DE60010492T2

DE60010492T2 - Verwendung von Hydrofluorethern als Wärmeübertragungsfluids in Niedertemperaturprozessen, welche Sterilisation benötigen

Info

Publication number: DE60010492T2
Application number: DE60010492T
Authority: DE
Inventors: E. Phillip TUMA
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 1999-10-08
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2020-09-30
Also published as: WO2001027216A1; AU7989500A; DE60010492D1; EP1220880A1; US6303080B1; EP1220880B1

Description

Diese Erfindung betrifft Wärmeübertragungsfluide. Diese Erfindung betrifft genauer Hydrofluorether als Wärmeübertragungsfluide in Niedertemperaturverfahren, die der Hochtemperatursterilisation (z. B. Dampf) bedürfen.
Eine Niedertemperaturverarbeitung kann im Allgemeinen als eine Dehydratisierung, eine chemische Umsetzung, eine biologische Reaktion, usw. beschrieben werden, welche in einem Gefäß oder in einer Kammer bei Temperaturen in einem Bereich von etwa –80 °C bis etwa 0 °C stattfindet. Die Niedertemperaturverfahren, die in der vorliegenden Erfindung von besonderem Interesse sind, finden in einem Gefäß oder in einer Kammer statt, die am Ende des Niedertemperaturverarbeitens einer Sterilisation (oder eines Hochtemperaturverfahrens) bedürfen. Beispiele von solchen Kammern schließen eine Vakuumkammer für Gefriertrocknen und einen chemischen oder biologischen Reaktor ein, sind aber nicht darauf eingeschränkt.
Gefriertrocknen kann im Allgemeinen als ein Verfahren von Dehydratisierung oder von Wasserabtrennung von einem Produkt, welches biologische Materie oder chemische Materie enthält, beschrieben werden. Das Produkt wird gefroren und dann einem hohen Vakuum ausgesetzt. Das Wasser verdampft ohne zu schmelzen (sublimiert), wobei nicht-wässrige Komponenten zurückbleiben.
Im Allgemeinen erfordert ein Gefriertrocknungs-System mindestens vier Komponenten: eine Vakuumkammer, einen Kondensatorkühler, eine Vakuumpumpe und eine Einrichtung zur Bereitstellung der Sublimationswärme für das Produkt, welches getrocknet wird, oder eine Einrichtung zur Wärmeübertragung. Diese Wärmeübertragungseinrichtung kann eine Einrichtung zum Erwärmen und eine Einrichtung zum Kühlen umfassen. Die Vakuumkammer enthält typischerweise eine Reihe von dünnen Edelstahlgestellen. Produkt, zum Beispiel in Behältern, wird auf diesen Gestellen platziert. Der Kondensatorkühler wird zur Entfernung des sublimierten Wasserdampfes verwendet. Die Pumpe ist typischerweise eine Vakuumpumpe mit hoher Kapazität. Das Gefriertrocknungs-System umfasst typischerweise ein Sterilisationsverfahren, insbesondere für pharmazeutische Anwendungen.
Gefriertrocknungs-Systeme arbeiten in einem Bereich von Temperaturen, aber im Allgemeinen wird das Produkt vor der Dehydratisierung vollständig gefroren. Der Gefrierpunkt des Produkts kann weit unter dem Gefrierpunkt von Wasser liegen. Zum Beispiel kann der Gefrierpunkt des Produkts bei nur etwa –50 °C liegen oder die Arbeitstemperatur kann bei nur –50 °C liegen.
Wenn Sterilisation erwünscht ist, kann das Gefriertrocknungs-System auch bei Temperaturen um etwa 121 °C bis etwa 130 °C bei Atmosphärendruck arbeiten (d. h. bei der Temperatur für gesättigten Hochdruckdampf, welcher oft für Sterilisation verwendet wird).
Während einer Dehydratisierung wird ein Wärmeübertragungsfluid durch Durchflüsse in den Gestellen der Vakuumkammer gepumpt, wobei die Sublimationswärme für das Produkt, welches getrocknet wird, bereitgestellt wird. Folgend dem Trocknen wird das Produkt aus dem Behälter entfernt und die Vakuumkammer kann dann sterilisiert werden. Wie erörtert, wird typischerweise ein Hochtemperaturdampf (121 °C bis 130 °C Sättigungstemperatur) für dieses Sterilisationsverfahren verwendet. Wenn das Wärmeübertragungsfluid in den Drchflüssen während diesem Sterilisationsverfahren siedet, kann der Systemdruck auf ein Niveau ansteigen, bei welchem die Gestelle (welche typischerweise dünn sind, um eine ausreichende Wärmeübertragung sicherzustellen) beschädigt werden. Folglich ist die Auswahl des Wärmeübertragungsfluids kritisch.
Die in solchen Anwendungen verwendeten Wärmeübertragungsfluide sind typischerweise Flüssigkeiten mit niedrigen Viskositäten bei niedrigeren Temperaturen (d. h. –50 °C für die Gestelle und –80 °C für das Kondensatorkühler-System), welche aber bei der höchsten Arbeitstemperatur für das System (welche typischerweise während der Sterilisation auftritt) ohne weiteres in der flüssigen Phase bleiben. Wünschenswerte Wärmeübertragungsfluide für Gefriertrocknungs-Anwendungen sind auch korrosionsinaktiv, nicht toxisch und nicht entflammbar.
Polydimethylsiloxane (Silikonöle) weisen einen geeignet großen Flüssigkeitsbereich auf und werden oft beim Gefriertrocknen verwendet. Das mittlere Molekulargewicht des Silikonöls kann derart gewählt werden, dass es bei Temperaturen von nur –80 °C gut arbeitet. Bei dieser Temperatur kann das Wärmeübertragungsfluid durch Durchflüsse in den Gestellen oder im Kondensatorkühler gepumpt werden. Ein solches Silikonöl weist einen Siedepunkt von wesentlich über 130 °C bei Atmosphärendruck auf, wodurch so während dem Sterilisationsverfahren die Durchflüsse mit Wärmeübertragungsfluid gefüllt gehalten werden können, ohne die Gefahr des Siedens des Wärmeübertragungsfluids und des Hervorrufens von erhöhtem Systemdruck und sich ergebendem Eigenbruch. Silikonöle scheinen in idealer Weise für diesen Typ von Anwendung geeignet zu sein. Jedoch sind sie entflammbar. Es gab Vorfälle mit Feuer, welche durch Silikonöl verursacht wurden, und solche Feuer können sowohl Millionen von Dollar kosten als auch zu Verletzung führen.
Wie es beim Gefriertrocknen der Fall ist, weist das Wärmeübertragungsfluid bevorzugt während chemischen oder biologischen Niedertemperaturverfahren gute Niedertemperatur-Wärmeübertragungscharakteristiken auf. Typischerweise wird das Wärmeübertragungsfluid durch eine Reaktorummantelung zum Erwärmen, Kühlen oder zur Temperaturkontrolle gepumpt. Zur Vereinfachung von Handhabung und Sicherheit ist dieses Fluid bevorzugt nicht toxisch und nicht entflammbar. Das Wärmeübertragungsfluid weist ähnliche Temperatureinschränkungen auf (d. h. geeignet bei Niedertemperaturverarbeitungstemperaturen und bei Hochtemperatursterilisationstemperaturen).
Fluorierte organische Verbindungen, wie Perfluorkohlenstoffe (PFCs), Perfluorpolyether (PFPEs), Hydrofluorkohlenstoffe (HFCs), Chlorfluorkohlenstoffe (CFCs), Hydrochlorfluorkohlenstoffe (HCFCs) und Hydrohalogenfluorether (HHFEs) oder Gemische davon, sind im Allgemeinen nicht toxisch und nicht entflammbar. Die Verbindungen mit niedrigerem Molekulargewicht neigen zu guten Niedertemperatur-Wärmeübertragungseigenschaften. Außerdem sind fluorierte organische Verbindungen korrosionsinaktiv und thermisch stabil.
Jedoch neigen einige dieser fluorierten organischen Verbindungen, wie HFCs, HCFCs und HHFEs, nicht dazu, realisierbare Kandidaten als Wärmeübertragungsfluide darzustellen, da entweder deren Siedepunkte zu niedrig (was zu übermäßigem Wärmeübertragungs-Systemdruck bei hohen Temperaturen führt) oder deren Gefrierpunkte zu hoch sind (was zum Gefrieren oder zu hoher Viskosität bei niedrigen Temperaturen führt). Kandidaten, die zum Beispiel bei 130 °C flüssig sind oder die bei dieser Temperatur akzeptable Dampfdrucke aufweisen, neigen dazu, bei –80 °C fest oder stark viskos zu sein, und können deshalb nicht verwendet werden. In ähnlicher Weise neigen Kandidaten, welche zum Beispiel bei –80 °C gut arbeiten, dazu, niedrigere Siedepunkte aufzuweisen, was zu übermäßigen Dampfdrucken führt, wodurch ihre Verwendung bei 130 °C verhindert wird. Typischerweise werden diese Fluide nicht in herkömmlichen Konstruktionen verwendet, da, um das Fluid in dem ganzen System/Gerät und im ganzen Arbeitstemperaturbereich in einem flüssigen Zustand zu halten, das Wärmeübertragungs-System unter Verwendung ei nes komprimierten Gases, wie Luft oder Stickstoff, typischerweise einem Druck über dem Fluidsättigungsdruck ausgesetzt wird. Dieser Druck gefährdet die Integrität von bestimmten Komponenten in dem Gerät, es sei denn, sie sind nach strengeren Konstruktionsrichtlinien gebaut, was zusätzliche Kosten verursacht und die Leistung beeinflussen kann.
Andere fluorierte organische Verbindungen, wie PFCs und PFPEs, weisen lange Lebensdauern bei Atmosphärendruck und/oder ein hohes Potential für globale Erwärmung auf. CFCs können wegen Bedenken aufgrund Ozonschwunds nicht länger kommerziell hergestellt werden.
Folglich besteht der Bedarf für ein Wärmeübertragungsfluid für Niedertemperaturverfahren, die der Hochtemperatursterilisation bedürfen, welches gute Wärmeübertragungseigenschaften bei niedrigen Temperaturen, Korrosionsinaktivität, Nicht-Entflammbarkeit, niedrige Toxizität und gute Umwelteigenschaften aufweist und bei Sterilisationstemperaturen nicht siedet.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Gerät und ein Verfahren zur Verwendung von bestimmten Hydrofluorethern (HFEs) als Wärmeübertragungsfluide für Niedertemperaturverarbeitung bereit, wobei die Kammer einer darauffolgenden Sterilisation bedarf. Die Wärmeübertragungsfluide der vorliegenden Erfindung weisen gute Niedertemperatur-Wärmeübertragungseigenschaften, Korrosionsinaktivität, Nicht-Entflammbarkeit, niedrige Toxizität und gute Umwelteigenschaften (sowohl. ein niedriges Potential für globale Erwärmung als auch kein Ozonschwund) auf. Die HFEs der vorliegenden Erfindung weisen einen großen Flüssigkeitsbereich auf, mit Siedepunkten bei Atmosphärendruck von höher als etwa 121 °C; oder alternativ mit einem Dampfdruck bei 121 °C von unter zwei Atmosphären, mit Gefrierpunkten von niedriger als etwa –50 °C; und mit Viskositäten von weniger als etwa 50 cSt über den gesamten Arbeitstemperaturbereich. Folglich sind sie in idealer Weise als Wärmeübertragungsfluide in herkömmlichen Niedertemperaturverfahren, die der Hochtemperatursterilisation bedürfen, wie Gefriertrocknern, geeignet.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Gerät für Niedertemperaturverarbeitung und Hochtemperatursterilisation bereit, welches umfasst: ein Produkt; ein Wärmeübertragungsfluid vom Hydrofluorethertyp, welches während Niedertemperaturverarbeitung und während Sterilisation flüssig ist; und eine Kammer, die der Sterilisation bedarf, welche einen oder mehrere Durchgang(gänge) für das Wärmeübertragungsfluid umfasst; wobei während der Sterilisation der Kammer das Wärmeübertragungsfluid in dem(den) Durchgang(gängen) verbleibt.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Sterilisieren einer Niedertemperaturverarbeitungskammer, umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen einer Kammer, umfassend einen oder mehrere Durchgang(gänge); (b) Bereitstellen einer Einrichtung zur Niedertemperaturverarbeitung in der Kammer; (c) Bereitstellen eines Produkts, das der Niedertemperaturverarbeitung bedarf; (d) Bereitstellen einer Einrichtung zum Sterilisieren der Kammer; (e) Bereitstellen eines Wärmeübertragungsfluids vom Hydrofluorethertyp in dem(den) Durchgang(gängen), das während der Niedertemperaturverarbeitung und während der Sterilisation flüssig ist; (f) Verarbeiten des Produkts unter Verwendung der Niedertemperaturverarbeitungseinrichtung; (g) Gestatten, dass das Wärmeübertragungsfluid in dem(den) Durchgang(gängen) verbleibt; (h) Sterilisieren der Kammer; (i) Vervollständigen der Sterilisation der Kammer; und (j) Gestatten, dass die Kammer abkühlt.
1 ist ein Schema eines Gerätes 10 der vorliegenden Erfindung, welches eine Kammer 12 mit Durchgängen 13, einen thermischen Fluidkonditionierer 18 und eine Pumpe 14 umfasst.
2 ist ein Schema eines Gerätes 20 der vorliegenden Erfindung, welches eine Kammer 22 mit Durchgängen 23, einen thermischen Fluidkonditionierer 28 und eine Pumpe 24 umfasst.
3 ist ein Schema eines Gerätes 30 der vorliegenden Erfindung, welches eine adiabatische Einhausung 34, die Temperierschlangen 33 umfasst, und eine Kühlvorrichtung 31 umfasst.
4 ist ein Graph, welcher für Wärmeübertragungsfluide die Wärmekapazität gegen die Pumpenleistung veranschaulicht.
Diese Figuren sind nicht maßstabsgetreu und mit ihnen ist nur eine Veranschaulichung und keine Einschränkung beabsichtigt.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Gerät und ein Verfahren für Niedertemperaturverarbeitung unter Verwendung von ausgewählten HFEs als Wärmeübertragungsfluide bereit. Das Gerät der vorliegenden Erfindung umfasst eine Kammer, ein Wärmeübertragungs-System oder einen thermischen Fluidkonditionierer und eine Pumpe.
Die Kammer der vorliegenden Erfindung wird nach der Vollendung der Niedertemperaturverarbeitung sterilisiert. Sterilisation ist hier als ein Verfahren (z. B. Hochtemperaturdampf) zur Abtötung von Mikroorganismen, welche die Kammer kontaminieren können, und zur Entfernung von restlicher biologischer Materie vom vorausgehenden Zyklus in einer biologischen Anwendung definiert.
Gegebenenfalls kann das Gerät zudem Systeme zum Verschließen oder Abdecken, ein automatisiertes Reinigungssystem (z. B. mehrfache Hochdruck-Sprühdüsen, usw.), ein Verfahrenskontrollsystem, eine Reihe von Kondensatorkühlern, zusätzliche Pumpen, eine Ausdehnungsvorrichtung, usw: umfassen.
Produkt
Das Produkt der vorliegenden Erfindung ist im Allgemeinen ein biologisches oder ein chemisches Material, welches bei einer niedrigen Temperatur, zum Beispiel von etwa –80 °C bis etwa 0 °C, verarbeitet wird. Das Produkt der vorliegenden Erfindung wird in einer sterilen Umgebung verarbeitet. Ein Beispiel eines solchen Materials ist ein gefriergetrocknetes Arzneimittel, Lebensmittel, biologisches Material, parenterales (injizierbares) Material oder Abgabesysteme für solche Materialien. Das Produkt kann direkt in die Kammer gegeben werden, oder das Produkt kann alternativ zuerst in ein Fläschchen oder einen Behälter gegeben werden, welcher dann in die Kammer gegeben wird.
Wärmeübertragungsfluid
Wie vorstehend erörtert, verwendet die vorliegende Erfindung ein flüssiges Wärmeübertragungsfluid vom Hydrofluorethertyp. Das Wärmeübertragungsfluid wird zum Erwärmen, Kühlen und/oder Aufrechterhalten einer Temperatur während dem Verarbeiten verwendet. Das Wärmeübertragungsfluid ist inert, nicht entflammbar, nicht wässrig und umweltverträglich. Außerdem weist das Wärmeübertragungsfluid der vorliegenden Erfindung gute Wärmeübertragungseigenschaften bei niedrigen Temperaturen (z. B. bei etwa –80 °C bis etwa 0 °C) auf. Um eine ausreichende Wärmeübertragungsleistung und handhabbare Pumpleistungsanforderungen zu erhalten, liegt die Viskosität des Wärmeübertragungsfluids im gesamten Arbeitstemperaturbereich unter etwa 50 cSt. Bevorzugt liegt die Viskosität in diesem gesamten Bereich unter etwa 30 cSt.
Das Wärmeübertragungsfluid ist bevorzugt nicht entflammbar, was hier als ein Flammpunkt von höher als etwa 140 °F (etwa 60 °C) definiert ist.
Das Wärmeübertragungsfluid hat bei Atmosphärendruck einen Siedepunkt von höher als 121 °C oder weist alternativ einen Dampfdruck bei 121 °C von unter 2 Atmosphären auf; hat einen Gefrierpunkt von niedriger als etwa –50 °C, bevorzugt niedriger als etwa –80°C; und weist eine Viskosität von weniger als etwa 50 cSt im gesamten Arbeitstemperaturbereich auf.
Die Wärmeübertragungsfluide der vorliegenden Erfindung sind Hydrofluorether (HFEs). HFEs weisen eine Kombination von guter Wärmeübertragungsleistung über einen großen Flüssigkeitstemperaturbereich zusammen mit optimalen Sicherheits- (Nicht-Entflammbarkeit und niedrige Toxizität) und Umwelt- (kein Ozonschwund und niedrige globale Erwärmung) -Eigenschaften auf. HFEs sind chemische Verbindungen oder Gemische von solchen Verbindungen, die Kohlenstoffatome, Fluoratome, Wasserstoffatome, ein oder mehrere Ether-Sauerstoffatom(e) und gegebenenfalls ein oder mehrere zusätzliches) Heteroatom(e) im Kohlenstoffgerüst in Catena-Struktur (d. h. in der Kette), wie sechswertigen Schwefel oder dreiwertigen Stickstoff, enthalten. Die HFEs können geradkettig, verzweigtkettig oder cyclisch sein, oder eine Kombination davon, wie alkylcycloaliphatisch, sein. Bevorzugt ist es, wenn die HFEs frei von Ungesättigtheit sind. Diese hoch fluorierten Ether können durch Formel I aufgezeigt werden: (R₁-O)_n-R₂ (I) wobei n eine Zahl von 1 bis einschließlich 3 ist und R₁ und R₂ gleich oder verschieden voneinander sind und aus Alkyl-, Aryl- und Aralkylresten ausgewählt sind. Mindestens eines von R₁ und R₂ enthält mindestens ein Fluoratom, mindestens eines von R₁ und R₂ enthält mindestens ein Wasserstoffatom, und bevorzugt gleicht die Gesamtzahl an Fluoratomen in der HFE-Verbindung mindestens der Gesamtzahl an Wasserstoffatomen. R₁ und R₂ können geradkettig, verzweigt oder cyclisch sein und können ein oder mehrere zweiwertige Sauerstoff- oder dreiwertige Stickstoffatome in der Kette enthalten. Die Anzahl an Kohlenstoffatomen in dem Hydrofluorether liegt im Bereich von etwa 6 bis etwa 12.
Bevorzugte HFEs schließen ein: (1) segregierte HFEs, wobei Ether-gebundene Alkyl- oder Alkylen-, usw. -Segmente des HFE entweder perfluoriert (z. B. Perfluorkohlenstoffj oder nicht fluoriert (z. B. Kohlenwasserstoff), aber nicht teilweise fluoriert sind; und (2) nicht segregierte HFEs, wobei mindestens eines der Ether-gebundenen Segmente weder perfluoriert noch frei von Fluoratomen, sondern teilweise fluoriert ist (d. h. ein Gemisch an Fluor- und Wasserstoffatomen enthält).
Segregierte HFEs schließen HFEs ein, welche mindestens eine mono-, di-, oder trialkoxysubstituierte Verbindung vom Typ Perfluoralkan-, Perfluorcycloalkan-, Perfluorcycloalkylenthaltendes Perfluoralkan, oder Perfluorcycloalkylen enthaltendes Perfluoralkan umfassen. Segregierte HFEs sind zum Beispiel in PCT Veröffentlichungs-Nr. WO 96/22356 beschrieben und können nachstehend in Formel II dargestellt werden: R_f-(O-R_h)_x (II)wobei:
x von 1 bis etwa 3 ist, und R_f ein perfluorierter Kohlenwasserstoffrest mit einer Valenz x ist, der geradkettig, verzweigt oder cyclisch, usw. sein kann, und bevorzugt 4 bis etwa 11 Kohlenstoffatome enthält, und stärker bevorzugt 5 bis etwa 10 Kohlenstoffatome enthält;
jedes R_h unabhängig voneinander ein geradkettiger oder verzweigter Alkylrest mit 1 bis etwa 3 Kohlenstoffatomen ist;
wobei einer oder beide der Reste R_f und R_h gegebenenfalls ein oder mehrere Sauerstoff- und/oder Stickstoff-Heteroatome in der Kette enthalten können; und
wobei die Summe der Anzahl an Kohlenstoffatomen im Rest R_f und im(in den) Resten) R_h bevorzugt zwischen etwa 6 und etwa 12 beträgt.
Bevorzugt hat x die Bedeutung 1. Stärker bevorzugt schließen Reste Rf geradkettige und verzweigte
C₅F₁₁-Isomere; geradkettige und verzweigte C₆F₁₃-Isomere; geradkettige und verzweigte C₇F₁₅-Isomere; Perfluorcyclohexyl; Perfluoralkylcyclohexyl; Perfluorcyclohexylalkyl; Perfluoralkylcyclohexylenalkyl; Perfluoralkoxycyclohexylenalkyl; Perfluormorpholinoalkyl; Perfluorpiperidinylalkyl; Perfluortetrahydrofuranylalkyl ein, und bevorzugte Reste Rh schließen Methyl und Ethyl ein.
Repräsentative, durch Formel II beschriebene Verbindungen, welche in der vorliegenden Erfindung nützlich sind, schließen die folgenden Verbindungen und Gemische davon ein, sind aber nicht darauf eingeschränkt:

n-C₅F₁₁OC₂H₅
n-C₆F₁₃OCH₃
n-C₆F₁₃OC₂H₅
n-C₇F₁₅OCH₃
n-C₇F₁₅OC₂H₅
C₂F₅CF(OC₂H₅)CF(CF₃)₂
C₃F₇CF(OC₂H₅)CF(CF₃)₂
C₃F₇CF(OCH₃)CF(CF₃)₂
C₅F₁₁CF(CF₃)CF₂OCH₃
C₆F₁₃CF(CF₃)CF₂OCH₃
CH₃OC₄F₈OCH₃

Besonders bevorzugte Verbindungen nach Formel II sind jene segregierten HFEs, welche bei Atmosphärendruck Siedepunkte von höher als 121 °C aufweisen, wodurch so der Bedarf für ein unter Druck setzen während dem Sterilisationsverfahren offensichtlich wird. Diese besonders bevorzugten segregierten HFEs schließen die folgenden Verbindungen ein, sind aber nicht darauf eingeschränkt:

n-C₇F₁₅OC₂H₅
C₃F₇CF(OC₂H₅)CF(CF₃)₂
C₅F₁₁CF(CF₃)CF₂OCH₃
C₆F₁₃CF(CF₃)CF₂OCH₃

Segregierte, durch Formel II beschriebene Hydrofluorether können hergestellt werden über Alkylierung von perfluorierten Alkoxiden, welche über die Umsetzung eines entsprechenden perfluorierten Acylfluorids oder perfluorierten Ketons mit einem wasserfreien Alkalimetallfluorid (z. B. Kaliumfluorid oder Cäsiumfluorid) oder einem wasserfreien Silberfluorid in einem wasserfreien polaren aprotischen Lösungsmittel hergestellt werden. (Siehe z. B. die präparativen Verfahren, welche im Französischen Patent mit der Veröffentlichungs-Nr. 2 287 432 und im Deutschen Patent mit der Veröffentlichungs-Nr. 1 294 949 beschrieben werden). Alternativ kann man einen fluorierten tertiären Alkohol mit einer Base (z. B. Kaliumhydroxid oder Natriumhydroxid) umsetzen, um ein perfluoriertes tertiäres Alkoxid herzustellen, welches dann über Umsetzung mit einem Alkylierungsmittel alkyliert werden kann, wie im U.S. Patent Nr. 5,750,797 beschrieben.
Geeignete Alkylierungsmittel zur Verwendung bei der Herstellung von segregierten Hydrofluorethern schließen Dialkylsulfate (z. B. Dimethyl- und Diethylsulfate), Alkylhalogenide (z. B. Methyl- und Ethyliodide), Alkyl-p-toluolsulfonate (z. B. Methyl-p-toluolsulfonat), Alkylperfluoralkansulfonate (z. B. Methylperfluormethansulfonat) und dergleichen ein. Geeignete polare aprotische Lösungsmittel schließen acyclische Ether, wie Diethylether, Ethylenglycoldimethylether und Diethylenglycoldimethylether; Carbonsäureester, wie Methylformiat, Ethylformiat, Methylacetat, Diethylcarbonat, Propylencarbonat und Ethylencarbonat; Alkylnitrite, wie Acetonitril; Alkylamide, wie N,N-Dimethylformamid, N,N-Diethylformamid und N-Methylpyrrolidon; Alkylsulfoxide, wie Dimethylsulfoxid; Alkylsulfone, wie Dimethylsulfon, Tetramethylensulfon und andere Sulfolane; Oxazolidone, wie N-Methyl-2-oxazolidon; und Gemische davon ein.
Geeignete perfluorierte Acylfluoride können über elektrochemische Fluorierung (ECF) der entsprechenden Kohlenwasserstoff-Carbonsäure (oder eines Derivates davon) unter Verwendung von entweder wasserfreiem Fluorwasserstoff (Simons ECF) oder KF₂·HF (Phillips ECF) als der Elektrolyt hergestellt werden. Perfluorierte Acylfluoride und perfluorierte Ketone können auch über Dissoziation von perfluorierten Carbonsäureestern (welche aus den entsprechenden Kohlenwasserstoff- oder teilweise fluorierten Carbonsäureestern über direkte Fluorierung mit Fluorgas hergestellt werden können) hergestellt werden. Eine Dissoziation kann über in Kontakt bringen des perfluorierten Esters mit einer Fluoridionen-Quelle unter Reaktionsbedingungen (siehe das im U.S. Patent Nr. 3,900,372 (Childs) beschriebene Verfahren) oder über Kombinieren des Esters mit mindestens einem Initiator, ausgewählt aus gasförmigen Nichthydroxyl-Nucleophilen; flüssigen Nichthydroxyl-Nucleophilen; und Gemischen von mindestens einem Nichthydroxyl-Nucleophil (gasförmig, flüssig oder fest) und mindestens einem Lösungsmittel, welches gegenüber Acylierungsmitteln inert ist, erreicht werden.
Initiatoren, welche bei der Dissoziation angewendet werden können, sind jene gasförmigen oder flüssigen Nichthydroxyl-Nucleophile und Gemische von gasförmigem(gasförmigen), flüssigem(flüssigen) oder festem(festen) Nichthydroxyl-Nucleophilen) und Lösungsmittel (nachstehend als „Lösungsmittelgemische" bezeichnet), welche zu einer nucleophilen Umsetzung mit perfluorierten Estern befähigt sind. Die Gegenwart von kleinen Mengen an Hydroxyl-Nucleophilen kann toleriert werden. Geeignete gasförmige oder flüssige Nichthydroxyl-Nucleophile schließen Dialkylamine, Trialkylamine, Carboxamide, Alkylsulfoxide, Aminoxide, Oxazolidone, Pyridine und der gleichen und Gemische davon ein. Geeignete Nichthydroxyl-Nucleophile zur Verwendung in Lösungsmittelgemischen schließen sowohl solche gasförmigen oder flüssigen Nichthydroxyl-Nucleophile als auch feste Nichthydroxyl-Nucleophile, z. B. Fluorid-, Cyanid-, Cyanat-, Iodid-, Chlorid-, Bromid-, Acetat-, Mercaptid-, Alkoxid-, Thiocyanat-, Azid-, Trimethylsilyldifluorid-, Bisulfit- und Bifluorid-Anionen, ein, welche in der Form von Alkalimetall-, Ammonium-, alkyl-substituierten Ammonium- (mono-, di-, tri- oder tetrasubstituiert), oder quartären Phosphonium-Salzen und Gemischen davon verwendet werden können. Solche Salze sind im Allgemeinen im Handel erhältlich, können aber, wenn gewünscht, über bekannte Verfahren hergestellt werden, z. B. über jene, die von M. C. Sneed und R. C. Brasted in Comprehensive Inorganic Chemistry, Band Sechs (The Alkali Metals), Seiten 61 bis 64, D. Van Nostrand Company, Inc., New York (1957) und von H. Kobler et al. in Justus Liebigs Ann. Chem. 1978, 1937 beschrieben werden. 1,4-Diazabicyclo-[2,2,2]-octan und dergleichen sind auch geeignete feste Nucleophile.
Nützliche nicht segregierte HFEs schließen omega- und alpha, omega-substituierte Hydrofluoralkylether ein, wie jene, die im U.S. Patent Nr. 5,658,962 (Moore et al.) beschrieben werden und jene, die von Marchionni et al. in „Hydrofluoropolyethers", Journal of Fluorine Chemistry 95 (1999), Seiten 41 bis 50, beschrieben werden, welche durch die in Formel III gezeigte allgemeine Struktur beschrieben werden können: X-[R_f'-O]_yR"H (III)wobei:

X entweder F, H oder ein Perfluoralkylrest mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, welcher gegebenenfalls in der Omega-Stellung mit Wasserstoff substituiert ist, ist;
jedes Rf' unabhängig voneinander aus -CF₂-, -C₂F₄- und -C₃F₆- ausgewählt ist, wobei, wenn X ein Perfluoralkylrest ist, X und mindestens ein Teil des benachbarten Rests R_f' zusammengenommen einen Perfluorcycloalkylrest bilden kann;
R" ein zweiwertiger organischer Rest mit 1 bis etwa 4 Kohlenstoffatomen ist und bevorzugt perfluoriert ist; und
y mindestens 1 ist und derart gewählt ist, dass die Gesamtzahl an Kohlenstoffatomen in Formel III bevorzugt zwischen 6 und etwa 12, stärker bevorzugt zwischen 7 und 12, liegt;
wobei, wenn X F ist, R" mindestens ein F Atom enthält.

Repräsentative, durch Formel III beschriebene Verbindungen, welche in der vorliegenden Erfindung nützlich sind, schließen die folgenden Verbindungen und Gemische davon ein, sind aber nicht darauf eingeschränkt:

C₇F₁₅OC₂F₄H
C₆F₁₃OC₂F₄OCF₂H
H(CF₂)₄O(CF₂)₄H
HCF₂OCF₂O(C₂F₄O)₂CF₂H
HCF₂OCF₂O(C₂F₄O)₃CF₂H
HCF₂O(CF₂O) ₂ (C₂F₄O)₂CF₂H
HCF₂O(CF₂CF₂O)₃CF₂H
HCF₂O(CF₂CF₂O)4CF₂H
HCF₂O(CF₂CF₂O)₂CF₂H
HCF₂O(CF₂O)₂C₂F₄OCF₂H

Einige nicht segregierte HFE-Spezialflüssigkeiten, welche von Ausimont Corp., Mailand, Italien unter dem Handelsnamen GALDEN H^TM erhältlich sind, sind als Wärmeübertragungsfluide der vorliegenden Erfindung geeignet.
Durch Formel III beschriebene, omega- und alpha, omega-substituierte Hydrofluoralkylether können über Decarboxylierung der entsprechenden Vorläufercarbonsäuren vom Fluoralkylethertyp und Salzen davon oder bevorzugt der verseifbaren Alkylester davon hergestellt werden, wie im U.S. Patent Nr. 5,658,962 beschrieben.
Ein anderes Verfahren zur Herstellung von omega- und alpha, omega-substituierten Hydrofluoralkylethern ist in U.S. Patent Nr. 5,856,587 beschrieben. Bei diesem Verfahren werden Hydrofluorpolyether mittels Decarboxylierungsverfahren von alkalischen Salzen erhalten, welche über Hydrolyse und Salzbildung der entsprechenden Acylfluoride mittels nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren erhalten werden. Zum Beispiel wird Decarboxylierung in der Gegenwart von Wasserstoff-Donorverbindungen, zum Beispiel Wasser, bei Temperaturen von 140 °C bis 170 °C und unter einem Druck von mindestens 4 Atmosphären (3000 Torr) durchgeführt.
Alternativ können omega-Hydrofluoralkylether über Reduzierung eines entsprechenden omega-Chlorfluoralkylethers (z. B. jene omega-Chlorfluoralkylether, welche in der Offenlegungsschrift WO 93/11868 beschrieben werden) hergestellt werden, was auch im U.S. Patent Nr. 5,658,962 beschrieben ist.
Kammer
Die Kammer der vorliegenden Erfindung wird gewählt, basierend auf dem System oder der Anwendung, für welche das Gerät oder das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Im Allgemeinen nimmt die Kammer das Produkt, welches bei niedriger Temperatur verarbeitet wird, auf. Die Kammer der vorliegenden Erfindung bedarf nach der Vollendung des Niedertemperaturverarbeitens einer Sterilisation. Die Kammer kann auch ein automatisiertes Reinigungssystem umfassen, welches vor der Sterilisation zuerst zur Reinigung der Kammer verwendet wird.
Typischerweise stellt Hochtemperaturdampf das Mittel für Sterilisation bereit. Im Allgemeinen wird der Hochdruckdampf mit Sättigungstemperaturen in einem Bereich von etwa 121 °C bis etwa 130 °C verwendet.
Das Gerät der vorliegenden Erfindung ist insbesondere für Sterilisationsverfahren mit hohen Temperaturen geeignet (z. B. für jene, die einen Dampf mit etwa 121 °C bis etwa 130 °C Sättigungstemperatur verwenden, wie vorstehend beschrieben).
Die Kammer der vorliegenden Erfindung umfasst einen oder mehrere Durchgang(gänge). Durchgänge sind hier als Rohrleitungen für das Wärmeübertragungsfluid definiert. Die Durchgänge können in der Kammer (z. B. Gestelle in einer Gefriertrocknungs-Vakuumkammer) oder außerhalb der Kammer (z. B. eine Reaktorummantelung) sein. Die Durchgänge gestatten dem Wärmeübertragungsfluid wie gewünscht zu kühlen, zu erwärmen oder die Temperatur der Kammer aufrechtzuerhalten. Im Falle von Gefriertrockner-Gestellen kühlen die Durchgänge typischerweise auf etwa –50 °C ab, können aber etwa –80 °C bei Gefriertrockner-Kondensatorkühlern oder bei anderen Anwendungen, wie Reaktionskammern, erreichen.
Die Größe, die Gestalt und das Material der Kammer hängen vom System oder der Anwendung ab und können vom Fachmann in einfacher Weise gewählt werden. Zum Beispiel ist bei Gefriertrocknungs-Anwendungen die Kammer eine isolierte Vakuumkammer, deren Wände dick genug sind, um dem Druck der Dampfsterilisation zu widerstehen.
Pumpe
Die vorliegende Erfindung umfasst eine Pumpe in Fluid-Verbindung mit den Durchlusswegen über eine) oder mehrere Rohre) oder Leitung(en). Die Größe und der Typ der Pumpe werden durch das System oder die Anwendung bestimmt. Zum Beispiel kann die Pumpe eine hermetische (z. B. dicht verschlossene oder magnetisch gekoppelte) Zentrifugalpumpe sein.
Thermischer Fluidkonditionierer
Das Gerät der vorliegenden Erfindung kann zudem einen thermischen Fluidkonditionierer umfassen. Der thermische Fluidkonditionierer umfasst eine Einrichtung zum Erwärmen und/oder Kühlen des Wärmeübertragungsfluids. Die Einrichtung zum Erwärmen und die Einrichtung zum Kühlen können die selbe Einheit sein oder können eine oder mehrere getrennte Einheiten) sein.
Der thermische Fluidkonditionierer kann eine Heizvorrichtung und eine direkte Ausdehnungs-Kühlanlage oder eine Flüssigstickstoff-Kühlanlage umfassen. Dieser Anlagentyp ist dem Fachmann im Allgemeinen bekannt und wird zur Erhaltung des Wärmeübertragungsfluids bei einer vorgegebenen Temperatur verwendet.
Der thermische Fluidkonditionierer ist mit den Durchgängen in Fluid-Verbindung.
Gerät
Das Gerät der vorliegenden Erfindung ist insbesondere für pharmazeutisches Gefriertrocknen nützlich. Das Wärmeübertragungsfluid wird zum Kühlen und Erwärmen der Gestelle in dem Gefriertrockner verwendet (und kann gegebenenfalls zum Kühlen eines Kondensatorkühlers verwendet werden, welcher am Ende der Gestelle oder direkt an der Vakuumkammer angebracht ist).
Während Niedertemperaturarbeiten oder während Gefriertrocknen (1 zum Beispiel) beginnt das Trocknungsverfahren unter Verwendung des Wärmeübertragungsfluids und des primären thermischen Fluidkonditionier-Systems 18 durch Kühlen der Gestelle in dem Gefriertrockner auf die gewünschte Temperatur (z. B. direkter Ausdehnungskühlzyklus). Das Produkt, welches auf den Gestellen 13 in Fläschchen platziert ist, wird während diesem Verfahren gefroren. Zur gleichen Zeit wird die Kondensatorkühler-Temperierschlange auf die gewünschte Temperatur gekühlt, um ein ausreichendes Potential zur Entfernung der sublimierten Feuchtigkeit von dem Produkt sicherzustellen.
Dann wird Vakuum angelegt, um das Trocknungsverfahren zu beginnen. Während diesem Verfahren wird die Temperatur der Gestelle 13 wie gewünscht variiert. Nachdem das Trocknen abgeschlossen ist, liegt die Gestelltemperatur nahe bei Raumtemperatur, wird die Pumpe 14 abgeschaltet, werden die Fläschchen verschlossen und wird das Produkt aus der Kammer 12 entfernt. Die Kammer 12 wird nun wieder verschlossen und Hochdruckdampf tritt in die Gefriertrocknungs-Kammer ein. Das Wärmeübertragungsfluid in den Gestellen verbleibt während der Sterilisation in den Gestellen. Das Wärmeübertragungsfluid in den Gestellen weist einen Siedepunkt über der Sterilisationstemperatur auf, wodurch so das Wärmeübertragungsfluid nicht siedet und folglich den Systemdruck erhöht. Nachdem die Sterilisation abgeschlossen ist, lässt man die Kammer abkühlen. Der Dampf des Wärmeübertragungsfluids in den Reagalen kühlt auch ab. Der Zyklus kann dann wieder beginnen.
Das Gerät der vorliegenden Erfindung ist auch bei Niedertemperatur-Umsetzungen besonders nützlich. Dieses Gerät umfasst einen Reaktorbehälter und eine Reaktorummantelung, welche ein Wärmeübertragungsfluid umfasst. 2 veranschaulicht ein solches Gerät. Während Niedertemperaturarbeiten verbleibt das Wärmeübertragungsfluid in der Reaktorummantelung 23, um die gewünschte, die Temperatur betreffende Arbeit durchzuführen.
Wenn die Umsetzung abgeschlossen ist, wird das Produkt aus der Reaktorkammer 22 entfernt. Die Reaktorkammer kann zuerst gereinigt werden, und dann wird die Reaktorkammer verschlossen und Dampf tritt in die Kammer für Sterilisation ein. Das Wärmeübertragungsfluid in den Durchgängen der Reaktionsbehälterummantelung verbleibt während einer Sterilisation in den Durchgängen.
Nachdem die Sterilisation abgeschlossen ist, lässt man die Reaktorkammer abkühlen. Das Wärmeübertragungsfluid kühlt auch ab. Der Zyklus kann dann wieder beginnen.
Verfahren
Die vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren zum Sterilisieren einer Niedertemperaturverarbeitungskammer. Dieses Verfahren umfasst die Schritte: (a) Bereitstellen einer Kammer, umfassend einen oder mehrere Durchgang(gänge); (b) Bereitstellen einer Einrichtung zur Niedertemperaturverarbeitung in den Kammern; (c) Bereitstellen eines Produkts, das der Niedertemperaturverarbeitung bedarf; (d) Bereitstellen einer Einrichtung zum Sterilisieren der Kammer; (e) Bereitstellen eines Wärmeübertragungsfluids vom Hydrofluorethertyp in dem(den) Durchgang(gängen), das während der Niedertemperaturverarbeitung und während der Sterilisation flüssig ist; (f) Verarbeiten des Produkts unter Verwendung der Niedertemperaturverarbeitungseinrichtung; (g) Gestatten, dass das Wärmeübertragungsfluid in dem(den) Durchgang(gängen) verbleibt; (h) Sterilisieren der Kammer; (i) Vervollständigen der Sterilisation der Kammer; und (j) Gestatten, dass die Kammer abkühlt.
Beispiele
Die vorliegende Erfindung wird zudem unter Bezug auf die folgenden, nicht einschränkenden Beispiele und Testverfahren beschrieben. Alle Teile, Prozentanteile und Verhältnisse sind auf das Gewicht bezogen, wenn nicht anderweitig spezifiziert.
Beispiel 1
Beispiel 1 vergleicht ein Wärmeübertragungsfluid der vorliegenden Erfindung mit Silikonölen.
Oben in Tabelle 1 sind Wärmeübertragungseigenschaften für C₃F₇CF(OC₂H₅)CF(CF₃) ₂ , Galden^® HT-135, ein populäres Fluid vom Perfluorpolyethertyp, hergestellt von Ausimont Chemicals, Mailand, Italien (als Vergleich), und mehrere im Handel erhältliche Fluide vom Silikonöltyp (als Vergleich), erhältlich von Dow Chemical Company, Midland, MI und Miles Inc., Pittsburgh, PA, welche gewöhnlich in der Gefriertrockner-Industrie verwendet werden, gezeigt. Die physikalischen Eigenschaften wurden aus der Literatur erhalten, außer für C₃F₇CF(OC₂H₅)CF(CF₃) ₂ .
Herstellung von C₃F₇CF(OC₂H₅)CF(CF₃) ₂
In einen trockenen 600 Milliliter Parr-Reaktor wurden 36,3 g (0,625 mol) wasserfreies Kaliumfluorid und 108 g wasserfreies Diglyme (Diethylenglycoldimethylether) gegeben. Das Kaliumflourid wurde über Sprühtrocknung hergestellt, bei 125 °C gelagert und kurz vor der Verwendung gemahlen. Die Inhalte in dem Reaktor wurden mit Trockeneis gekühlt, dann wurden 125 g (0,52 mol) n-C₃H₇COF (ungefähr 90 Prozent Reinheit) zugegeben. Als der Reaktor eine Temperatur von 52 °C und einen Druck von 65 psig (4190 Torr) erreichte, wurden 101,5 g (0,68 mol) CF₃CF=CF₂ (Hexafluorpropylen) bei 70 °C und in einem Druckbereich von 18 bis 75 psig (1690 bis 4640 Torr) über eine Zeitdauer von ungefähr drei Stunden zugegeben, gefolgt von einer Vorhaltezeitdauer von 2 Stunden bei 70 °C. Man ließ den Reaktor und dessen Inhalte auf Raumtemperatur abkühlen, der Reaktor wurde geöffnet und zum Reaktor wurden zusätzliche 1,5 g Kaliumfluorid zusammen mit 14,5 g (0,016 mol) ADOGEN^TM 464 und 119,2 g (0,77 mol) Diethylsulfat gegeben. ADOGEN^TM 464, erhältlich von Witco. Corp., Oleo/Surfactant Group, Greenwich, CT, ist ein zu 90 % aktives, quartäres Tri-(octyldecyl)-monomethylammoniumchlorid; für dieses Experiment wurde das ADOGEN^TM 464 mit wasserfreiem Glyme (Glycolether) verdünnt und wurde aus einem Alkohol-Lösungsmittel auf eine Konzentration von 50 Gewichtsprozent vakuumfraktioniert. Der Parr-Reaktor wurde wieder verschlossen und unter maximalem Rühren für drei Tage auf 52 °C erwärmt. Der Reaktor wurde dann unter Druck mit 60 g wässrigem, 45 gewichtsprozentigem Kaliumhydroxid und 50 g entionisiertem Wasser beschickt, wurde wieder verschlossen und wurde für 1 ½ Stunden auf 85 °C erwärmt. Man ließ die Reaktion über Nacht abkühlen, der Reaktor wurde entlüftet und seine Inhalte wurden in einen Destillationskolben überführt. 235,2 g Produkt wurden gewonnen, was, basierend auf der Beschickung mit C₃F₇COF, einer Ausbeute von 96,9 Prozent entspricht. Die Reinheit in Prozent betrug 88,7 Prozent, basierend auf einer Analyse über Gaschromatographie.
Das gewonnene Rohprodukt wurde an einer vakuumummantelten Oldershaw-Säule mit 10 Böden fraktioniert, mit Wasser gewaschen und über wasserfreiem Magnesiumsulfat getrocknet. Ein Teil des destillierten und gewaschenen Produkts wurde genau gewogen, als es in ein NMR-Röhrchen gegeben wurde, und wurde mit einer bekannten Menge an 1,4-Bis-(trifluormethyl)-benzol (p-HFX) zur Verwendung als ein Kreuzintegrations-Standard oder interner Standard versetzt. Dann wurden ein 400 MHz ¹H-NMR-Spektrum (#h56881.401) und ein 376 MHz ¹⁹F-NMR-Spektrum (#f56881.402) bei Raumtemperatur unter Verwendung eines Varian UNITYplus 400 FT-NMR Spektrometers gemessen. Dieses Vorbereitungsverfahren ermöglicht es, das p-HFX sowohl 1) als einen internen Standard zur Messung der absoluten Konzentrationen in Gewichtsprozent von speziellen Komponenten, als auch 2) als einen Kreuzintegrations-Standard zur Erleichterung der Kreuzkorrelation der verschiedenen Fluor- und Proton-Signalintensitäten zur Bewertung der Probengesamtzusammensetzung zu verwenden.
Die Ergebnisse der Proton- und Fluor-NMR-Kreuzintegrationsbestimmung sind nachstehend aufgezeigt:
Die Ergebnisse der NMR-Analyse weisen daraufhin, dass das gewaschene Destillat 99,96 Prozent C₃F₇CF(OC₂H₅)CF(CF₃) ₂ , das gewünschte Produkt, enthält.
Analysen von mehreren anderen C₃F₇CF(OC₂H₅)CF(CF₃)₂-Zubereitungen, welche unter Verwendung von im Wesentlichen den gleichen Synthese- und Reinigungsverfahren hergestellt wurden, zeigten Reinheiten in Prozent von 99,71, 99,89 und 99,96 Prozent.
Die Flüssigkeitsdichte von CF₃CF(OC₂H₅)CF(CF₃) ₂ wurde von 10 °C bis 90 °C unter Verwendung eines Anton-Parr Densitometers, Modell DMA58 mit einer externen DMA602-Zelle gemessen. Dichten unterhalb dieser Temperatur wurden über lineare Extrapolation der verfügbaren Daten erhalten.
Die spezifische Wärme von C₃F₇CF(OC₂H₅)CF(CF₃) ₂ wurde über Differentialscanning-Kalorimetrie gemäß ASTM E 1269-90 über einen Temperaturbereich von –50 °C bis 50 °C gemessen.
Die kinematische Viskosität von C₃F₇CF(OC₂H₅)CF(CF₃) ₂ wurde unter Verwendung eines Cannon-Feske Viskosimeters über einen Temperaturbereich von –80 °C bis 23 °C gemessen. Die Daten wurden unter Verwendung von Verfahren, welche im ASTM Standard 341–77 beschrieben sind, regressiert.
Die Wärmeleitfähigkeit von C₃F₇CF(OC₂H₅)CF(CF₃) ₂ wurde nicht gemessen. Anstelle dessen wurden experimentell bestimmte Werte für den Hydrofluorether C₄F₉OC₂H₅ verwendet. Diese Werte wurden unter Verwendung einer transienten Heizdraht-Wärmeleitfähigkeitszelle über den Temperaturbereich von –50 °C bis +50 °C gemäß ASTM D 2717–86 bestimmt. Ein Platindraht wurde bei den Messungen verwendet. Der Draht hatte eine Länge von 20 Zentimetern, einen Durchmesser von 0,17 Millimeter und wies einen Widerstand von 120 Ω bei 20 °C auf. Die Wärmeleitfähigkeiten sind in der Tabelle 1 dargelegt.
Alle Eigenschaften sind aus verfügbaren Daten auf –40 °C berechnet. Das Fluid HT-135 wird in Gefriertrocknern nicht verwendet, jedoch sind experimentelle Daten verfügbar, um es mit C₃F₇CF(OC₂H₅)CF(CF₃) ₂ zu vergleichen (wie später erörtert werden soll). HT-135 ist deshalb in die theoretische Analyse eingeschlossen.
Die theoretische Analyse (der untere Teil von Tabelle 1) zeigt Berechnungen von einer vollständig entwickelten, adiabatischen, stationären Strömung durch ein Rohr, wobei die vorstehend erwähnten Fluide, welche durch ein glattes Rohr mit 0,445 Zentimeter im Durchmesser fließen, verglichen werden. Die Fließgeschwindigkeit von HT-135 wird so gewählt, dass es eine Wärmekapazität C von 70 W/°C ergeben würde. Die Wärmekapazität ist definiert als: C = ṁc (1)
Hier ist ṁ die Massenfließgeschwindigkeit und c die spezifische Wärme des Fluids. Die Fließgeschwindigkeiten von C₃F₇CF(OC₂H₅)CF(CF₃) ₂ und den Silikonölen werden derart angepasst, dass ihre Wärmekapazitäten der von HT-135 entsprechen.
Der Wärmeübertragungs-Koeffizient h wird aus der Definition der Nusselt-Zahl Nu berechnet,
wobei d der Rohrdurchmesser und k die Wärmeleitfähigkeit des Fluids ist. Die Nusselt-Zahl liegt im laminaren System (Re<2300) konstant bei 4,36. Bei den Übergangssystemen und den turbulenten Systemen (Re>2300) wird eine Korrelation nach Gnielinski verwendet (Gnielinski, V., Int. Chem. Eng., 1976, Band 16, Seite 359).
Diese Korrelation gilt für 2300<Re<5×10⁶ und 0,5<Pr<2000 und diese Bedingungen treffen für die gezeigten Fluide zu. Die Reynolds-Zahl Re ist definiert als:
und die Prandtl-Zahl Pr als:
wobei μ die dynamische Viskosität, ν die kinematische Viskosität und ρ die Fluiddichte ist. Der Druckgradient entlang der Rohrlänge dp/dx wird berechnet unter Verwendung von Relationen für den Reibungsfaktor f eines glatten Rohres

und der Definition des Reibungsfaktors
wobei V die mittlere Fluidgeschwindigkeit ist
Die Pumpleistung P pro Einheitslänge L des Rohres kann dann berechnet werden, unter Verwendung von
Tabelle 1 – Theoretischer Vergleich der Wärmeübertragungsleistung von C₃F₇CF(OC₂H₅)CF(CF₃) ₂ , verglichen mit Galden HT-135 (als Vergleich) und 3 Fluiden vom Silikonöltyp (als Vergleich), welche gewöhnlich in handelsüblichen Gefriertrocknern verwendet werden. Die Temperatur beträgt –40 °C.
Diese theoretischen Daten zeigen, dass für eine gegebene Wärmekapazität die Wärmeübertragungsleistung von C₃F₇CF(OC₂H₅)CF(CF₃) ₂ , wie durch den Wärmeübertragungs-Koeffizienten h nachgewiesen, zu der der Silikonöle vergleichbar ist. Da C₃F₇CF(OC₂H₅)CF(CF₃) ₂ dies mit einer viel niedrigeren Pumpleistungsanforderung erreichen kann, wird gezeigt, dass eine überlegene Wärmeübertragungsleistung erreicht werden kann, wenn die Wärmekapazität von C₃F₇CF(OC₂H₅)CF(CF₃) ₂ durch Erhöhung der Fließgeschwindigkeit erhöht wird.
3 zeigt das experimentelle Gerät, welches zum Vergleich der Pumpleistungsleistung von C₃F₇CF(OC₂H₅)CF(CF₃) ₂ und Galden^TM HT-135 verwendet wurde. Das Gerät besteht aus einer FTS Kühlvorrichtung 31, Modell RC-210B-20W, erhältlich von FTS Kinetics, Stoneridge, NY, verbunden über isolierte Polyethylen-Rohrleitungen 32 mit einer Kupfer-Temperierschlange 33 mit einer Länge von 1,4 Metern und einem Innendurchmesser von 0,445 Zentimeter. Löcher mit einem Durchmesser von 0,014 Zoll (0,0356 Zentimeter), welche an den Positionen 35 und 36 gebohrt wurden (1,3 Meter auf der Temperierschlange voneinander entfernt), sind mit den Anschlüssen eines Omega Differenzdruckumformers 37, Modell XPC100DTH, erhältlich von Omega Engineering, Inc., Stamford, CT, verbunden. An der Einlassleitung ist ein Thermoelement 38 vom Typ J direkt der Temperierschlange vorgeschaltet. Ein Micro Motion Massendurchflussmessgerät 39, Modell S025S119, erhältlich von Micro Motion, Boulder, CO ist an der Einlassleitung zur Temperierschlange installiert.
Die Daten, welche von diesem Gerät erhalten werden, werden unter Verwendung der Gleichungen 1 und 11 mit den in Tabelle 1 gezeigten Daten von spezifischer Wärme und Dichte kombiniert. Die Ergebnisse sind in 4 gezeigt. Mit diesen Daten ist beabsichtigt, die Nützlichkeit des in Tabelle 1 angewendeten, theoretischen Verfahrens beim Vergleich von C₃F₇CF(OC₂H₅)CF(CF₃) ₂ mit den Silikonölen zu bestätigen. Bei einer Wärmekapazität von 70 W/°C zeigen die theoretischen Daten Pumpleistungsanforderungen von 4,9 und 2,0 W/m für die Fluide C₃F₇CF(OC₂H₅)CF(CF₃) ₂ bzw. HT-135. Dies ist in guter Übereinstimmung mit den experimentellen Werten von 4,3 und 1,9 W/m, welche in 4 gezeigt sind.
Verschiedene Modifizierungen und Veränderungen dieser Erfindung werden dem Fachmann offensichtlich werden, ohne vom Bereich und Geist dieser Erfindung abzuweichen. Es sollte als selbstverständlich angesehen werden, dass es nicht beabsichtigt ist, diese Erfindung durch die hier dargelegten veranschaulichenden Ausführungsformen und Beispiele übermäßig einzuschränken und dass solche Beispiele und Ausführungsformen nur beispielhaft dargestellt werden, wobei beabsichtigt ist, den Bereich der Erfindung nur durch die hier wie folgt dargelegten Patentansprüche einzuschränken.

Claims

Gerät zur Niedertemperaturverarbeitung und Hochtemperatursterilisation, umfassend: (a) ein Produkt in einer Kammer; (b) ein Wärmeübertragungsfluid vom Hydrofluorethertyp, welches während der Niedertemperaturverarbeitung und während der Sterilisation flüssig ist; (c) wobei die Kammer, die der Sterilisation bedarf, einen oder mehrere Durchgang(gänge) für das Wärmeübertragungsfluid umfasst; und (d) eine Pumpe in Fluid-Verbindung zu dem(den) Durchgang(gängen); wobei während der Sterilisation der Kammer das Wärmeübertragungsfluid in dem(den) Durchgang(gängen) verbleibt.
Gerät nach Anspruch 1, wobei das Produkt aus einem Arzneimittel, Nahrungsmittel, biologischen Material, parenteralen Material und einem Abgabesystem für Materialien ausgewählt ist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die Niedertemperaturverarbeitung aus Gefriertrocknen, chemischer Verarbeitung und biologischer Verarbeitung ausgewählt ist.
Gerät nach Anspruch 3, wobei das Gerät ferner einen thermischen Fluid-Konditionierer umfasst.
Gerät nach Anspruch 4, wobei der thermische Fluid-Konditionierer eine Einrichtung zum Erhitzen des Wärmeübertragungsfluids umfasst und wobei diese Einrichtung in Fluid-Verbindung mit dem(den) Durchgang(gängen) ist.
Gerät nach Anspruch 4, wobei der thermische Fluid-Konditionierer eine Einrichtung zum Kühlen des Wärmeübertragungsfluids umfasst und wobei diese Einrichtung in Fluid-Verbindung mit dem(den) Durchgang(gängen) ist.
Gerät nach Anspruch 4, wobei die Einrichtung zum Erhitzen und die Einrichtung zum Kühlen ein System sind.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die Niedertemperaturverarbeitung Gefriertrocknen ist und der(die) Durchgang(gänge) in Gestellen in der Kammer enthalten ist sind).
Gerät nach Anspruch 1, wobei die Niedertemperaturverarbeitung ein chemischer oder ein biologischer Prozess ist und wobei der Durchgang eine Reaktorummantelung ist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die Hochtemperatursterilisation Hochtemperaturdampf ist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei das Wärmeübertragungsfluid einen Siedepunkt bei Atmosphärendruck von größer als 121°C aufweist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei das Wärmeübertragungsfluid bei 121°C einen Dampfdruck von weniger als zwei Atmosphären aufweist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei das Wärmeübertragungsfluid vom Hydrofluorethertyp Verbindungen der Formel: (R₁-O)_n-R₂ umfasst, wobei: n eine Zahl von 1 bis einschließlich 3 ist; R₁ und R₂ gleich oder verschieden voneinander sind und aus Alkyl-, Aryl- und Alkylarylresten ausgewählt sind; mindestens eines von R₁ und R₂ mindestens ein Fluoratom enthält; mindestens eines von R₁ und R₂ mindestens ein Wasserstoffatom enthält; R₁ und R₂ ein oder mehrere zweiwertige Sauerstoff- oder dreiwertige Stickstoffatome in der Kette enthalten können; und die Gesamtzahl an Kohlenstoffatomen von 6 bis 12 reicht.
Gerät nach Anspruch 13, wobei das Wärmeübertragungsfluid vom Hydrofluorethertyp segregiert ist und die folgende Formel aufweist: R_f-(O-R_h)_x wobei: x von 1 bis 3 ist, und Rf ein perfluorierter Kohlenwasserstoffrest mit einer Valenz x ist, der geradkettig, verzweigt oder cyclisch sein kann; jedes Rh unabhängig voneinander ein geradkettiger oder verzweigter Alkylrest mit 1 bis etwa 3 Kohlenstoffatomen ist; wobei einer oder beide der Reste Rf und Rh gegebenenfalls ein oder mehrere Heteroatome in der Kette enthalten können; und wobei die Summe der Anzahl an Kohlenstoffatomen im Rest Rf und der Anzahl an Kohlenstoffatomen in dem(den) Reste(n) R_h zwischen 6 und 12 beträgt.
Gerät nach Anspruch 14, wobei das Wärmeübertragungsfluid vom Hydrofluorethertyp einen Rest Rf umfasst, ausgewählt aus geradkettigen und verzweigten C₅F₁₁-Isomeren, geradkettigen und verzweigten C₆F₁₃-Isomeren; geradkettigen und verzweigten C₇F₁₅-Isomeren; Perfluorcyclohexyl; Perfluoralkylcyclohexyl; Perfluorcyclohexylalkyl; Perfluoralkylcyclohexylenalkyl; Perfluoralkoxycyclohexylenalkyl; Perfluormorpholinoalkyl; Perfluorpiperidinylalkyl; und Perfluortetrahydrofuranylalkyl.
Gerät nach Anspruch 14, wobei das Wärmeübertragungsfluid vom Hydrofluorethertyp aus
ausgewählt ist.
Gerät nach Anspruch 13, wobei das Wärmeübertragungsfluid vom Hydrofluorethertyp nicht segregiert ist und die folgende Formel aufweist: X-(R_f'-O)_yR"H wobei: X entweder F, H oder ein Perfluoralkylrest mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen ist; jedes Rf' unabhängig voneinander aus -CF₂-, -C₂F₄- und -C₃F₆- ausgewählt ist, wobei gegebenenfalls, wenn X ein Perfluoralkylrest ist, X und mindestens ein Teil des benachbarten Rests Rf' zusammengenommen einen Perfluorcycloalkylrest bilden kann; R" ein zweiwertiger organischer Rest mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen ist; und y mindestens 1 ist; wobei, wenn X F ist, R" mindestens ein F Atom enthält; und wobei die Summe der Anzahl an Kohlenstoffatomen in dem(den) Resten) R_f' und der Anzahl an Kohlenstoffatomen in dem Rest R" zwischen 7 und 12 beträgt.
Verfahren zum Sterilisieren einer Niedertemperaturverarbeitungskammer, umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen einer Kammer, umfassend einen oder mehrere Durchgang(gänge); (b) Bereitstellen einer Einrichtung zur Niedertemperaturverarbeitung in der Kammer; (c) Bereitstellen eines Produkts in der Kammer, das der Niedertemperaturverarbeitung bedarf; (d) Bereitstellen einer Einrichtung zum Sterilisieren der Kammer; (e) Bereitstellen eines Wärmeübertragungsfluids vom Hydrofluorethertyp in dem(den) Durchgang(gängen), das während der Niedertemperaturverarbeitung und während der Sterilisation flüssig ist; (f) Verarbeiten des Produkts unter Verwendung der Niedertemperaturverarbeitungseinrichtung; (g) Gestatten, dass das Wärmeübertragungsfluid in dem(den) Durchgang(gängen) verbleibt; (h) Sterilisieren der Kammer; (i) Vervollständigen der Sterilisation der Kammer; und (j) Gestatten, dass die Kammer abkühlt.