Die Zukunft der Gefriertrocknung
Die Gefriertrocknung (Lyophilisierung) wird seit Jahrzehnten industriell zur Konservierung von Lebensmitteln und biologischen Materialien eingesetzt, aber herkömmliche Gefriertrockner vom Schalentyp sind langsam und arbeitsintensiv. Ein neues "Active Freeze Drying"-Verfahren verspricht, diese Nachteile zu beseitigen.
Die Zukunft der Gefriertrocknung
Die Geschichte der Gefriertrocknung geht auf die alten Inka zurück, die Kartoffeln und anderes Gemüse konservierten, indem sie sie einfach der Luft aussetzten. Niedrige Wintertemperaturen verwandelten das Wasser in der Nahrung in Eis, das dann in der sehr trockenen Bergluft verdunstete. In den 1930er Jahren wurde die industrielle Gefriertrocknung entwickelt, um überschüssigen Kaffee in Ländern wie Brasilien zu erhalten. Nescafé und andere bekannte Markennamen wurden zu dieser Zeit gegründet, und Instant-Kaffee ist heute das bekannteste gefriergetrocknete Produkt. Während des Zweiten Weltkriegs wurde die Gefriertrocknung auch für medizinische Hilfsgüter wie Penicillin und Blutplasma verwendet. In den folgenden Jahrzehnten hat sich der Einsatz der Gefriertrocknung so stark ausgeweitet, dass die Technologie heute bei der Herstellung von rund 400 verschiedenen Lebensmitteln und vielen Pharmazeutika zum Einsatz kommt.
Probleme mit der traditionellen Methode
Seit den 1930er Jahren ist die industrielle Gefriertrocknung von einer einzigen Art von Ausrüstung abhängig: dem Gefriertrockner vom Typ Tablett. In einem Gefriertrockner wird das zu trocknende Material auf offene Schalen gelegt und in Regalen mit Kühl- und Heizungsanlagen unterstützt. Die Schalen sind in einer Kammer angeordnet, die mit einer Vakuumpumpe verbunden ist.
Zunächst wird das Material bei atmosphärischem Druck eingefroren, indem die Temperatur der Regale gesenkt wird. Die Trockenkammer wird dann auf einen Druck evakuiert, der typischerweise im Bereich von 0,01-1 mbar liegt. Sanfte Hitze, die auf die Regale aufgebracht wird, bewirkt, dass Eis im Produkt verdunstet, ohne die flüssige Phase zu durchlaufen (Sublimat). Das Tiefe Vakuum ermöglicht dies bei einer Temperatur von -20C oder sogar niedriger. Gegebenenfalls, z.B. bei Verwendung organischer Lösungsmittel, wird das Lösungsmittel über einen Niedertemperaturkondensator aus dem Vakuumpumpenauspuff zurückgewonnen.
Trotz des jahrzehntelangen erfolgreichen Betriebs haben Tray-Gefriertrockner drei erhebliche Nachteile. Erstens ist das Be- und Entladen arbeitsintensiv, zumal große Einheiten mehrere hundert Schalen enthalten können. Zweitens erfordert der gefriergetrocknete Kuchen, der aus den Schalen entfernt wird, oft schleifen, um ihn in ein frei fließendes körniges Produkt umzuwandeln. Drittens verhindert die Bildung einer "Haut" aus getrocknetem Produkt auf der Oberfläche der Schale den Durchgang von Dampf, wodurch diese Methode der Gefriertrocknung sehr langsam ist.
Halten Sie das Produkt in Bewegung
Hosokawa Micron B.V. hat ein schnelleres und weniger arbeitsintensives Gefriertrocknungsverfahren entwickelt, das frei fließende Pulver aus einem einzigen Prozessgefäß herstellen kann. Das neue Verfahren, das als Active Freeze Drying-Technologie bekannt ist, nutzt kontinuierliche Bewegung, um den Massentransfer zu verbessern und damit die Verarbeitungszeit zu verkürzen, während gleichzeitig die Notwendigkeit entfällt, Das Produkt auf und von Trocknungsschalen und nachgeschalteten Größenreduktionsgeräten zu übertragen.
Bei Active Freeze Drying wird das Produkt zunächst in einem speziell entwickelten Trockengefäß mit Rührungsmittel eingefroren. Ob das zu trocknende Material als Flüssigkeit, Granulat oder Paste beginnt, die erzwungene Bewegung im Inneren des Trockengefäßes sorgt dafür, dass es in Form von frei fließenden Festgranulaten gefriert. Die Größe und Form dieser Granulate kann durch Änderung der Geometrie der Trockenkammer und der Geschwindigkeit des Rührers angepasst werden.
Sobald das Produkt vollständig eingefroren ist, wird Vakuum aufgetragen und die Sublimation beginnt. Die auf die Gefäßjacke aufgebrachte Wärme wird dank der Bewegung des Rührwerkes effektiv durch das Produkt verteilt. Das anfangs grobe Granulat schrumpft allmählich, während die Eisstruktur, die das gefrorene Material verbindet, sich abhebt und ein loses Pulver aus trockenen Partikeln ergibt.
Wenn das Lösungsmittel verschwindet, beginnt die Produkttemperatur zu steigen, bis es schließlich der Manteltemperatur entspricht. Damit endet der Trocknungsprozess, an dem das gesamte Material in ein feines, frei fließendes Pulver umgewandelt wurde. Sobald das Vakuum gelöst ist, wird die Kammer geöffnet und das pulverisierte Produkt kann mit Hilfe des Rührers entladen werden.
Breite Anwendung
Die Hauptanwendungen der Active Freeze Drying sind in der pharmazeutischen Industrie, wie Antibiotika und Elektrolyten. Andere Produkte, die typischerweise durch Gefriertrocknung hergestellt werden, sind Proteine, Hormone, Viren, Impfstoffe, Bakterien, Hefen, Blutserum, Liposomen und Transplantationsmaterialien wie Kollagenschwamm. Bei all diesen Materialien ist die Gefriertrocknung beliebt, da sie die Produktstruktur bewahrt, nur niedrige Temperaturen erfordert und ein Endprodukt liefert, das einfach zu handhaben ist.
Ein weiterer schnell wachsender Markt für Active Freeze Drying in größerem Maßstab sind Materialien, insbesondere für Nanomaterialien. Die dynamische Gefriertrocknung von Nanomaterialien, die durch Nassverfahren hergestellt wird, hilft den Schwebstoffen, beim Einfrieren und Trocknen getrennt zu bleiben. Im Verlauf der Sublimation werden die Teilchen voneinander getrennt, aber die kontinuierliche Bewegung des Materials induziert die Bildung schwacher Agglomerate. Das Produkt besteht aus lose gebundenen Einzelpartikeln, die ein feines Kohäsivpulver bilden.
Die Chargenvolumen von Active Freeze Dryer reichen von wenigen Litern für Laborarbeiten und Kleinserien bis hin zu Schüttguttrocknungsanwendungen mit Hunderten von Litern. Unabhängig von der Größe liegen die Vorteile dieses neuen Verfahrens auf der Hand: schnelle Trocknung, einfache Produkthandhabung und einzigartige Produktionsqualität. In den letzten Jahren hat Hosokawa Micron eine große Anzahl von Tests für Kunden in verschiedenen Anwendungsbereichen durchgeführt. Die getesteten Materialien reichen von regulären Pharmazeutika bis hin zu Insekten, Nanomaterialien, Bakterien, hochwertigen Kräutern und anderen anspruchsvollen Lebensmittelzutaten. In zukunftdessen kann es sogar zu einer kontinuierlichen Version des Prozesses kommen, wodurch noch höhere Kapazitäten für ein bestimmtes Gerätevolumen geschaffen werden.
