Verfahrensgrundlagen

Es gibt zahllose Beispiele für gefriergetrocknete Produkte, wie Antibiotika, Bakterien, Seren, Impfstoffe, Diagnosemittel, proteinhaltige und biotechnologische Produkte, Zellen, Gewebe und Chemikalien. Das zu trocknende Produkt wird unter Atmosphärendruck eingefroren. In der anfänglichen Trocknungsphase —, die als Primärtrocknung —bezeichnet wird, wird das Wasser (in Form von Eis) per Sublimation entfernt, während es in der zweiten Phase,— der Sekundärtrocknung —, durch Desorption entfernt wird. Die Gefriertrocknung erfolgt im Vakuum.

Die Bedingungen, unter denen der Prozess stattfindet, bestimmen die Qualität der gefriergetrockneten Produkte. Während der Gefriertrocknung müssen einige wichtige Aspekte berücksichtigt werden:

Gefrieren: Die Umwandlung eines Grundprodukts durch Wärmeentzug, um einen Zustand zu erreichen, der sich für die Sublimationstrocknung eignet. Wenn wässrige Produkte gekühlt werden, bilden sich Kristallisationskeime. Das Umgebungswasser wird um die Keimbildungsstellen herum aufgenommen, wodurch sich Kristalle verschiedener Größen und Formen bilden. Die Gefriergeschwindigkeit, die Zusammensetzung des Grundprodukts, der Wassergehalt, die Viskosität der Flüssigkeit und das Vorhandensein nicht kristallisierender Substanzen gehören zu den entscheidenden Faktoren für die Form und Größe der Kristalle und beeinflussen den anschließenden Sublimationsprozess. Große Kristalle weisen nach der Sublimation eine relativ offene Gitterstruktur auf, während kleine Eiskristalle kleinen Raum im getrockneten Produkt aufweisen, wodurch sich die Entfernung des Wasserdampfs verringert.

Der Gefrierpunkt von reinem Wasser liegt bei 0 °C. Befinden sich andere Substanzen im Wasser gelöst, setzt dies den Gefrierpunkt herunter. Wenn anorganische Salze vorhanden sind, kann der Gefrierpunkt auch erheblich unter 0 liegen. Wird eine schwache Lösung eingefroren, scheidet sich das reine Eis anfänglich ab, wodurch sich die Konzentration der gelösten Substanz in der Restlösung erhöht (und der Gefrierpunkt noch weiter sinkt). Der Effekt dieses Produktkonzentrats variiert von Fall zu Fall und muss bei der Auswahl der geeigneten Gefriermethode berücksichtigt werden.

Die am besten geeignete Gefriermethode für ein spezifisches Produkt und die entsprechenden Parameter sollten stets vor der Sublimationstrocknung bestimmt werden. Das Gefrierverhalten des Produkts kann beispielsweise unter Zuhilfenahme des Widerstandsmessverfahrens untersucht werden. Für Pharmaprodukte kommen zwei verschiedene Gefriermethoden zur Anwendung: das Gefrieren durch Kontakt mit einer Kühlfläche und das dynamische bzw. Rotationsgefrieren in einem Kühlmediumbad.

Bei der ersten Methode handelt es sich um eine statische Gefriermethode, bei der der Gefriertrockner flexibel und in der Lage sein muss, das Gefriermaß an das jeweilige Produkt anzupassen und die Gefriergeschwindigkeit zu steuern. In den meisten Fällen reicht eine Endtemperatur von -50 °C aus. Die zweite Methode kommt zur Anwendung, wenn größere Mengen eines flüssigen Produkts eingefroren und in Flakons oder großen Flaschen getrocknet werden sollen. Bei der angemessenen Gefriermethode wird außerdem ein gefrorenes Produkt erzeugt, das sich für die Sublimation eignet – das heißt, es muss einheitlich und so dünn wie möglich sein, um eine kurze Trocknungszeit zu gewährleisten.

Primärtrocknung

Zu Beginn der Primärtrocknungsphase erfolgt die Eissublimation an der Produktoberfläche. Im weiteren Verlauf des Prozesses zieht sich die sublimierende Oberfläche in das Produkt zurück und der entstehende Dampf muss durch die zuvor getrockneten Außenschichten geleitet werden. Das bedeutet, dass der Trocknungsprozess von der Geschwindigkeit der Dampfübertragung und Dampfentfernung sowie der nötigen Sublimationswärme abhängt. Die für die Sublimation nötige Wärme wird durch Konvektion, Wärmeleitung und – in geringerem Ausmaß – durch Wärmestrahlung zugeführt.

Neben der Wärmeübertragung durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung muss die Wärmeübertragung durch Konvektion optimiert werden. Es muss jedoch beachtet werden, dass die Konvektion bei Drücken unter 10^-2 mbar fast nicht mehr erfolgt. Aus diesem Grund wird der Druck in der Trocknungskammer in Funktion der erforderlichen Sublimationstemperatur während der Primärtrocknungsphase auf den größten erlaubten Wert eingestellt. Die Sublimationswärme wird nicht an der Produktoberfläche benötigt, sondern am Rand des Eiskerns, der sich während des Trocknungsvorgangs in das Innere des Produkts zurückzieht.

Während der Wasserdampf also vom Inneren des Produkts nach außen strömt, muss die Wärme in die umgekehrte Richtung fließen. Aufgrund der niedrigen Wärmeleitfähigkeit der getrockneten Produktschichten erhöht sich der für die Wärmeübertragung benötigte Temperaturgradient kontinuierlich. Um eine Beschädigung des Produkts zu vermeiden, darf die maximal erlaubte Temperatur für das getrocknete Produkt nicht überschritten werden. Gleichzeitig dazu muss darauf geachtet werden, dass die erforderliche Sublimationstemperatur während des Trocknungsvorgangs aufrechterhalten, die Wärmezufuhr zum Eiskernrand im Gleichgewicht gehalten und eine Überhitzung der Sublimationszone vermieden wird. Die Primärtrocknungsphase dauert an, bis das gesamte Eis im Produkt sublimiert wurde.

Sekundärtrocknung

Während der Sekundärtrocknungsphase, das heißt, der finalen Trocknungsphase, wird der Restfeuchtegehalt so weit wie möglich reduziert, um sicherzustellen, dass das Produkt sich in einen dauerhaft lagerfähigen Zustand versetzt. Das per Adsorption an der inneren Produktoberfläche gebundene Wasser muss entfernt werden. Um dies zu erreichen, ist es häufig nötig, die Kapillarkräfte des Wassers zu überwinden. Die Gefriertrocknungsanlage muss daher so konzipiert sein, dass während der Sekundärtrocknungsphase ein Hochdruckgradient erreicht wird (in den meisten Fällen ist es nicht möglich, die Temperatur zu erhöhen, ohne dabei das Produkt zu beschädigen). Der Sekundärtrocknungsprozess muss präzise gesteuert werden, um eine Übertrocknung des Produkts zu verhindern.