiscale)이 복합적으로 해석되어야 하며 즉 거시적인 실험 혹은 단순 유동 해석을 통해 거시적 현상을 이해할 수 있고 입자 충돌 및 과립 성장 등과 같은 미시적 현상은 입자의 미시적 거동을 모델링하여 이해할 수 있습니다.
입자의 응집 (Granulation)
앞서 논의했던 대로 유동층 과립화 공정을 시뮬레이션으로 분석 예측 하려면 거시적인 현상과 더불어 미시적인 현상을 함께 고려해야만 하며 FBG 공정을 수행할 때 거시적으로 해석되어야 하는 변수들에는 하부 기체 주입 온도 주입 기체의 유량 액체 결합제의 분무 속도 분무 압력 분무 노즐의 위치 등의 주요 매개 변수가 있고 이런 변수들은 생성되는 과립의 모양 크기 안식각 공극률과 같은 과립 특성에 직접적인 영향을 미치기 때문에 반드시 고려되어야 하며 하지만 이런 거시적인 매개변수와 과립의 특성 사이의 관계식이 명확히 성립되어 있지 않고 설비의 위치나 공정 operator 과립기의 종류에 따라 변수들이 과립에 미치는 영향이 달라지게 때문에 일관성 있게 관계식을 확립할 수 없으므로 따라서 이런 거시적인 현상을 해석하려면 매개변수들의 상대적 비교를 통해 표면적으로 해석해야 하는 어려움이 있고 따라서 본 연구에서는 분말의 응집 과정의 미시적 현상에 대해 더욱 집중하여 연구하였고 현재까지 많은 시뮬레이션에 이용되고 있는 마이크로 단위 수준의 미시적인 응집 과정에 대한 고전적인 모델 기준은 Ennis에 의해 제안된 스톡스 수이며 스톡스 수는 충돌하는 두 입자의 충돌 운동 에너지와 결합액에 의한 입자 표면의 점성 소산의 비율을 나타내고 운동 에너지가 점성 소산을 초과하면 입자가 응집되고 운동 에너지가 충분하지 않으면 응집되지 않기에 따라서 스톡스 수가 크면 두 입자가 충돌하였을 때 튕겨나가 응집되지 않고 스톡스 수가 적으면 두 입자가 응집한다는 이론이며 그러나 모델링이나 시뮬레이션 연구에서 스톡스 수를 사용하려면 입자의 표면 거칠기 및 복원 계수와 같은 매개 변수들이 필요한데 이러한 변수들은 실험적으로 측정하기가 매우 어려운 변수들이며 입자 응집 모델링 연구의 기준으로 임계 스톡스 수를 채택하는 연구가 있어 왔지만 실험적으로 측정을 할 수 없는 매개 변수들의 어림값이 사용되어야만 하기 때문에 스톡스 수를 입자 응집 모델링 연구의 기준으로 사용할 수 있을지에 대한 효율성이 의심스럽다.
스톡스 수의 물의 다리 형성
스톡스 수는 완전히 젖은 습윤 입자의 응집 거동을 고려하지 못하며 완전히 습윤된 입자는 입자에서 물의 분율이 높 기 때문에 물의 다리(water bridge) 형성을 통해서가 아니라 입자를 둘러싸고 있는 물 층(water layer)을 통해 다른 입자와 함께 응집 엄밀히 말해서 둘러싸이게 되고 이러한 경우의 입자는 충돌 운동 에너지의 크기 및 입자의 표면 점도에 관계없이 응집체를 형성할 수 있고 따라서 스톡스 수는 완전히 젖어 액상 상태로 응집하는 입자에는 적용할 수 없고 스톡스 수가 가진 입자의 응집 이론에 대한 명확한 한계를 극복할 수 있는 다른 접근법은 분말의 유동학적 특성(Rheological properties)을 통한 접근 방식이며 스톡스 수는 표면 충돌 현상에 초점을 맞추지만 이 접근법은 주로 입자의 고유 한 특성에 초점을 맞추며 이러한 접근법은 현재 여러 식품 가공 분야의 연구 문헌에서 사용되고 있으며 응집 이론을 분말의 유동학적 특성에 초점을 맞추는 이러한 접근은 분말의 유리전이온도를 응집을 유발하는 요인으로 판단하며 유리 전이 온도 (Glass transition temperature)란 온도가 상승함에 따라 물질의 분자들이 활성을 가지며 움직이기 시작하는 시점의 온도를 말하며 급격히 건조된 무정형의 분말은 유리 전이 온도를 가지고 분말의 유리 전이 온도 이상의 온도에서 입자는 표면 점도가 감소하고 끈적거리게 되며 응집을 유발하게 되고 이러한 입자의 유리 전이 온도는 입자의 수분율이 높아질수록 감소하는 경향을 보이며 수분 함량이 높은 분말은 비교적 낮은 온도에서 부드러운 고무상에 도달하게 됩니다.
참고문헌 : 식품 분말의 유동층 과립화에 대한 CFD-DEM 시뮬레이션 (김주은 2019)