DE19654134C2 - Verfahren und Einrichtung zum Gefriertrocknen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7 zum Gefriertrocknen von gefrierfähigen lösungsmittelhaltigen Produkten, wie sie insbesondere zum Gefriertrocknen von pharmazeutischen Wirkstoffen, Zellkulturen oder Zellinhaltsstoffen eingesetzt werden.

Gefriertrockungsgeräte mit Trommel sind aus der US 3,308,552, der US 33 03 578, der DE 21 61 903 A und dem Artikel "Tumbler Freeze-Dryer, Food Manufacture, March 1965" bekannt.

In der DE 21 40 811 A ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Konditionierung von Gefriertrocknungsprodukten unter Einsatz einer um ihre Längsachse rotierenden, evakuierbaren Trommel beschrieben. Die zu entwässernden Produkte werden dabei in der Trommel gefroren und anschließend gefriergetrocknet. Zum Gefrieren taucht die Trommel teilweise in einen Gefriertrog ein. Zur Beschleunigung der Sublimation während des eigentlichen Gefriertrocknens sind am Umfang der Trommel Heizeinrichtungen angeordnet.

Ein bekanntes Verfahren und eine bekannte Einrichtung zum Gefriertrocknen von Produkten der beschriebenen Art sind in der DE 42 33 479 A1 beschrieben. Die bekannte Einrichtung zum Gefriertrocknen hat eine Trockenkammer, einen Kondensator und eine Vakuumpumpe. In der Trockenkammer sind geregelt heizbare und kühlbare Wärmetauscherplatten angeordnet. Auf diesen Wärmetauscherplatten wird das in Schalen abgefüllte Gefriergut abgestellt. Die Wärme wird über die gekühlten Stellflächen der Wärmetauscherplatten dem Gefriergut entzogen. Nach dem Einfrieren wird mit Hilfe der Evakuierungsvorrichtung ein Vakuumdruck unterhalb des Sublimentionsdruckes von Wasser in der Trockenkammer eingestellt.

Durch Erwärmen der Wärmetauscherplatten sublimiert das im Gefriergut eingefrorene Wasser, und der freigesetzte Wasserdampf friert anschließend an dem unterkühlten Kondensator aus.

Die erforderliche Kälteleistung wird durch den Kälteinhalt eines kryogenen Mediums, im vorliegenden Falle flüssigen Stickstoffs, aufgebracht.

Bei dieser Art der Gefriertrocknung fassen sich nur geringe Mengen von Gefriergut in Form eines Granulates ausfrieren, wobei die Herstellkosten aufgrund der erforderlichen Edelstahlflächen der Wärmeaustauscherplatten sehr hoch sind. Die hohen Gewichte dieser Platten sowie des Wärmeträgermediums verzögern den Wärmetransport der erforderlichen Verdampfungsenergie, was zu hohen Trocknungszeiten führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, mit denen sich die Gefrierleistung bei verringerten Herstellkosten deutlich erhöhen läßt.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und eine Einrichtung nach Patentanspruch 7.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung läßt sich eine sehr viel größere Menge an Gefriergut direkt in die langsam, vorzugsweise zwischen 0,1 und 1 U/min., rotierbare Trommel einfüllen, so daß die teuren und hinsichtlich des Wärmetransportes trägen Wärmeaustauscherplatten vermieden sind. Die Innenwand der vorzugsweise von außen beheizten, rotierbaren Trommel selbst dient als Wärmeaustauschfläche beim Kühlen bzw. Aufheizen des Gefriergutes.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Gefriergut in Form eines Granulats oder von Pellets direkt in die Trommel eingegeben. Die Trommel kann dabei in einer Größenordnung von 50% ihres Volumens mit Gefriergut direkt gefüllt werden. Um ein Abtauen von vorgefrorenem Gefriergut zu vermeiden, muß die Innenwand der Trommel vor dem Füllen vorgekühlt werden. In der Trommel selbst kann dann das Gefriergut auf eine Temperatur unterhalb seiner eutektischen Temperatur eingefroren werden. Alternativ kann das Gefriergut aber auch vor dem Befüllen extern auf eine Temperatur unterhalb der eutektischen Temperatur eingefroren sein.

Zum Einleiten der Gefriertrocknung wird zunächst ein Vakuum bestimmter Größe in dem Trommelinneren eingestellt. Dann wird die Innenwand der Trommel auf eine geregelte Temperatur aufgeheizt. Die Trommel wird nun langsam, vorzugsweise zwischen 0,1 und 1 U/min. rotiert, um einen gleichmäßigen Wärmeübergang zwischen dem Gefriergut und der aufgeheizten Innenwand der Trommel zu ermöglichen. Die geregelte Beheizung dieser Innenwand erfolgt von außen über die Heizvorrichtung, beispielsweise einen Infrarot-Strahler. Die Temperatur des Produktes wird über den Druck im Innenraum der Trommel geregelt.

Wie bekannt, ist eine Vakuumpumpe an den Kondensator angeschlossen, und zwischen dem Innenraum der Trommel und dem Kondensator ist eine Verbindungsleitung für aus dem Gefriergut verdampftes Wasser angeordnet, welches im Kondensator ausfriert. Ein in der Verbindungsleitung angeordnetes Regelventil sorgt im Absperrzustand dafür, daß das erzeugte Sublimat an noch kälteren Stellen des Gefriergutes kondensiert. Erst nach Erreichen des Sublimationsdruckes um den eutektischen Punkt öffnet das Regelventil, und der Druck im Innenraum der Trommel sinkt auf den Dampfdruck des Kondensators ab. Daraus resultiert ein pulsierender Druckverlauf.

Das Ausfrieren des Dampfes im Kondensator sowie dessen Ausgestaltung selbst sind ausführlich in der DE 42 33 479 A1 beschrieben, so daß sich eine Beschreibung hier erübrigt. Wie bisher soll also auch in dem vorliegenden Fall das Sublimat an den direkt von Stickstoff gekühlten Flächen des Kondensators ausfrieren.

Die Erfindung ist im folgenden anhand einer Zeichnung und anhand eines Anwendungsbeispiels mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild einer Einrichtung zum Gefriertrocknen gemäß der Erfindung.

Die Einrichtung hat eine evakuierbare Trommel 2, die mittels eines nicht gezeigten Antriebes in Pfeilrichtung in Drehung, vorzugsweise zwischen 0,1 und 1 U/min., versetzbar ist. Die Trommel 2 ist konzentrisch in einem feststehenden zylindrischen Gehäuse 1 angeordnet. Im Ringraum 101 zwischen Trommel 2 und Gehäuse 1 befindet sich ein der Ringraumwölbung angepaßt gestalteter Infrarot-Heizstrahler 102. Ferner ist in den Ringraum 101 aus einem Isoliertank 19 über eine Leitung 18, ein Einspritzventil 22 und eine Leitung 21 zugeführter flüssiger Stickstoff 20 durch Vergasen einbringbar. Die einzubringende Stickstoffmenge wird über das Einspritzventil 22 geregelt, welches mittels eines Temperaturregler 23 gesteuert ist. Der Temperaturregler 23 erhält sein Ist-Temperatursignal von einem Temperaturfühler 231 in der Kammer.

Auch der Infrarot-Heizstrahler 102 wird temperaturabhängig geregelt, und zwar mittels eines Temperaturreglers 5, der über ein Stellglied 3 die Energiezufuhr zum Infrarot-Heizstrahler abhängig von der Ist- Temperatur der Innenwand 202 der Trommel steuert. Diese Ist- Temperatur wird mittels Temperaturfühler 4 erfaßt.

Mit der Bezugszahl 201 ist der Innenraum der Trommel 2 bezeichnet, während die Bezugszahl 203 Versteifungsrippen an den Stirnwänden der Trommel bezeichnen. An die Mitte der Trommel ist ein Evakuiersystem über eine Verbindungsleitung 6 angeschlossen, die mit dem Trommelinnenraum 201 sowie mit dem Innenraum 91 eines Kondensators 9 kommuniziert. Der Kondensator 9 steht über eine Saugleitung 12 mit einer Vakuumpumpe 13 in Verbindung.

In die Verbindungsleitung 6 zwischen der Trommel 2 und dem Kondensator 9 ist ein Regelventil 7 eingebaut, welches über einen Regler 8 geregelt ist. Dieser Regler 8 regelt die Öffnungsstellung des Regelventiles abhängig von der mittels eines Aufnehmers 81 gemessenen Druckes. Unterschreitet der Druck im Innenraum der Trommel 2 einen Mindestdruck von 0,3 mbar, so sperrt das Regelventil 7 die Verbindungsleitung 6 ab und öffnet wieder bei Überschreiten eines Druckes von 0,6 mbar.

In eine Zweigleitung 15 von der Stickstoffleitung 18 zum Kondensator 9 ist ein Regelventil 16 eingebaut, das mittels eines Temperaturreglers 17 geregelt wird. Der Temperaturregler 17 erhält ein Ist-Temperatursignal von einem Temperaturaufnehmer 171 für die Temperatur in einem die Außenwand 10 des Kondensators 9 umgebenden Ringraum 11, der über die Zweigleitung 15 ebenfalls mit Stickstoff zur Kühlung beaufschlagt ist.

Der verdampfte Stickstoff wird schließlich über die Leitung 14 abgezogen.

Im Innenraum 91 des Kondensators und damit (über die Verbindungsleitung 6) auch im Innenraum 201 der Trommel wird bei offenem Regelventil 7 ein Vakuum über die Vakuumpumpe 13 erzeugt, welche über die Leitung 12 mit dem Innenraum 91 des Kondensators in Verbindung steht.

Im Betrieb wird die Außenwand 202 der Trommel 2 wahlweise mittels des Stickstoffs oder eines anderen Kältemittels gekühlt oder mittels des Heizstrahlers 102 aufgeheizt.

Das Sublimat bzw. der bei der Erwärmung freiwerdende Dampf gelangt durch die Verbindungsleitung 6 und das Regelventil 7 auf die Innenwand 10 des Kondensators 9, wo der Dampf gefriert. Nicht kondensierbare Bestandteile werden mittels der Vakuumpumpe 13 durch das Saugrohr 12 abgesaugt.

Flüssiger Stickstoff ist als kryogenes Kältemittel besonders geeignet, weil er inert und vergleichsweise billig ist. Stattdessen können auch andere kryogene Medien, wie Sauerstoff oder Argon, verwendet werden, wenn diese Medien beispielsweise in größerer Menge zum Betrieb anderer Einrichtungen zur Verfügung stehen.

Anwendungsbeispiel

Gefrostetes Eigranulat wird in die rotierende, evakuierte Trommel 2 eingegeben. Die Füllmenge beträgt 50% des Kammervolumens. Die Innenwand 202 ist vorher mit N₂ über das Regelventil 22 vorgekühlt, um ein Antauen des Gefriergutes zu vermeiden. Die Wandtemperatur wird über den Temperatur-Regler 23 geregelt. Über die Vakuumpumpe 13 und den Druckregler 8 wird ein Vakuum-Solldruck von 0,5 mbar eingestellt. Der Kondensator 9 wird vor dem Einschalten der Vakuumpumpe 13 über das Regelventil 16 und den Temperaturregler 17 mit N₂ auf eine Kondensator-Oberflächentemperatur von -60°C bis -90°C gekühlt und geregelt. Nach Einstellen des gewünschten Vakuumdrucks wird die Trommel in Rotation gebracht, um einen gleichmäßigen Wärmeübergang zwischen dem Gefriergut und der aufgeheizten Innenwand 202 zu ermöglichen. Die Beheizung erfolgt von außen über den Heizstrahler 3. Die Ist-Temperatur der Innenwand 202 wird mittels Temperaturaufnehmer 4 erfaßt und mittels Temperaturregler 5 geregelt. Die Soll-Temperatur liegt bei +40°C. Die Produkttemperatur wird über den Kammerdruck gesteuert. Das Regelventil 7 zwischen Trommel 2 und Kondensator 9 ermöglicht eine Eigendampfkondensation in der Trommel. Das Regelventil 7 wird unterhalb von 0,3 mbar geschlossen. Bei einem Schließen des Regelventils 7 kondensiert das erzeugte Sublimat zuerst an den noch kälteren Stellen im Produkt. Erst nach Erreichen eines Sublimatdruckes von 0,6 mbar wird das Ventil 7 geöffnet, und der Trommelinnendruck sinkt auf den Dampfdruck des Kondensators. Daraus resultiert ein pulsierender Druckverlauf.

Claims (11)

1. Verfahren zum Gefriertrocknen von gefrierfähigen, lösungsmittelhaltigen Produkten in einer rotierbaren Trommel, die heizbar ist und aus der aus den gefrorenen Produkten durch Sublimieren freigesetzter Dampf abziehbar ist, wobei die Trommel mit dem Gefriergut direkt befüllt und langsam rotiert wird, um einen gleichmäßigen Wärmeübergang zwischen dem Gefriergut und der Innenwand zu bewerkstelligen, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand (202) der Trommel (2) wahlweise mittels einer Heizvorrichtung (102), die in einem Ringraum (101) zwischen der Trommel (2) und einer die Trommel (2) umgebenden Kammer (1) vorgesehen ist, geregelt aufgeheizt, und mittels eines in den Ringraum (101) eingebrachten kryogenen Mediums gekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trommel (2) zwischen 0,1 bis 1 U/min. rotiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefriergut vor dem Gefriertrocknen unterhalb seiner eutektischen Temperatur durch Abkühlen der Innenwand (202) auf eine vorbestimmte Kühltemperatur eingefroren wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trommel (2) von außen mittels Stickstoff geregelt gekühlt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefriergut vor dem Befüllen der Trommel (2) auf eine Temperatur unterhalb der eutektischen Temperatur eingefroren wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Gefriergutes abhängig vom Kammerdruck geregelt wird.

7. Einrichtung zum Gefriertrocknen von gefrierfähigen, lösungsmittelhaltigen Produkten in einer rotierbaren, zylindrisch ausgebildeten Trommel, deren Innenraum direkt mit dem Gefriergut befüllbar ist, und in der die Produkte eingefroren werden oder in die die Produkte vorgefroren eingefüllt werden, mit einer Heizvorrichtung zum Erwärmen der gefrorenen Produkte und einer Evakuiervorrichtung zum Erzeugen eines Vakuumdrucks unterhalb des Sublimationsdruckes vom Lösungsmittel in der Trockenkammer und zum Abziehen von aus den gefrorenen Produkten durch Sublimieren freigesetztem Dampf, dadurch gekennzeichnet, daß die Trommel (2) konzentrisch in einer feststehenden Kammer (1) untergebracht ist, wobei in einen Ringraum (101) zwischen der Trommel (2) und der Kammer (1) ein kryogenes Medium geregelt einbringbar ist, und daß die Heizvorrichtung (102) in dem Ringraum (101) untergebracht und zum geregelten Heizen der Innenwand (202) der Trommel (2) auf eine vorbestimmte Temperatur eingerichtet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllmenge der Trommel (2) im Bereich von etwa 50% des Trommelvolumens liegt.

9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Evakuiervorrichtung (6-9, 13) eine an den Trommelinnenraum (201) angeschlossene Verbindungsleitung (6) aufweist, dessen Durchfluß mittels eines Regelventiles (7) abhängig vom Druck im Innenraum (201) einstellbar ist, sowie eine mit der Verbindungsleitung (6) über das Regelventil (7) kommunizierende Vakuumpumpe (13).

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung (6) in einen Kondensator (9) zum Ausfrieren des in der Trommel (2) sublimierten Dampfes mündet, wobei das Regelventil (7) zwischen Trommel (2) und Kondensator (9) angeordnet ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (102) ein Infrarot-Heizstrahler ist.