DE19719398A1

DE19719398A1 - Verfahren zur Steuerung eines Gefriertrocknungsprozesses

Info

Publication number: DE19719398A1
Application number: DE19719398A
Authority: DE
Inventors: Georg-Wilhelm Dr Oetjen; Peter Haseley; Hubert Kluetsch; Marion Leineweber
Original assignee: Amsco Finn Aqua GmbH
Current assignee: GEA Lyophil GmbH
Priority date: 1997-05-07
Filing date: 1997-05-07
Publication date: 1998-11-12
Also published as: DE59801008D1; ES2161532T3; EP0980503B1; DK0980503T3; WO1998050744A1; EP0980503A1; JP2001525049A; US6163979A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Gefriertrocknungsprozesses,

- bei dem eingefrorenes, in einer evakuierten Kammer auf temperierbaren Stellflächen befindliches Produkt zunächst einer Haupttrocknung und anschließend einer Nachtrocknung unterworfen wird,
- bei dem während der Haupttrocknung laufend die Temperatur des im zu trocknenden Produkt eingeschlossenen Eises gemessen wird und
- bei dem beim Übergang von der Haupttrocknung zur Nachtrocknung der Kammerdruck und/oder die Stellflächentemperatur verändert werden.

Die Gefriertrocknung ist ein Verfahren zur Entfernung des Wassers aus einem wasserhaltigen eingefrorenen Produkt, z. B. aus Pharmaka und Lebensmitteln. Das Verfahren wird im allgemeinen bei einem Luftdruck ausgeführt, der klein ist gegen den Wasserdampfdruck bei der gewählten Temperatur des Eises: z. B. entspricht eine Eistemperatur von -20°C einem Wasserdampfdruck (im Gleichgewicht) von 1,03 mbar. Damit der Wasserdampf von der Eisoberfläche in die Trockenkammer strömen kann, muß der Wasserdampfdruck in der Trockenkammer deutlich kleiner sein als 1,03 mbar. also z. B. 0,4 mbar. Zweckmäßig ist es deshalb, einen gegenüber diesem Druckwert kleinen Druck, z. B. 0,05 mbar, zu wählen. Die Gefriertrocknung findet üblicherweise in einer Kammer statt, in der sich temperierbare Stellflächen befinden und an die eine Evakuierungseinrichtung, z. B. ein mit einer Vakuumpumpe kombinierter Eiskondensator, angeschlossen ist.

Kennzeichnend für den Ablauf des Trocknungsprozesses sind im wesentlichen zwei Trocknungsphasen. Solange sich noch kristallisiertes (gefrorenes) Wasser in dem Produkt befindet, nennt man diesen Trockenabschnitt die Haupt- oder Sublimationstrocknung. Schließt man in dieser Phase der Trocknung die Absperrvorrichtung zwischen der Kammer und der Evakuierungseinrichtung für eine kurze Zeit (wenige Sekunden), stellt sich in der Kammer der Gleichgewichtswasserdampfdruck ein, der der herrschenden Eistemperatur entspricht. Aus dem Druckanstieg kann direkt auf die Eistemperatur geschlossen werden.

Dieses Verfahren zur Messung der Eistemperatur ist unter dem Begriff barometrische Temperaturmessung be kannt und in der DE-PS 10 38 988 beschrieben.

Solange noch festes Eis im Produkt vorhanden ist, d. h., während der Haupt trocknung, darf die Temperatur des Produktes bestimmte, meist weit unter 0°C gelegene Werte nicht überschreiten, um eine Beeinträchtigung der Qualität und/oder der Eigenschaften des Produktes zu vermeiden. Mit fortschreitender Trocknung werden die im Produkt vorhandenen Eiskerne immer kleiner. Im Bereich trockener Randzonen sind bereits höhere Temperaturen zulässig.

Liegt kein Wasser in Form von Eis mehr vor, ist das restliche Wasser am Trockenprodukt absorbiert oder auch mehr oder weniger fest gebunden. Die Entfernung dieses Wassers findet während der Nach- oder Desorptionstrocknung statt. Die in dieser Phase desorbierbare Wassermenge hängt von der Temperatur des Produkts, der Art der Wasserbindung und der jeweils noch vorhandenen Wassermenge ab. Die Nachtrocknung wird durch eine weitere Änderung der den Ablauf des Trocknungsprozesses bestimmenden physikalischen Bedingungen eingeleitet.

Aus der genannten DE-PS 10 38 988 ist ein Verfahren der eingangs erwähnten Art bekannt. Zur Bestimmung des Übergangs von der Haupttrocknung zur Nachtrocknung werden Messungen durchgeführt, die auf die Mittel zurückgreifen, die auch der Messung der Eistemperatur dienen. Dazu werden die Absperrzeiten, die bei der Messung der Eistemperatur nur wenige Sekunden betragen, wesentlich verlängert, und zwar auf zwei Minuten und mehr. Wenn sich nach Absperrzeiten dieser Größenordnung eine nahezu konstante Differenz zwischen dem Betriebsdruck und dem Sättigungsdampfdruck einstellt, dann kann davon ausgegangen werden, daß das feste Eis aus dem Gut vollständig entfernt worden ist, die Haupttrocknung also beendet ist. Die Stellflächentemperatur und der Druck können auf diejenigen Werte eingestellt werden, bei denen die Nachtrocknung stattfinden soll.

Nachteilig an dem beschriebenen Verfahren ist die erhebliche Verlängerung der Absperrzeit. Ist die Haupttrocknung noch nicht beendet, dann besteht die Gefahr, daß eine Verlängerung der Absperrzeit zu einer nicht mehr zulässigen Temperaturerhöhung des eishaltigen Gutes und damit zu seiner Zerstörung führt. In modernen Gefriertrocknungsanlagen für die Pharma-Industrie erreicht der Wert einer Charge bereits die Millionen-DM-Grenze. Gefährdungen des Produktes müssen deshalb unbedingt vermieden werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung eines Gefriertrocknungsprozesses der eingangs erwähnten Art vor zuschlagen, bei dem der Nachteil längerer Absperrzeiten zwischen Kammer und Evakuierungseinrichtung nicht mehr in Kauf genommen werden muß.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die den Übergang von der Haupttrocknung zur Nachtrocknung kennzeichnenden Änderungen des Druckes und/oder der Stellflächentemperatur in Abhängigkeit von Änderungen der Eistemperatur vorgenommen werden. Dieses Verfahren nutzt die Erscheinung aus, daß die während der Durchführung der Haupttrocknung gemessenen Eistemperatur-Werte während des Übergangs von Haupttrocknung zu Nachtrocknung kleiner werden. Diese offensichtlich nur scheinbare Änderung der Eistemperatur ist zwar geringfügig, kann jedoch mit Hilfe moderner Rechner exakt festgestellt werden. Da zur erfindungsgemäßen Steuerung des Gefriertrocknungsprozesses nur noch Messungen der Eistemperatur durchgeführt werden, welche lediglich kurze Absperrzeiten benötigen, besteht die Gefahr des Antauens des Produktes nicht mehr.

Während der Haupttrocknung werden die im Produkt vorhandenen Eiskerne immer kleiner. Häufig besteht nach der Ausbildung trockener Randzonen die Möglichkeit, bereits während der Haupttrocknung die Temperatur der Stellflächen zu erhöhen, ohne die Qualität des Produktes zu gefährden. Auch Änderungen der Trocknungsbedingungen dieser Art können erfindungsgemäß in Abhängigkeit von Änderungen der Eistemperatur vorgenommen werden.

Die während der Haupttrocknung gemessenen Werte der Eistemperatur ändern sich nur wenig. Es ist deshalb im Rahmen der Erfindung zweckmäßig, die Eistemperatur-Meßwerte jeweils mit den vorhergegangenen Meßwerten zu mitteln und zur Feststellung einer bestimmten Änderung der Eistemperatur laufend den höchsten der ermittelten Eistemperatur-Mittelwerte mit den jeweils aktuellen Werten der Eistemperatur zu vergleichen. Änderungen der Eistemperatur um beispielsweise 1,2 oder 3°C können nach diesem Verfahren eindeutig bestimmt werden.

Die Messung der Eistemperatur selbst erfolgt zweckmäßig nach der eingangs erwähnten barometrischen Temperaturmessung, d. h., daß aus dem Anstieg des Kammerdruckes, der nach einer Trennung der Kammer von ihrer Evakuierungseinrichtung eintritt, die Eistemperatur abgeleitet wird. Um entsprechend dem allgemeinen Ziel der vorliegenden Erfindung diese Absperrzeiten möglichst kurz zu halten, wird vorgeschlagen, folgendermaßen vorzugehen: Nach der Absperrung der Kammer von ihrer Evakuierungseinrichtung wird der ansteigende Kammerdruck laufend 10 bis einige 100 mal pro Sekunde gemessen. Diese Meßwerte werden einem Rechner zugeführt. Die in den ersten Sekunden gemessenen Werte des Druckanstiegs ergeben eine ansteigende, etwa S-förmige Kurve, d. h., eine Kurve mit einem Wendepunkt. Mit Hilfe des Rechners wird diese Kurve laufend differenziert, also die zeitliche Änderung des Druckes (dp/dt) überwacht. Es hat sich herausgestellt, daß die für eine ausreichend genaue Feststellung der Eistemperatur notwendige Messung des Druckanstiegs abgebrochen werden kann, wenn die Druckanstiegskurve ihren Wendepunkt erreicht hat, d. h., wenn die erste Ableitung dieser Kurve ihr Maximum erreicht. Zu diesem Zeitpunkt kann deshalb bereits die Absperrzeit beendet und die Verbindung zwischen Kammer und Evakuierungseinrichtung wieder hergestellt werden; damit ist eine Überschreitung der Eistemperatur ausgeschlossen.

Die laufende, kurzzeitige und relativ genaue Feststellung der Eistemperatur erlaubt es, sehr früh über die Meßgenauigkeit hinaus gehende Schwankungen der Eistemperatur festzustellen. Sind Schwankungen des Kammerdruckes oder der Stellflächentemperatur ausgeschlossen, dann deuten Schwankungen der Eistemperatur auf eine inhomogene Eisstruktur hin. Wärmeleitung und Wasserdampftransport sind unterschiedlich in Zonen mit sehr kleinen oder zusammengewachsenen großen Kristallen. Dieses gilt auch für während der Haupttrocknung kollabierte Produkte, da dann in einigen Zonen Wasser statt Eis vorhanden ist. Schwankungen der Eistemperatur können deshalb auf Fehler beim Einfrieren des Produkts oder auf zu hohe Stellflächen-Temperaturen hinweisen.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand der Fig. 1 bis 3 erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 schematisch eine Einrichtung zur Durchführung eines Gefrier trocknungsprozesses,

Fig. 2 ein Diagramm, das den Ablauf eines Gefriertrocknungsprozesses erkennen läßt und

Fig. 3 ein weiteres Diagramm zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Feststellung der Eistemperatur.

Die in Fig. 1 dargestellte Gefriertrocknungs-Einrichtung umfaßt die Kammer 1 mit ihren Stellflächen 2 und den daran angeschlossenen Kondensator 3 mit seinen Kondensationsflächen 4. Auf den Stellflächen 2 befinden sich Behälter (Fläschchen 5) mit gefrierzutrocknendem Produkt. Die Stellflächen 2 sind temperierbar. Sie sind Bestandteil eines Temperierkreislaufs 6 mit Förderpumpe 7 und Kältemaschine 8. Während der Heizphase wird die Kältemaschine abgeschaltet und das Kühl-/Heiz-Medium elektrisch geheizt (Heizung 9). Eine dem Verschluß der Fläschchen 5 innerhalb der Kammer 1 und nach der Durchführung der Trocknung dienende Apparatur ist generell mit 10 bezeichnet.

Zwischen Kammer 1 und Kondensator 3 befindet sich das Ventil 11, das mit Hilfe des Antriebs 12 betätigt wird. Dem Kondensator 3 nachgeordnet ist der Vakuumpumpsatz 14.

Zur Steuerung des Ablaufs des Gefriertrocknungsprozesses sind Steuermittel vorgesehen. Einer zentralen Steuerung 16 werden laufend Informationen über den Druck in der Kammer 1 und über die Temperatur der Stellflächen 2 zugeführt. Dazu dienen Druck- und Temperatur-Sensoren 17, 18. Nur ein Temperatur-Sensor 18 im Temperierkreislauf 6 ist dargestellt. Zweckmäßiger ist es, wenn der Austritt jeder der Stellflächen 2 mit einem Temperatursensor ausgerüstet ist.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel steht die Steuerung 16 mit dem Vakuumpumpsatz 14, dem Kältemittelverdampfer 8 und dem Antrieb 12 des Ventils 11 in Verbindung. Die Drucksteuerung in der Kammer 1 erfolgt durch Zu- und Abschalten des Vakuumpumpsatzes 14 oder durch gesteuerten Einlaß von Inertgas. Die Stellflächentemperatur wird mit Hilfe der Kältemaschine 8 bzw. der Heizung 9 eingestellt. Mit Hilfe der Steuerung 16 wird auch das Absperrventil 11 betätigt, um in an sich bekannter Weise die Eistemperatur zu messen.

Der Steuerung 16 zugeordnet ist der Rechner 21, dem ebenfalls die vom Drucksensor 17 gelieferten Signale zugeführt werden. Im Rechner 21 wird - wie weiter vorne beschrieben - die zeitliche Änderung des Druckes (dp/dt) nach einer Absperrung des Ventils 11 laufend überwacht. Unmittelbar nach dem Überschreiten des Maximums dieses Wertes erhält die Steuerung 16 das Signal, die Absperrzeit zu beenden.

Das Diagramm nach Fig. 2 läßt den zeitlichen Ablauf eines Beispieles für einen Gefriertrocknungsprozeß erkennen. In y-Richtung sind Stellflächen-Tem peratur-Werte und Druck-Werte angegeben. Die gestrichelte Kurve 23 gibt den Verlauf des Kammerdruckes wieder. Die punktierte Linie 24 zeigt den Verlauf der Stellflächentemperatur. Die ausgezogene Linie 25 läßt die laufend gemessenen Eistemperatur-Werte erkennen. Schließlich gibt die strichpunktierte Linie 26 eine mittlere Produkt-Temperatur an.

Ein Gefriertrocknungsprozeß der dargestellten Art beginnt mit dem Einbringen des gefrorenen Produktes in die Kammer 1. Danach werden die Kammer evakuiert und die Stellflächen auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt. Es stellt sich ein thermodynamisches Gleichgewicht ein, bei dem die Haupttrocknung stattfindet. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel dauert die Haupttrocknung ca. 48 Stunden. In dieser Zeit wird der Steuerdruck (Kurve 23) auf einem bestimmten Druck gehalten. Die Stellplatten-Tem peratur (Kurve 24) wird ebenfalls auf bestimmte Werte eingestellt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt nach 24 Stunden bereits eine Erhöhung der Stellflächentemperatur. Nach dem Absinken der Eistemperatur wird die Drucksteuerung abgeschaltet. Die Stellflächentemperatur wird weiterhin erhöht. In dieser Phase der Nachtrocknung können Steuerung 16 und Rechner 21 dazu verwendet werden, die Restfeuchte zu ermitteln. Dieses geschieht zweckmäßig nach einem Verfahren, wie es in der Internationalen Patentanmeldung WO 96/25654 beschrieben ist.

Erfindungsgemäß werden die Änderungen des Kammerdruckes und der Stellflächentemperatur in Abhängigkeit von Änderungen der Eistemperatur vorgenommen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel werden die die Nachtrocknung kennzeichnenden Werte des Druckes und der Stellflächentemperatur dann vorgenommen, wenn sich die Eistemperatur gegenüber einem höchsten Mittelwert um mehr als 2 bis 3°C geändert hat. Auch die Erhöhung der Stellflächentemperatur während der Haupttrocknung kann in Abhängigkeit von Änderungen der Eistemperatur vorgenommen werden. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel geschieht dieses, wenn sich die Eistemperatur gegenüber dem höchsten Mittelwert um mehr als 1°C geändert hat.

Fig. 3 ist ein Diagramm, in dem die ausgezogene Kurve 28 den Anstieg des Druckes darstellt, der nach der Absperrung des Ventils zwischen Kammer 1 und Kondensator 3 erfolgt. Diese Kurve wird vom Rechner 21 laufend differenziert (gestrichelte Kurve 29). Dadurch ist es möglich, laufend die zeitliche Änderung des Kammerdruckes festzustellen. Wie bereits beschrieben, kann die Messung abgebrochen werden, wenn die zeitliche Änderung des Druckes ein Maximum überschreitet.

Claims

1. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Gefriertrocknungsprozesses,

- bei dem eingefrorenes, in einer evakuierten Kammer auf temperier baren Stellflächen befindliches Produkt zunächst einer Haupt trocknung und anschließend einer Nachtrocknung unterworfen wird,
- bei dem während der Haupttrocknung laufend die Temperatur des im zu trocknenden Produkt eingeschlossenen Eises gemessen wird und
- bei dem beim Übergang von der Haupttrocknung zur Nachtrocknung der Kammerdruck und/oder die Stellflächentemperatur verändert werden,
dadurch gekennzeichnet,
- daß die den Übergang von der Haupttrocknung zur Nachtrocknung kennzeichnenden Änderungen des Druckes und/oder der Stell flächentemperatur in Abhängigkeit von Änderungen der Eistempe ratur vorgenommen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß auch während der Haupttrocknung Kammerdruck und/oder Stellflächentemperatur verändert werden und daß Änderungen dieser Art ebenfalls in Abhängigkeit von Änderungen der Eistemperatur vorgenommen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eistemperatur-Meßwerte jeweils mit den vorhergegangenen Meßwerten gemittelt werden und daß zur Feststellung einer bestimmten Änderung der Eistemperatur laufend der höchste der ermittelten Eistempera tur-Mittelwerte mit den aktuellen Werten der Eistemperatur verglichen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Eistemperatur laufend Messungen eines Druckanstiegs durchgeführt werden, welcher nach einer Absperrung der Kammer von ihrer Evakuierungseinrichtung stattfindet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Absperrung der Kammer von ihrer Evakuierungseinrichtung der Kammerdruck laufend gemessen und diese Meßwerte einem Rechner zugeführt werden, daß der Rechner laufend die zeitliche Änderung des Druckes (dp/dt) feststellt und daß die Druckanstiegsmessung beendet und gleichzeitig die Verbindung zwischen Kammer und Evakuierungseinrichtung wieder hergestellt wird, wenn die zeitliche Änderung des Druckes ein Maximum erreicht hat.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Übergang von der Haupttrocknung zur Nachtrocknung die noch im zu trocknenden Produkt vorhandene Restfeuchte ermittelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Restfeuchte das aus der Internationalen Patentanmeldung WO 96/25654 bekannte Verfahren angewendet wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Steuerung eines Gefriertrocknungsprozesses nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mit einem Rechner (21) ausgerüstet ist und daß eine Steuerung (16) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von vom Rechner (21) gelieferten Werten den Druck in der Kammer (1) und/oder die Temperatur der Stellflächen (2) verändert.