Gefriertrocknung

Bei der Gefriertrocknung wird einem Gemisch „Flüssigkeit“ durch Sublimation entzogen. Die enthaltene Flüssigkeit wird im ersten Schritt gefroren und dann durch Druckminderung sublimiert. Dir Druckminderung senkt die Sublimations-Temperatur so weit ab, dass keine Verflüssigung mehr auftritt.


Prinzip der Gefriertrocknung

Deutlich wird das Prinzip anhand des Phasendiagramms. Bei Atmosphärendruck werden die feste, die flüssige und die gasförmige Phase durchlaufen. Bei Wasser wird bei einer Temperatur unterhalb von 0 °C und Drücken, die kleiner als 6 mbar sind, dagegen nur der Übergang von dem festen in den gasförmigen Zustand durchlaufen.

 

Phasendiagramm Gefriertrocknung
Abb1. In einem typischen Phasendiagramm verläuft die Grenze zwischen Gas und Flüssigkeit vom Tripelpunkt zum kritischen Punkt. Bei der Gefriertrocknung wird die Flüssigkeit zuerst kristallisiert (Temperaturabsenkung) und dann sublimiert (Druckminderung). (siehe blauer Pfeil)
CC BY-SA 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=369549

Ablauf

Jede Gefriertrocknung läuft in 4 Schritten ab:

  1. Vorbehandlung
  2. Einfrieren
  3. Primäre Trocknung (Haupttrochnung)
  4. Sekundäre Trocknung (Nachtrocknung)

Vorbehandlung

Um den Prozeßablauf zu verbessern können verschiedene Maßnahmen vor dem Einfrieren getroffen werden. Darunter fallen:

  • Konzentrierung des Produkts
  • Stabilitätserhöhende Zusätze
  • Abtrennung von schwer zu verdampfenden Flüssigkeiten
  • Erhöhung der Oberfläche

Einfrieren

Die Temperatur im Produkt muss unter den Triple-Punkt abgesenkt werden. Dies ist die geringste Temperatur bei welcher die flüssige und die feste Phase koexistieren. Je größer die entstehenden Kristalle sind, desto schneller erfolgt anschließend die Sublimation. Für größeres Kistallwachstum werden Temperaturzyklen verwendet. Dieser Vorgang wird als „annealing“ bezeichnet.

Eine allgemein gültige Faustregel, ob schnelles Einfrieren oder langsames Einfrieren besser ist existiert nicht. [Skrabanja 1994] beschreibt zwei Beispiele, einmal einen monoklonalen Antikörper, der bedingt durch schnelles Einfrieren in unterschiedlichen Puffern (Citrat, Phosphat, Tris) vermehrte Aggregation zeigt. Bei der Untersuchung eines rekombinanten DNA Proteins führte schnelles Einfrieren zu höherer Aktivität. [Dawson 1991] konnte zeigen, dass bei Formulierungen mit Carbohydraten schnelles Einfrieren (150°C/min) zu einem feinen, amorphen Netzwerk und langsames Einfrieren (1°C/min) zu einer amorphen, blättrigen Struktur führt. Schnell eingefrorene Formulierungen liesen sich meist einfacher rekonstituieren und führten zu einem trockeneren Produkt. [Kim 1998] zeigte, dass die Kristallform von Mannitol von der Einfriergeschwindigkeit, sowie von der absoluten Konzentration abhängt. Eine langsam eingefrorene 10%ige Mannitollösung resultierte in einer Mischung von a+b Polymorphien. Schnell eingeforen führte es zur d- Form. Die unterschiedlichen kristallographischen Formen zeigten auch Unterschiede in der Rekonstitutionsfähigkeit. [2]

Primäre Trocknung (Haupttrocknung)

Erklärungsvideo

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Videos zum Thema

Erklärung einer Anlage zur Gefriertrocknung in der pharmazeutischen Industrie

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Video Seminar zur Anwendung in der Arzneimittel-Herstellung

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Darstellung des Prozessablaufs in der pharmazeutischen Industrie

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Gefriertrocknung von Dispersionen

Hierzu wird die auf wenige mL reduzierte Dispersion mit flüssigem Stickstoff tiefgefroren und in den Lyophilisator eingebracht. Anschließend wird der Druck und die Temperatur soweit abgesenkt, dass das als Dispersionsmittel fungierende Wasser sublimiert [1].


Gefreiertrocknung – Memmert VO200cool

Die Gefriertrocknung, das gängigste Verfahren für die Trocknung von Starterkulturen und Probiotika, ist sehr energieintensiv. Darüber hinaus überleben manche Bakterienstämme den Gefrierprozess nicht. Mit der Niedertemperatur-Vakuumtrocknung können labile Stoffe bei moderaten Temperaturen, aber über dem Gefrierpunkt getrocknet werden, ohne dass die Zellstruktur zu stark geschädigt wird. Als erster Hersteller weltweit hat Memmert daher einen gekühlten Vakuumschrank im Labormaßstab auf den Markt gebracht. Weitere Informationen zu den gekühlten Vakuumschränken finden Sie hier


Synonyme

  • Sublimationstrocknung
  • Lyophilisation

Literatur & Quellen

  1. Mahl, D. (2001) „Synthese, Löslichkeit und Stabilität von Gold-Nanopartikeln in biologischen Medien“; Dissertation
    zur Erlangung des akademischen Grades eines
    Doktors der Naturwissenschaften Dr. rer. nat. Institut für Anorganische Chemie der Universität Duisburg-Essen LINK
  2. Roth, C. (2000) „Ein Mikro-Waageverfahren zur kontinuierlichen Bestimmung der Sublimationsgeschwindigkeit während der Gefriertrocknung“ Dissertation Der Naturwissenschaftlichen Fakultäten der Friedrich- Alexander- Universität Erlangen- Nürnberg
Gefriertrocknung Kaffee
By Pleple2000 – Own work, GFDL, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3389321

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