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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Gefriertrocknen von Substanzen
in einer Behandlungskammer, die ein Gestell mit mehreren vertikal bewegbaren
gekühlten
Stellplatten enthält.
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Beim
Gefriertrocknen von Substanzen wird eine flüssige Substanz zu Eis gefroren,
das anschließend
unter Vakuum einer Trocknung unterzogen wird, wobei die Flüssigkeit
aus dem festen Aggregatzustand (Eis) durch Kondensation an einer
Kühlvorrichtung
dem Produkt entzogen wird. Die nach dem Wasserentzug verbleibende
Substanz ist ein Pulver, das gegenüber der flüssigen Substanz den Vorteil
einer hohen Beständigkeit
gegen Degradation und den Vorteil eines geringen Volumens hat. Die
Trockensubstanz kann vor ihrer Benutzung in Flüssigkeit gelöst werden,
so dass die Substanz dann wieder im flüssigen Zustand vorliegt. Die
Gefriertrocknung eignet sich insbesondere für Produkte der pharmazeutischen
Industrie, beispielsweise zur Konservierung von Medikamenten, wie
Impfstoffe oder Krebsmittel. In der Kammer einer Gefriertrocknungsvorrichtung befindet
sich ein Gestell mit mehreren übereinander angeordneten
Stellplatten, auf die Behälter
wie Fläschchen
oder Schalen in großer
Anzahl gestellt werden. Jeder dieser Behälter enthält eine Menge des in einer
Flüssigkeit
gelösten
Produkts. Zunächst erfolgt
das Einfrieren der Flüssigkeit
in der Behandlungskammer. Dabei sind die aus Metall bestehenden
Stellplatten gekühlt,
beispielsweise auf Temperaturen zwischen –40°C und –60°C. Danach erfolgt der Trocknungsprozess,
der im wesentlichen in zwei Trocknungsphasen verläuft. Solange
sich noch kristalline (gefrorene) Flüssigkeit in dem Produkt befindet,
erfolgt die Haupt- oder Sublimationstrocknung. Liegt kein Wasser
in Form von Eis mehr vor, erfolgt die Entfernung der restlichen
Flüssigkeit
während
einer Nach- oder Desorptionstrocknung. Zur Steuerung eines Gefriertrocknungsprozesses
werden in der Behandlungskammer bestimmte Drücke und Stellplattentemperaturen
eingestellt. Ein wesentlicher Parameter ist dabei die Eistemperatur.
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Eine
Gefriertrocknungsvorrichtung, von der der Oberbegriff des Patentanspruchs
1 ausgeht, ist beschrieben in
EP 1 412 686 B8 (GEA Lyophil GmbH). Die bekannte
Vorrichtung weist ein Gestell mit zahlreichen Stellplatten auf.
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Bei
einer Gefriertrocknungsvorrichtung muss das Einfrieren in einer
vorbestimmten Zeitfolge erfolgen, zweckmäßigerweise beginnend von unten
am Behälterboden
und nach oben aufsteigend. Dadurch wird sichergestellt, dass in
der Trocknungsphase ein gleichmäßiges Trocknen
von oben nach unten erfolgt, ohne dass Gas- oder Dampfeinschlüsse unter einer
Eisschicht entstehen.
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DE 690 05 945 T2 beschreibt
eine Gefriertrocknungsvorrichtung mit einer Tragvorrichtung, die übereinander
angeordnete Stellwände
aufweist und mit einer beweglichen Wand als Deckel zur Abdichtung
versehen ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Gefriertrocknen
von Substanzen zu schaffen, mit der der gewünschte Prozessablauf ohne Bildung
einer überdeckenden
Eisschicht sichergestellt ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Sie ist dadurch gekennzeichnet,
dass oberhalb mindestens einer Stellplatte ein thermisch isolierender
Schirm zum Abschirmen der Stellplatte und der darauf stehenden Behälter befestigt
ist.
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Der
Schirm verringert die konvektive Kälteübertragung von der oberen Platte
zu dem auf einer Stellplatte stehenden Produkt. Die obere Platte
ist in der Regel eine Stellplatte auf der wiederum Behälter stehen,
jedoch kann es sich auch um die oberste Platte des Gestells handeln,
die keine Stellfunktion hat und als Strahlungsplatte bezeichnet
wird.
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Die
Schirme verringern die Kälteaufnahme der
flüssigen
Substanz von oben, so dass diese Substanz vorwiegend der von der
tragenden Stellplatte her übertragenen
Kälte ausgesetzt
wird, während
die von der oberen Platte her einwirkende Kälte „gedämpft” wird. Die Folge hiervon ist,
dass das zeitliche Gefrierprofil durch Wahl eines entsprechenden
Schirmes kontrolliert erzeugt werden kann.
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Ein
besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Schirme
in die Behandlungskammer eingebaut sind und während des Prozesses nicht entnommen
werden. Somit kann die Tür
der Behandlungskammer über
den gesamten Prozessverlauf geschlossen bleiben, wodurch dem Produkt
nicht unkontrolliert Wärme
zugeführt
wird. Nach Durchführen des
Prozesses folgt eine Reinigung der Behandlungskammer, beispielsweise
durch Wasser oder Dampf. Dabei werden die in der Behandlungskammer
installierten Schirme mitgereinigt, so dass eine separate Reinigungsbehandlung
nicht erforderlich ist.
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Die
substanzaufnehmenden Behälter
können
von unterschiedlicher Art sein. Im einfachsten Falle handelt es
sich um offene Schalen. Die Behälter können aber
auch Fläschchen
sein, die einen axial verschiebbaren Stopfen aufweisen, der eine Öffnungsstellung
und eine Schließstellung
einnehmen kann. Durch Absenken der oberen Platte werden die Stopfen
in die Schließstellung
gedrückt.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung übernimmt
der Schirm das Schließen
derartiger Fläschchen.
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Der
Schirm erschwert die Kälteübertragung durch
Konvektion bzw. die Kälteabstrahlung
von der oberen Platte auf die Substanz. Anders ausgedrückt: Die
Wärmeabgabe
von der Substanz an die obere Platte wird verringert. Die abschirmende
Wirkung des Schirmes sollte größer sein
als die abschirmende Wirkung des die Substanz enthaltenden Behälters. Eine
wesentliche Komponente der abschirmenden Wirkung ist die thermische
Leitfähigkeit
der Abschirmung. Diese sollte geringer sein als diejenige der Stellplatten.
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Es
gibt unterschiedliche Arten der Befestigung des Schirmes an der
oberen Platte. Vorzugsweise ist der Schirm mit Abstandhaltern an
der oberen Platte befestigt. Der Schirm kann dann als Druckelement
zum Schließen
der Verschlüsse
von Fläschchen
benutzt werden. Alternativ hierzu besteht die Möglichkeit, den Schirm beweglich
unter der unteren Platte zu befestigen, beispielsweise durch Aufhängung. Dies
eignet sich insbesondere für
den Fall der Verwendung schalenförmiger
offener Behälter.
Die Schirme setzen dann beim Absenken der Stellplatten lose auf
den jeweiligen Behältern
auf, ohne diese hermetisch zu verschließen.
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Die
Schirme können
auswechselbar sein, wobei Schirme mit unterschiedlichen Abschirmeigenschaften
vorhanden sind. Durch Einbau geeigneter Schirme kann dann der zeitliche
Verlauf der Abkühlung
und das Abkühlungsprofil
der Substanz vom Benutzer der Vorrichtung gewählt werden.
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Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher
erläutert:
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung des in einer Behandlungskammer angeordneten
Gestells mit auf Stellplatten angeordneten Behältern während des Beladens,
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2 das
Gestell während
der Phase des Einfrierens,
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3 das
Gestell während
der Phase des Trocknens unter Vakuum und
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4 in
vergrößerter Darstellung
das Detail IV aus 1.
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Die
Gefriertrocknungsvorrichtung entspricht generell derjenigen von
EP 1 412 868 B8 .
Sie weist eine vakuumdichte Behandlungskammer auf. Der Boden der
Behandlungskammer ist in den Zeichnungen mit
10 bezeichnet.
In der Behandlungskammer befindet sich ein Gestell
11 mit
mehreren Stellplatten
12, die übereinander angeordnet sind.
Jede Stellplatte dient zum Aufstellen eines Behälters
13, der eine flüssige Substanz
14 aufnimmt
(
4). Jede der Stellplatten
12 ist durch
vertikale Bolzen
15 in der Höhe verfahrbar, die beispielsweise
hydraulisch betätigbar
sind. Jede der Stellplatten
12 kann auf ein Beladelevel
BL gebracht werden, auf dem sie mit den entsprechenden Behältern
13 belegt
wird.
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Die
oberste Platte des Gestells 10 ist eine Strahlungsplatte 12a,
die in gleicher Weise ausgebildet ist wie die Stellplatten 12,
jedoch keine Behälter aufnimmt.
Die Stellplatten 12 und die Strahlungsplatte 12a enthalten
Kanäle 16,
die Bestandteil eines Kühlkreislaufs
sind, um die Stellplatten 12 und die Strahlungsplatte 12a auf
die erforderliche Niedrigtemperatur von –40°C bis –60°C zu kühlen.
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Den
oberen Abschluss des Gestells 10 bildet ein Hubtisch 17,
an dem eine (nicht dargestellte) hydraulische Hubvorrichtung angreift.
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Unter
der Strahlungsplatte 12a und unter jeder Stellplatte 12 ist
ein aus Kunststoff bestehender Schirm 20 befestigt. Der
Schirm 20 ist eine ebene Platte, die mit Abstandhaltern 21 unter
der jeweils oberen Platte 12 bzw. 12a befestigt
ist. Dadurch wird unter der oberen Platte ein Freiraum 22 gebildet.
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1 zeigt
das Gestell während
des Beladens mit Behältern 13.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist der Behälter 13 eine
offene Schale, die die flüssige
Substanz 14 enthält.
Die Stellplatten werden nacheinander auf den Beladelevel BL gebracht
und dort mit Behältern 13 beladen.
Nach Beendigung des Beladens sind die Bolzen 15 eingefahren,
wie dies in 2 dargestellt ist, so dass die
Stellplatten 12 einen geringen vertikalen Abstand voneinander
haben.
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2 zeigt
den Zustand der Stellplatten in der Phase „Einfrieren”. Die Stellplatten 12 werden
gekühlt,
so dass die zunächst
flüssige
Substanz 14 in den festen Aggregatzustand (Eis) überführt wird.
Die Behälter 13 sind
in dieser Phase mit dem Schirm 20 bedeckt, der auf den
Behältern
aufliegt und die Wärmeabgabe
von den Behältern
an die jeweils obere Platte 12 bzw. 12a erschwert.
Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Gefrierprozess in
einem Behälter 13 von
unten nach oben erfolgt.
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3 zeigt
die Vorrichtung in der Phase „Trocknen”. Die Bolzen 15 sind
nunmehr ausgefahren, so dass die Schirme 20, die in festem
Abstand unter der oberen Platte befestigt sind, von der abzuschirmenden
Stellplatte 12 bzw. den darauf stehenden Behältern 13 abgehoben
haben, so dass das Vakuum auf die Substanzen einwirken kann.
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Nach
Beendigung des Gefriertrocknens wird die Behandlungskammer gereinigt,
beispielsweise durch Dampfsterilisation. Hierbei können die
Schirme 20, die aus sterilisierbarem Material bestehen,
in der Behandlungskammer verbleiben.
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Um
den Vorgang der Eisbildung in der Phase des Einfrierens beeinflussen
zu können,
sind die Schirme 20 demontierbar. Es stehen Schirme 20 von unterschiedlicher
Wärmedurchlässigkeit
zur Verfügung,
beispielsweise von unterschiedlicher Dicke.
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Ein
wesentlicher Vorteil besteht darin, dass zwischen den Phasen „Einfrieren” und „Trocknen” ein Öffnen der
Behandlungskammer nicht erforderlich ist, da die Schirme während des
Trocknens in der Behandlungskammer verbleiben.