분무건조(Spray Drying)란? 액체를 분말로 만드는 4단계 공정과 노즐 선택 가이드

Q. 분무건조(Spray Drying)란 무엇인가요?
분무건조는 액체 상태의 슬러리·용액을 미세한 액적으로 분무한 뒤 고온의 건조 매체와 접촉시켜 수분을 순간적으로 증발시키고, 그 결과 생성된 분말을 회수하는 공정입니다. 건조 온도는 130~200℃로 비교적 높지만, 원료와 열의 접촉 시간이 수초 이내이기 때문에 열에 의한 성분 변화가 작다는 것이 핵심 특징입니다.

액상 원료를 분말화하는 방법에는 열풍건조법, 분무건조법, 동결건조법, 가열건조법 등이 있는데, 이 중 분무건조는 미립화부터 분말화까지 하나의 공정으로 연속 운전이 가능해 분말의 물성을 일정하게 유지할 수 있다는 장점이 있습니다. 또한 수분 함량 5% 미만의 분말 생산이 가능해 제품의 저장 안정성을 높일 수 있습니다.

분무건조 4단계 공정

① 분무화(Atomization)
액체를 미세한 액적으로 전환하는 첫 단계로, 이때 형성되는 액적 크기가 최종 입자 크기·건조 시간·제품 균일성을 결정합니다. 노즐 선택은 전체 공정 설계에서 가장 중요한 변수 중 하나입니다.

일반적으로 점도가 높을수록 큰 입자를 생성하는 노즐을, 표면장력이 높을수록 작은 입자를 생성하는 노즐을 선택합니다. SCHEDIO(스케디오)의 이중유체 노즐은 헤드 교체 없이 병류(co-current)와 역류(counter-current) 운전 방식을 전환할 수 있고, 요청 시 자켓 냉각·가열 및 전기 가열식 노즐도 제공됩니다.

회전식 분무기는 고속 회전하는 스핀들의 여러 오리피스에서 원심력으로 액체를 분사하는 방식으로, 이중유체 노즐 대비 좁은 입도 분포와 우수한 유동성을 가진 분말을 생산할 수 있습니다. 마모가 가장 심한 부품인 휠(wheel)은 원료 특성에 따라 슈퍼듀플렉스강 2507, 하스텔로이 C276/C2000, 인코넬, 티타늄 등에서 선택할 수 있으며, 비마모성 제품에는 커브베인 휠을, 마모성 제품에는 인서트형 휠을 적용합니다.

② 고온 가스와의 접촉
분무된 액적은 챔버 내에서 병류 또는 역류 방식으로 고온의 건조 가스와 접촉합니다. 챔버 내 가스 흐름의 균일성은 제품의 벽면 부착과 체류 시간을 좌우하는 요소입니다.

③ 용매 증발과 입자 형태 제어
액적은 표면적이 넓어 건조가 거의 즉각적으로 진행됩니다. 이때 핵심 개념이 습구 온도인데, 액적 온도가 주변 공기 온도보다 낮게 유지된 채로 증발이 일어나기 때문에 건조 매체가 130~200℃여도 원료 자체는 훨씬 낮은 온도를 유지할 수 있습니다.

분무건조의 강점은 공정 조건만으로 입자의 형태·물성을 의도적으로 설계할 수 있다는 점입니다. 생산 가능한 입자 형태는 구형, 조밀형, 중공형, 다공성, 주름형, 붕괴형 등이며, 건조 조건에 따라 크게 두 가지로 나뉩니다.

• Case I (느린 건조 속도·저온, 높은 용해도, 낮은 점도): 용질 이동성이 높아 구형·치밀한 입자 형성

• Case II (빠른 건조 속도·고온, 낮은 용해도, 높은 점도): 표면에 크러스트가 먼저 형성되어 주름지거나 속이 빈 중공형 입자 형성

④ 제품과 건조 매체의 분리
건조된 분말을 회수하는 가장 효율적인 방식은 사이클론 집진기이며, 미세 분말을 추가 포집하기 위해 사이클론 뒤에 백필터를 배치하는 경우도 많습니다.

분무건조가 쓰이는 산업

• 제약: 용해도 향상·맛 차폐·서방형 방출 제어·비정질 고체분산체(ASD) 형성 등 개선된 중간체 생산, 슬러리로부터의 API 분리, 건조 분말 흡입제(DPI) 제조, 고독성 물질 취급

• 화학: 탄소나노섬유, 세라믹, 실리카, 리튬배터리용 전극 소재

• 식품: 건강기능식품, 유아용 분유, 향료·오일 캡슐화, 추출물 건조, 조류 건조

• 이 외 사료, 3D 프린팅용 분말, 농업용 소재 등 분말 생산이 이루어지는 거의 모든 산업

다른 건조 방식과 비교했을 때 분무건조의 핵심 특성은 연속 공정, 높은 처리량, 좁은 입자 크기 분포 세 가지로 요약됩니다.

SCHEDIO / APTSol 분무건조기: 랩 스케일부터 상업 생산까지

씨엔지유니티(C&G Unity)는 SCHEDIO(스위스)의 한국 공식 파트너로서 APTSol 분무건조기를 공급하고 있습니다. APTSol은 소형 산업 스케일 설계를 통해 공정 개발 단계부터 상업 생산 스케일업까지 연속성을 확보할 수 있도록 설계된 장비입니다.

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 모니터링으로 지속적인 공정 추적·최적화 지원

• 다중 사용자 레벨 설정, 고객사 SCADA 시스템과의 중앙 로그인 연동 옵션

• CFR 21 Part 11 기준에 부합하는 감사 추적(Audit Trail) 및 자동 배치 리포트 생성, OneDrive 업로드 또는 SCADA 연동

• 상위 권한 사용자의 무제한 공정 레시피 업로드·관리

• APT부터 APT 30까지 모델 라인업으로 R&D 단계에서 양산 단계까지 전환 가능

• 타사 장비에서의 공정 이전·스케일업 전문 기술 지원

용매 회수 및 컨테인먼트
용매 회수를 통한 운영비(Opex) 절감이 가능하며, 최대 1 ng/m³ 수준까지 대응 가능한 컨테인먼트 시스템으로 고독성 화합물을 안전하게 취급·처리할 수 있습니다. 무균 격리기(isolator) 또는 Grade B·C 클린룸 설치가 모두 가능하며, 제품 접촉부는 SIP(Steam-in-Place), 비접촉부는 VHP(Vaporized Hydrogen Peroxide) 방식으로 멸균합니다.

APTSol 모델별 사양

자주 묻는 질문

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.

문의
씨엔지유니티(C&G Unity)는 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.
(cngunity.com / info@cngunity.com / 02-407-3711)