Gefriertrocknung

Die Gefriertrocknung oder Lyophilisation oder Sublimationstrocknung ist die Trocknung von Objekten in gefrorenem Zustand, beispielsweise von Obst oder auch Bakterien. Das so getrocknete Material ist das Lyophilisat.

Die Gefriertrocknung wird auch Kältetrocknung genannt. Wasserhaltige Objekte, wie zum Beispiel feuchtes Papier, Bio- und sonstige poröse Materialien, werden tiefgefroren und kommen anschließend in eine Vakuumkammer. Dort werden sie einem Unterdruck von weniger als 6 mbar ausgesetzt. Unter dem Einfluss dieses Unterdrucks nimmt das eingefrorene Wasser während des gesamten Trocknungsvorganges nicht mehr den flüssigen Aggregatzustand ein, sondern geht direkt von Eis in Dampf über (Sublimation).

Verfahren

  Unter Gefriertrocknung versteht man ein technisches Verfahren zum Entzug von Wasser. Dazu wird eine wässrige kristalline Lösung unter den Gefrierpunkt abgekühlt, bis sie vollständig zu Eis gefriert. Je nach Einfriergeschwindigkeit und Hilfsstoff können unterschiedlich große Kristalle entstehen. Große Kristalle können dabei zu einem sehr porösen Gut und somit zu kurzen Trocknungszeiten führen. Es besteht allerdings die Gefahr der Überhitzung. Liegt jedoch eine Lösung einer amorphen Substanz vor, so tritt sie in einen glasartigen Zustand über. Eine Stabilisierung der Ausgangsprodukte in der Einfrierphase wird durch sogenannte Kryoprotektoren erreicht. Wichtig ist vor allem, dass die Temperatur während des Glasübergangs nicht zu hoch liegt, da es sonst zum Kollaps des Systems kommt. Die Kollapstemperatur liegt ca. 3 °C über der maximal gefriergesättigten Konzentration. Die Kryoprotektoren stabilisieren das Ausgangsprodukt durch Viskositätserhöhung oder prefentional exclution. Letzteres bedeutet, dass das Protein über Zusatz bestimmter Stoffe wie Polyole oder Kohlenhydrate in der nativen Form gehalten wird. Nun wird der Luftdruck über dem Eis vermindert (Vakuum), wodurch das Eis sublimiert und somit der gefrorenen Lösung entzogen wird. Dabei muss die Produkttemperatur unterhalb des eutektischen Punktes/Glasübergangspunktes liegen. Bei Gefriertrocknung wird während dieser Primärtrocknungsphase Wärme zugeführt, um die Sublimationskälte auszugleichen. Lyoprotektoren können während dieser Primärtrocknungsphase stabilisierend wirken. Dies geschieht vor allem durch water replacement und glass immobilisation. Trehalose kann sowohl als Kryo- wie auch als Lyoprotektor dienen. In der anschließenden Sekundärtrocknung wird die Temperatur in der Apparatur erhöht, um eventuell vorhandenes Restwasser zu entfernen. Übrig bleibt der gelöste Stoff als poröser Kuchen mit großer Oberfläche, der später wieder leicht in Wasser gelöst werden kann.

Anlagen

Industrielle Gefriertrockner bestehen aus zwei Kammern. Die eine Kammer enthält eine wahlweise beheiz- und kühlbare Stellfläche, auf der das Produkt liegt oder die wässrige Lösung abgefüllt in so genannten Vials (Glasfläschchen) steht. Die Wärme- bzw Kälteleistung (von ca -50°C bis +40°C) wird durch einen Silikonölkreislauf über Kompressoren, Wärmeträgerpumpe und Wärmetauschern gewährleistet. Die zweite Kammer ist der sogenannte Kondensator, der die aus dem Produkt diffundierende Feuchtigkeit aufnimmt. In ihm befinden sich Kühlschlangen, die üblicherweise mit Silikonöl gefüllt sind. Über einen Kreislauf mit Kompressoren und Verdampfern werden Temperaturen von −60°C bis −80 °C erreicht. Er ist somit der kälteste Punkt der Anlage. Beide Kammern können voneinander durch eine Klappe(Zwischenventil) getrennt werden. Während der Trocknung sind sie jedoch miteinander verbunden. An den Kondensator ist zudem eine Vakuumpumpe angeschlossen. Über angebrachte Messinstrumente kann der jeweilige Grad des Trocknungsprozesses genau bestimmt werden. Möglich ist dies durch ein Manometer. Eingesetzt werden sowohl Pirani-Manometer als auch konduktometrisch arbeitende Manometer. Weitere Instrumentierungsmöglichkeiten sind auch durch ein Mikrowägesystem gegeben.

Da der Kälte-/Wärmekreislauf für die Stellflächen und der Kältekreislauf des Kondesators aus FCKW bzw FKW haltigen Kältemitteln besteht werden einige Anlagen mittlerweile mit flüssigem Stickstoff gekühlt.

Anwendungen

Anwendung findet die Gefriertrocknung in der Archäologie (zum Beispiel feuchtes Holz oder Leder), für gefriergetrocknete Blumen, bei Tierpräparatoren, in Bibliotheken, bei Restauratoren (wassergeschädigte Dokumente). Die Pharmaindustrie verwendet diese Verfahren, um Arzneistoffe, die in Wasser nicht lange haltbar wären, zu trocknen. Vor der Einnahme werden die Medikamente wieder in Wasser aufgelöst (zum Beispiel Antibiotika und neuere biotechnologisch hergestellte Arzneistoffe). Vorteilhaft sind vor allem bei Parenteralia die schnellen Lösungseigenschaften der gefriergetrockneten Substanz.

Die Gefriertrocknung findet auch Einsatz in der Lebensmittelanalytik. So wird zum Beispiel Obst oder ähnlichen Lebensmitteln, die einen hohen Wassergehalt haben (Melonen), vor der Analyse das Wasser entzogen.

Ein bekanntes Beispiel aus der Lebensmittelbranche ist die Gefriertrocknung von löslichem Kaffee-Granulat (zum Beispiel Nescafe) und von anderen Instantpulver-Getränken. Auch Früchte für Müsli-Flocken werden gefriergetrocknet und behalten so ihre Farbe und den Geschmack. Das Verfahren der Gefriertrocknung lässt sich bei allen sortenreinen Papieren anwenden. Dies funktioniert auch dann, wenn das Papier zu Büchern gebunden ist oder in Form eines Dokumentes vorliegt. Des Weiteren wird es bei Kräutern und Gewürzen angewandt, um sie länger haltbar zu machen.

Eine verbreitete Anwendung in der Keramikherstellung ist die Trocknung keramischer Pulver, z.B. nach einer Mahlung in Wasser.

Die Gefriertrocknung kann auch als eine besonders ökologische, jedoch in Deutschland nicht zulässige Form der Bestattung vorgenommen werden.

Nachteile der Gefriertrocknung sind allerdings der enorme Energieaufwand und die teuren aufwändigen Apparaturen. Deshalb ist dieses Verfahren nur bei sehr hochwertigen oder nicht anders konservierbaren Produkten überhaupt lohnend.

Vorindustrielle Verfahren

Die Gefriertrocknung von Kartoffeln wurde in den Ursprungsländern der Kartoffel traditionell zur Entgiftung des Lebensmittels angewandt, solange noch keine züchterisch alkaloidfreien Sorten zur Verfügung standen. Das Produkt der Gefriertrocknung von Kartoffeln wird in den Anden als "Chuño" bezeichnet. Die Kartoffeln werden im Hochland von Peru und Bolivien nachts über längere Zeit dem Frost bei etwa minus zehn Grad ausgesetzt, tagsüber mit Stroh abgedeckt. Nach einiger Zeit werden sie gewässert und erneut gefroren.

Bedingte Einsatzmöglichkeiten für Papier

Bestimmte Papiersorten, die sich bereits im nassen Zustand problematisch verhalten: Hierzu zählen zum Beispiel Hochglanzpapiere und Kunstdrucke; diese neigen bei starker Durchnässung zum Verkleben

Vorteile

• keine Gefahr bezüglich „Schimmelbildung“
• keine Ausblutung von Druckfarben
• sehr empfindliche Papiere können mit diesem Verfahren getrocknet werden
• Aromastoffe bleiben besser erhalten als bei herkömmlichen Trocknungsverfahren
• bessere Qualität vor allem bei Lebensmitteln
• Proteine (Pharmaindustrie) bleiben wesentlich länger stabil (haltbar) als in Lösung
• schonendere Trocknung durch geringere Trocknungstemperaturen

Nachteile

• an den einzelnen Papierfasern können ungleichmäßige Spannungen auftreten; dies kann ein Wellen beziehungsweise Verziehen der Bücher zur Folge haben - bei starken Bucheinbänden oder dicken Kartonagen ist dieser Effekt besonders ausgeprägt
• bei diesem Verfahren ist ein sehr hoher Energieeintrag nötig
• die Anschaffungskosten für die benötigten Anlagen sind sehr hoch
• großer Zeitaufwand im Gegensatz zu anderen Trocknungsarten

Siehe auch

• Vitrifizierung