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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Überwachung und Steuerung der
Entwässerung von
Produkten während
eines Vakuumtrocknungsverfahrens und insbesondere auf die Erfassung
des Endes der Sublimation des Wassers, das in Produkten enthalten
ist, die einer Gefriertrocknungsbehandlung unterzogen werden.
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Bei
der Gefriertrocknung handelt es sich um ein Niedertemperaturverfahren,
das darin besteht, durch Sublimation einen Großteil des in einem Produkt
enthaltenen Wassers zu eliminieren. Die Lebensmittelindustrie, die
Pharmaindustrie (Impfstoffe, Seren, Medikamente) und die Bioindustrie
(Starterkulturen) sind am stärksten
von diesem Verfahren betroffen, das ihnen die langfristige Konservierung
eines Wirkstoffs (biologische und/oder medikamentöse Aktivität) in einem
Produkt ermöglicht,
das bei einer Temperatur nahe der Umgebungstemperatur gelagert wird.
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Die Überwachung
der Entwässerungskinetik im
Verlauf der Gefriertrocknung ist für die Beherrschung der Herstellungskosten
wesentlich, aber auch für
die Erzielung eines qualitativ hochwertigen Lyophilisats. Die Stabilität eines
unter diesen Bedingungen konservierten Produktes ist nämlich äußerst empfindlich
gegenüber
einer ganz geringen Schwankung der darin enthaltenen Restwassermenge.
Ein zu kurzer Zyklus ermöglicht
zwar die Senkung der Kosten, führt
aber zu einem zu feuchten Endprodukt. Dann beobachtet man im Allgemeinen
eine rasche Beeinträchtigung
der Qualität
des Produkts. Umgekehrt besteht bei einem zu langen Ausführungszyklus
die Gefahr, die Beeinträchtigung
des Produkts durch Überhitzung
zu verursachen, wozu unnütze Zusatzkosten
hinzukommen. Im Verlauf des Verfahrens kann eine zu früh erfolgende
Erhöhung
der Temperatur zu einem Schmelzen, auch teilweise, des Produkts
führen,
was Mangel hinsichtlich des Aussehens induziert. Dieser Zwischenfall
bei der Herstellung geht meistens einher mit einer deutlichen, ja
sogar einer grundlegenden Beeinträchtigung einiger der für das Endprodukt
angestrebten üblichen
Eigenschaften (Reinheit, Eignung für die Rehydratisation ...).
Eine zuverlässige
Steuerung der Gefriertrocknungsbehandlung dieser Produkte erweist
sich also als unerlässlich.
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Das
Gefriertrocknungsverfahren beinhaltet zwei aufeinander folgende
Arbeitsvorgänge:
das Gefrieren und die Entwässerung.
Der Entwässerungsvorgang
schließt
zwei Schritte ein, die zwei verschiedenen physikalischen Phänomenen
entsprechen: zum einen die Sublimation der Eiskristalle, die sich
im Lauf des Gefriervorgangs gebildet haben, häufig als „Primärtrocknung” bezeichnet, und zum anderen
die abschließende
Desorption des ungefrorenen Wassers, häufig als „Sekundärtrocknung" bezeichnet. Die Sublimation wird in
der Regel durch Wärmezufuhr und
Absenkung des Gesamtdrucks (Vakuumgefriertrocknung) durchgeführt. Das
Problem besteht darin, möglichst
präzise
den Übergang
von einer Stufe zur nächsten
zu bestimmen und das Ende des Vorgangs.
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Der
Gefriervorgang läuft
im Allgemeinen bei atmosphärischem
Druck ab. Der Entwässerungsvorgang
erfordert in erster Linie die Absenkung des Wasserdampfdrucks unter
den Tripelpunkt, dann wird der Übergang
des Wassers in den Dampfzustand durch eine Verringerung des Drucks
begünstigt.
Während
des gesamten Sublimationsschrittes und solange das Produkt Eis enthält, wird
die Temperatur des Produkts identisch mit seiner Gefriertemperatur
bleiben. Wenn das Produkt kein Eis mehr enthält, das heißt am Ende der Primärtrocknung,
steigt die Temperatur des Produkts wieder an.
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Das
in der Industrie am häufigsten
angewandte Verfahren zur Überwachung
der Gefriertrocknung ist die Messung der Entwicklung der Temperatur
des Produkts im Verlauf der Behandlung. Sie ermöglicht es insbesondere die
Bestimmung des Endes der Primärtrocknung.
Vor dem Gefrieren werden Temperatursonden im Kern des Produkts angebracht,
und die Entwicklung des Temperatursignals wird anschließend während der
Gefriertrocknungsbehandlung registriert. Solange die Sonde im gefrorenen
Kern des Produkts bleibt, verändert
sich die gemessene Temperatur sehr langsam. Sobald die Sonde hingegen
nicht mehr mit Eis in Berührung steht,
verändert
sich die gemessene Temperatur sehr rasch, was einen Wärmestau
in der trockenen Schicht zum Ausdruck bringt. Der Stopp der Gefriertrocknungsbehandlung
(oder die Änderung
des Sollwerts, um den Schritt der Sekundärtrocknung zu beginnen) entspricht
dem Zeitpunkt, wo alle Temperatursonden, die an unterschiedlichen
Stellen der Behandlungskammer angebracht sind, den gleichen Wert
anzeigen. Produkte, die in ein und derselben Kammer angeordnet sind,
können
nämlich
unterschiedliche Trocknungsgeschwindigkeiten haben, so dass eine
Verschiebung um mehrere Stunden hinsichtlich des Erreichens der
Referenztemperatur zwischen den verschiedenen Sonden beobachtet
werden kann. Die Sicherheitsspanne, die darin besteht, mehrere Stunden
abzuwarten, bis alle Temperaturwerte identisch sind, um den Zyklus
zu stoppen, verursacht bisweilen erhebliche Zusatzkosten des Verfahrens
bei geringer Effizienz. Außerdem
ist die Anzahl der verwendeten Sonden im Allgemeinen nicht sehr
hoch (in der Größenordnung
von 4 oder 5 Sonden für
150.000 Produkte, die gefriergetrocknet werden sollen), was bezogen
auf ein Produktlos bis zu 10% Ausschuss bewirken kann.
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Es
wurden andere Systeme für
die Überwachung
der Vakuumgefriertrocknungskinetik ins Auge gefasst, wie beispielsweise
die Messung des elektrischen Widerstands oder der Dielektrizitätskonstante des
Produkts im Behandlungsverlauf. Der Durchgang der Front auf der
Ebene der Elektroden, die im Produkt angebracht sind, verändert diese
Größen. Außerdem:
da die Dielektrizitätskonstante
des flüssigen
Wassers sehr viel höher
ist als die des Eises, ist es möglich,
Schmelzphänomene
zu erkennen.
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Der
Hauptnachteil dieser indirekten Methoden ist ihr lokaler Charakter
und die mangelnde Empfindlichkeit. Die Temperaturkurven sind nicht
präzise genug
und ermöglichen
es beispielsweise nicht, exakt das Ende der Primärtrocknung zu ermitteln.
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Es
wurde dann ein Verfahren zur Steuerung ins Auge gefasst, welches
das gesamte System berücksichtigt.
Man hat insbesondere vorgeschlagen, eine kinetische Überwachung
zu verwenden, die auf Wärmebilanzen
basiert, die auf der Ebene der Heizplatten und der Eisfalle des
Gefriertrockners erstellt werden. Die Überwachung des Verbrauchs an
Flüssigstickstoff
der Kühlfalle
ermöglicht
die Erstellung der Wärmebilanz.
Theoretisch erlaubt es dieses Verfahren jederzeit die Stärke der
Wärmeübertragung
zu kennen und folglich die Menge des erzeugten Wasserdampfs. Aber
die Qualität
der Wärmebilanz
leidet unter der Präzision
der Temperatursonden und den schwer zu quantifizierenden Wärmeverlusten.
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Die
Messung der Masse der das Produkt enthaltenden Platten oder der
Masse des Kondensators ermöglicht
es, die Kinetik des Wasserverlustes im Verlauf der Behandlung zu überwachen.
Das Plattenhaltersystem oder die an einem Rahmen befestigte Kühlfalle
sind mit Dehnungsmessstreifen ausgestattet, deren Formänderung
mit der aus dem Produkt extrahierten und in Form von Eis in einer
Falle abgeschiedenen Wassermenge korreliert werden kann. Leider
kann dieses anscheinend zuverlässige
System nicht leicht an die meisten vorhandenen Gefriertrockner angepasst
werden, und die Kosten hierfür bleiben
hoch. Durch direkte Messung mittels eines Wasserdampfdrucksensors
kann ebenfalls eine Stoffbilanz betreffend den in der Kammer ausströmenden Wasserdampf
erstellt werden. Das Problem der Präzision der Messung am Ende
des Verfahrens stellt sich bei all diesen Verfahren weiterhin.
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Falls
der Kondensator außerhalb
der Gefriertrocknungskammer liegt, ist es möglich, die Entwicklung des
Gesamtdrucks in der Gefriertrocknungskammer nach dem Schließen einer
Klappe, welche die Kammer mit der Falle verbindet (Barometerverfahren),
zu verfolgen. Bis auf die Luftverluste zeugt jedwede rasche Erhöhung des
Drucks von einer hohen Sublimationsgeschwindigkeit und bringt das
Vorhandensein von Resteis zum Ausdruck. Die Feinheit des Verfahrens
(Auswirkung des Druckaufbaus auf die Gefriertrocknungskinetik) und
seine Präzision
am Ende des Zyklus (geringe Dampfentwicklung) definieren seine Grenzen.
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Vor
kurzem wurde ein Verfahren ins Auge gefasst, das auf der Messung
per Massenspektrometrie basiert. (Siehe z. B. Artikel „Monitor
Lyophilization with Mass Spectrometer Gas Analysis", J. P. Connelly
et al, Journal of Parenteral Science and Technology, Band 47, Nr.
2, März
1993, Seite 70–75).
Dieses Verfahren besteht aus der Analyse der Stoffbilanzen bezogen
auf die gesamte Gefriertrocknungskammer. Bei diesem Verfahren handelt
es sich um dasjenige das die präziseste
Messung ermöglicht
und die gleichmäßigste,
was zu einer tatsächlichen Überwachung
der Entwässerung
führt.
Leider wird in manchen keimfreien Industrien, wie beispielsweise
dem Pharmaziebereich, die Sterilisation der Messgeräte verlangt.
Das Massenspektrometer hält
den Sterilisationsbedingungen nicht stand und kann somit nicht sterilisiert
werden. Um Abhilfe hierfür
zu schaffen, wird ein mit einem Filter versehenes Ventil zwischen Massenspektrometer
und Kammer eingefügt.
Aber dieses Verfahren weist einige Einschränkungen auf, die insbesondere
durch das Verstopfen der Filter bewirkt werden. Es besteht nämlich die
Gefahr der Verunreinigung der Gefriertrocknungskammer durch dieses
Filter. Außerdem
ist die Verwendung eines Massenspektrometers teuer, denn sie erfordert
den Einsatz einer Sekundärpumpe
und die häufige
Erneuerung der Verbrauchskomponenten wie Filament.
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Wie
das Verfahren, bei dem ein Massenspektrometer eingesetzt wird, werfen
die übrigen
vorgeschlagenen Verfahren ebenfalls Probleme auf, falls sich eine
Sterilisation als notwendig erweist.
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Die
vorliegende Erfindung hat also den Zweck, eine Vorrichtung und ein
Verfahren zur Steuerung des Entwässerungsvorgangs
während
einer Gefriertrocknungsbehandlung vorzuschlagen, die nicht die vorstehend
genannten Nachteile der bekannten Verfahren aufweisen. Im Besonderen schlägt die Erfindung
eine Vorrichtung und ein Verfahren vor, die es ermöglichen,
präzise
das Ende des Primärtrocknungsschrittes
zu bestimmen. Die Erfindung schlägt
auch eine Vorrichtung und ein Verfahren vor, die mit den hohen Asepsisanforderungen kompatibel
sind, und insbesondere den Verzicht auf die Sterilisation ermöglichen.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Steuerung des
Entwässerungsvorgangs
während
einer Gefriertrocknungsbehandlung, die in einer Kammer ausgeführt wird,
die mit einer Vakuumleitung verbunden ist, beinhaltend einen Analysator
für die
in dieser Kammer enthaltenen Gase. Das Gerät für die Gasanalyse schließt folgendes ein:
- – ein
System zur Ionisierung der Gase, beinhaltend eine Plasmaquelle im
Kontakt mit den Gasen, kombiniert mit einem Generator, der im Stande
ist, ausgehend von den Gasen ein Plasma zu generieren, und
- – ein
System zur Analyse der ionisierten Gase mit einem Strahlungssensor,
der in der Nähe
des Generierungsbereichs des Plasmas liegt, angeschlossen an ein
Gerät zur
Analyse der Entwicklung des vom Plasma emittierten Strahlungsspektrums.
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Die
Vorrichtung gemäß der Erfindung
wird es ermöglichen,
die Entwicklung der Arten zu verfolgen, die in der Gefriertrocknungskammer
beim Entwässerungsvorgang
vorhanden sind, wobei die Entwicklung der für diese Arten charakteristischen
Spektrallinien im optischen Spektrum des Lichts analysiert wird,
das vom Plasma der angeregten Arten emittiert wird.
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Ein
Plasma ist ein statistisches System, das aus geladenen Teilchen
und aus neutralen Teilchen besteht, und kann künstlich durch Ionisierung eines Gases
erzeugt werden. Hierfür
muss Energie zugeführt
werden, um den Gasteilchen Elektronen zu entziehen und somit ein
System aus Ionen, Elektronen und Atomen zu erhalten. Es ist ein
insgesamt neutraler Komplex aus Teilchen, die sich zufällig in
alle Richtungen bewegen. Die Rückkehr
der angeregten Moleküle
in ihren ursprünglichen
Zustand generiert die Emission einer elektromagnetischen Strahlung. Unter
geringem Druck tritt nicht thermisches oder kaltes Plasma auf: kaltes
Plasma ist das wegen seiner keimtötenden Eigenschafen am meisten
verwendete Plasma. Es wurden zahlreiche Untersuchungen durchgeführt hinsichtlich
der bakteriziden oder virentötenden
Eigenschaften von Plasma an Referenzorganismen wie beispielsweise
Escherichia coli, Bacillus subtilis, Candida albicans, Streptococcus,
...
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Die
Plasmaquelle wird in einer Anregungskammer untergebracht, die mit
der Kammer verbunden ist. Die in der Behandlungskammer enthaltenen Gase
werden in der Anregungskammer in Berührung gebracht mit dem Inneren
der Gefriertrocknungskammer, welche die Produkte enthält, die
entwässert
werden sollen. Die Gase werden in Form eines Plasmas ionisiert und
das durch die Wände
der Kammer emittierte Licht wird analysiert.
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In
einer geschlossenen Kammer, im Allgemeinen unter Teilvakuum, ist
es möglich
Energie an ein plasmagenes Gas zu übertragen, indem eine elektrische
Entladung erzeugt wird:
- – entweder durch ein System,
das Elektroden enthält
(Entladung unter elektrischem Feld vom lumineszierenden Typ, mit
niedrigem Druck, oder vom Typ Korona unter atmosphärischem
Druck),
- – oder
durch ein System ohne Elektroden (Entladung unter variablem elektrischem
Hochfrequenz- oder Mikrowellen-Feld).
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Dank
der adäquaten
Konzeption des Systems und der geeigneten Wahl der Gase und Dämpfe, die
es ermöglichen,
das Plasma zu erzeugen, ist es möglich,
eine ziemlich niedrige Umgebungstemperatur zu erreichen, selbst
in hochreaktiver Umgebung.
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Außerdem werden
die aktiven Arten, die im Stande sind, die Mikroorganismen rasch
zu vernichten, nur dann erzeugt, wenn das System unter Spannung
gesetzt wird und werden sofort eliminiert, wenn die Eingangsleistung
unterbrochen wird. Folglich besteht keinerlei Gefahr für die Umwelt,
nachdem der Prozess abgeschlossen ist. Gemäß einer Ausführungsart
der Erfindung sind die Wände
der Kammer aus Quarz, aus optischem Glas (insbesondere aus BK7)
oder aus Aluminiumoxid (insbesondere aus Saphir).
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Diese
Vorrichtung unterscheidet sich von den bekannten Vorrichtungen durch
den Vorteil, dass sie vollkommen an die Sterilisationserfordernisse
angepasst ist. In der Tat benötigt
die Vorrichtung keinerlei Stoffübertragung,
denn sie wirkt auf den Stoff, um ihn zu quantifizieren ohne ihn
zu verschieben. Hierfür kommt
nur das Innere der Anregungskammer der Vorrichtung mit der internen
Umgebung der Gefriertrocknungskammer in Berührung. Diese Kammer nimmt meistens
die Form einer Röhre
an, im Allgemeinen aus Quarz bestehend, aber es kann auch aus optischem
Glas wie BK7 oder aus Aluminiumoxid, wie Saphir, oder aus jedwedem
anderen Material bestehen sein, das den Durchlass der elektromagnetischen
Wellen ermöglicht
und dabei gleichzeitig den Zugang zum Licht gestattet. Sie kann
problemlos sterilisiert werden.
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Außerdem ist
das Plasma an sich für
seine Sterilisierungseigenschaften bekannt. Der erste Pluspunkt
ist die Emission von Ultravioletten, die vom Plasma emittiert werden,
das germizid ist. Außerdem sind
die Komponenten OH und O wesentliche Komponenten der Sterilisierung
per Plasma, die im medizinischen Bereich eingesetzt werden. Diese
Komponenten findet man in der Gefriertrocknungsanwendung wieder,
denn die Wassermoleküle
werden "gecrackt" und es werden also
OH- und O-Komponenten erzeugt. Bei den Plasmaverfahren handelt es
sich in der Tat um neue aufstrebende Techniken, deren Potenzial
in mehreren Bereichen besonders viel versprechend ist. Dieses ist
bei der Sterilisierung der Fall, wo die Wirksamkeit der Plasmatechnik
bewiesen wurde und ihre Ausführung
auf mehrere empfindliche medizinische Vorrichtungen angewandt wird.
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Außerdem gewährleistet
diese Vorrichtung eine Gesamtmessung, denn sie ermöglicht die
Anzeige der Sublimation sämtlicher
Produkte eines Loses und nicht eine kleine Stichprobe des Produktloses.
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Vorzugsweise
wird die Plasmaquelle durch induktive Ankopplung erzeugt. In diesem
Fall ist der Generator ein Hochfrequenzgenerator. Die Plasmaquelle
kann auch eine Mikrowellenquelle sein, wobei das Prinzip der Ausbreitung
einer Wellenfläche
verwendet wird oder vom Typ Hohlraumresonator. In diesem Fall ist
der Generator ein Mikrowellengenerator.
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Gemäß einer
ersten Variante generiert der Generator das Plasma durch Induktion
mittels einer Induktionsspule, die um die Kammer herum und außerhalb
der Kammer gewickelt ist.
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Gemäß einer
anderen Variante generiert der Generator das Plasma durch Induktion
mittels einer Anregeantenne, die im Inneren der Kammer angeordnet
ist. In diesem Fall wird die Antenne zuvor mit einem sterilen Isolierstoff
beschichtet. Vorteilhafterweise handelt es sich bei der Antenne
um ein Penning-Manometer. In der Tat besteht das Prinzip dieses
Druckmessers darin, zwischen zwei Elektroden eine Hochspannung anzulegen,
um ein Plasma zu bilden. Der Entladestrom ist proportional zum Druck. Diese
häufig
für die
Druckmessung verwendete Druckmesserart findet hier eine neue Anwendung.
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Vorzugsweise
ist das Gerät
für die
Analyse der Entwicklung des Strahlungsspektrums ein optisches Emissionsspektrometer,
das die optischen Emissionen misst. Es ist möglich an Stelle des Spektrometers
einen Helligkeitssensor zu verwenden, der es gestattet, eine charakteristische
Spektrallinie, insbesondere des Wasserdampfs auszuwählen, obwohl die
Auflösung
geringfügig
schlechter ist. Günstigerweise
kann man auch ein Lichtfilter oder eine Kombination aus Lichtfiltern
verwenden, die das Auswählen der
zu überwachenden
Wellenlänge
oder Wellenlängen
ermöglicht.
Die Auswahl mehrerer Linien kann ins Auge gefasst werden, so dass
zum Beispiel das Verhältnis
der Linien H2O/N2 verwendet wird und man somit eine vom Druck unabhängige Information erhält. Diese
Ausführungsart
weist den Vorteil auf, dass die Kosten der Vorrichtung im Vergleich
zur Vorrichtung, die ein optisches Spektrometer einschließt, gesenkt
werden.
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Die
Vorrichtung gemäß der Erfindung
kann leicht auf Gefriertrocknungsanlagen angewandt werden. In der
Tat erfordert sie keinerlei größere Abänderung
der Gefriertrocknungskammer und im Gegensatz zum Massenspektrometer
erfordert sie kein zusätzliches
Pumpen, denn der für
den Betrieb der Vorrichtung notwendige Vakuumpegel ist der gleiche
wie derjenige, der für
das Gefriertrocknungsverfahren erforderlich ist.
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Gegenstand
der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Steuerung des Entwässerungsvorgangs während einer
Gefriertrocknungsbehandlung in einer Kammer vermittels der Vorrichtung
gemäß einem
der vorstehenden Ansprüche.
Das Ende des Primärtrocknungsschritts
des Entwässerungsvorgangs
wird durch Analyse der in der Kammer vorhandenen Gase mittels einer
Plasmaquelle bestimmt, die an eine Vorrichtung zur Analyse der Entwicklung
des vom Plasma emittierten Strahlungsspektrums gekoppelt ist. Vorzugsweise
handelt es sich bei der Vorrichtung zur Analyse der Entwicklung
des Strahlungsspektrums um ein optisches Emissionsspektrometer.
Vorzugsweise wird die Plasmaquelle durch induktive Ankopplung erzeugt.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass ein präzises, einheitliches
und keimfreies Verfahren zur Überwachung
des Entwässerungsvorgangs
vorgeschlagen wird, das es insbesondere ermöglicht, das Ende der Primärtrocknungsstufe
bei einer Gefriertrocknungsbehandlung im industriellen Maßstab zu
bestimmen. Dieses Verfahren wird eine Verbesserung der Produktivität ermöglichen,
wobei gleichzeitig der Ausschuss am Ende des Zyklus vermindert wird.
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Dank
dieses Verfahrens ist es möglich,
sich von der Veränderlichkeit
der Gefriertrocknungsbehandlung frei zu machen. Je nach Produktmenge
und Beschaffenheit der Produkte, die gefriergetrocknet werden sollen,
können
die verschiedene Stufen der Behandlung nämlich unterschiedlich lange
dauern. Dieses Verfahren ermöglicht
auch einen beachtlichen Zeitgewinn: der Beginn der Sekundärtrocknungsphase,
der zurzeit in den industriellen Verfahren empirisch ermittelt wird,
kann automatisch mittels der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung bestimmt
werden. Was Einsparungen beim Stickstoff impliziert, der zur Druckregelung
verwendet wird. Die Schwankungen der Verfahrensparameter, die je
nach Produktmenge und Beschaffenheit des Produkts, das gefriergetrocknet
werden soll, während
des Entwässerungsvorgangs
auftreten können,
werden von der Vorrichtung selbstverständlich berücksichtigt. Mit diesem Verfahren
kann man ebenfalls die Wiederholbarkeit des Verfahrens von einem
Los zum nächsten beobachten.
Wenn nämlich
bei gleicher Produktmenge und gleichen Verfahrensparametern die
Signale unterschiedlich sind, kann dieses auf ein etwaiges Problem
am Gefriertrockner, beispielsweise ein Leck hinweisen.
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Weitere
Kennzeichen und Vorteile der vorliegenden Erfindung treten im Verlauf
der nachfolgenden Beschreibung von zu Veranschaulichungszwecken
angegebenen, jedoch keineswegs einschränkend zu verstehenden Ausführungsarten
zutage und auf der beigefügten
Zeichnung, wobei die einzige Figur folgendes darstellt
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1 stellt
das Ionisierungssystem der Vorrichtung aus der Erfindung gemäß einer
besonderen Ausführungsart
dar,
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2 zeigt
eine Anlage für
die Gefriertrocknungsbehandlung von Produkten, bei der die Erfindung
eingesetzt wird,
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3 gibt
die Schwankung der Lichtstärke
I (in beliebigen Einheiten) der Linien von Wasserstoff und Stickstoff
in Abhängigkeit
von der Zeit t in Sekunden an.
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Auf 1 wird
eine besondere Ausführungsart
des Ionisierungssytems 1 der Vorrichtung gemäß der Erfindung
schematisch dargestellt. Eine Quarzröhre 2 besitzt ein
offenes Ende 2a, das mit der Kammer, in der die Gefriertrocknungsbehandlung
stattfindet, verbunden ist, und ein geschlossenes Ende 2b in Form
einer asphärischen
Linse, die eine wirksame Erfassung des Lichtes ermöglicht.
Die Plasmaquelle 3 wird in der Röhre 2 auf der Ebene
der Induktionsspule 4 gebildet. Die Spule 4 oder
die Anregeantenne ist außerhalb
der Röhre 2 um
den Bildungsbereich des Plasmas oder Anregungskammer 2c herum
gewickelt.
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Die
Verbindungsstelle 5 (Bezeichnung DN16 gemäß Norm ISO-KF)
ist aus Inox 316. Ein Dichtungsring 6 sorgt für die Dichtheit
zwischen dem Rohr 2 und der Verbindungsstelle 5.
Diese Dichtung ist aus Fluorelastomer wie „Viton®", damit sie hohen
Temperaturen standhalten kann.
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Diese
Vorrichtung ist an die Sterilisierungserfordernisse angepasst, die
im Bereich der Gefriertrocknung gegeben sind (Wasserdampf 150°C und 2 Bar
Druck): in der Tat ist der einzige Teil, der mit dem gasförmigen Medium
in Berührung
steht, das Rohr, in dem sich das Plasma bildet, die Dichtung und
die Verbindungsstelle DN16. Das Plasma wird durch eine Außenantenne
erzeugt, was somit jegliche Verunreinigung oder Ablagerung im Inneren
der Gefriertrocknungskammer verhindert. Außerdem benötigt die Plasmaquelle wenig
Raum, (beispielsweise hier 86 mm × 50 mm × 115 mm) und kann also leicht
an einer Gefriertrocknungskammer angebracht werden.
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2 stellt
die Vorrichtung gemäß einer
besonderen Ausführungsart
der Erfindung dar. Das Ionisierungssystem 1 ist mit einer
Gefriertrocknungskammer 10 über die Verbindungsstelle 6 verknüpft und
mit dem Rohr 2, das ein Ventil 11 trägt. Die
Gefriertrocknungskammer 10, welche die zu entwässernden
Produkte 12 enthält,
beinhaltet herkömmlich drei
Elemente: eine Heizquelle 13, eine Falle für die Rückgewinnung
des Wasserdampfs 14 und eine Vorvakuumpumpe 15.
Die Falle 14 wird mit der Kammer 10 über eine
Rohrleitung 18 verbunden, die ein Ventil 19 einschließt. Nach
Beendigung des Gefriervorgangs, der außerhalb oder innerhalb der
Gefriertrocknungskammer 10 durchgeführt worden sein kann, wird
die Vakuumpumpe 15 in Betrieb genommen. Das Pumpen durch
die Pumpe 15 hat den Zweck, das Absenken der Gesamttemperatur
in der Kammer 10 zu ermöglichen,
dann während
des gesamten Entwässerungsvorgangs
die Aufrechterhaltung des erreichten Drucks bei Werten, die mit
den Sublimationsbedingungen kompatibel sind. Die Sublimation erfolgt
durch Wärmezufuhr
zum Produkt, durch Leitung oder Strahlung, mittels der Heizquelle 13,
wobei das Eintreten des Schmelzens durch Halten der Temperatur unter
dem Tripelpunkt verhindert wird. Der gebildete Wasserdampf wird
dann durch die Falle 14 zurück gewonnen.
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Wenn
der Entwässerungsvorgang
beginnt, sinkt der Druck im Inneren der Kammer 10 und es
bildet sich ein Plasma innerhalb des Rohres 2 auf der Ebene
der Anregungskammer 2c. Das vom Plasma emittierte Licht
wird am geschlossenen Ende 2b des Rohrs 2 durch
einen Sensor 20 wie eine Optikfaser erfasst. Dieses Licht
wird dann beispielsweise durch eine Optikfaser 21 zu einem
optischen Emissionspektrometer 22 gelenkt, um dort analysiert
zu werden. Das emittierte Licht ist charakteristisch für die in
dem Plasma und somit in der Gefriertrocknungskammer 10 vorhandenen
Komponenten. Für diese
Anwendung werden charakteristische Linien von Wasserstoff (zum Beispiel
656 nm) und Stickstoff (zum Beispiel 337 nm) im Verlauf des Entwässerungsvorgangs überwacht.
Die Informationen können mit
Hilfe einer Verbindung 23 zu einem Computer 24 aufgezeichnet
und verarbeitet werden.
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Bei
der Primärtrocknungsphase
wird der Druck in der Gefriertrocknungskammer 10 mittels
des Regulierventils 25 stabilisiert, das an der Stickstoffspeiseleitung 26 angebracht
ist. Wenn der Druck auf Grund der Verlangsamung der Sublimation
sinkt, öffnet
sich das Ventil 25, um mehr Stickstoff einzuschießen. Wenn
die Sublimation des Wassers hoch ist, wird wenig Stickstoff eingespritzt.
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Der
Entwässerungsvorgang
läuft unter
einem Vakuum ab, das in der Regel zwischen 0,005 und 0,5 mbar liegt.
Diesbezüglich
ist eine Plasmaquelle, die durch induktive Ankopplung erzeugt wird, und
als ICP (Inductive Coupled Plasma) bezeichnet wird, gut geeignet,
denn der Bereich ihres Arbeitsdrucks geht von 0,005 bis 10 mbar.
Es ist also nicht erforderlich auf sekundäres Pumpen zurückzugreifen wie
es bei einem Massenspektrometer erforderlich sein könnte.
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3 zeigt
die Kurven 30, 31, die man durch Analyse des optischen
Spektrums erhält.
Diese Kurven 30, 31 stellen die Entwicklung in
der Zeit der Linien von Wasserstoff bei einer Wellenlänge von
656 nm (Kurve 30) dar, die den Wasserdampf darstellen, und
der Linien von Stickstoff bei einer Wellenlänge von 337 nm (Kurve 31)
im Verlauf des Entwässerungsvorgangs.
Bei der Primärtrocknungsphase
wird eine große
Menge Wasser erfasst, die auf die Sublimation des Eises (Teil A)
zurückzuführen ist.
Diese Wasserdampfmenge verändert
sich während
der gesamten Sublimationsphase kaum. Wenn die Sublimation beendet
ist, nimmt das Signal des Wasserstoffs rasch ab und umgekehrt steigt
dasjenige des Stickstoffs an. Bei diesem Übergang wird nämlich der Wasserdampf
durch den in den Gefriertrockner (Teil B) eingespritzten Stickstoff
ersetzt. Die Stabilisierung der zwei Kurven (Teil C) kennzeichnet
das Ende der Sublimation und somit das Ende der Primärtrocknung.
Die Kurven 30, 31 aus 3 der Überwachung der
Behandlung zeigen, dass die Sollwertänderung, die dem Übergang
zur Sekundärtrocknungsphase entspricht,
am Punkt D ausgelöst
wird. Die bekannte Messung des Endes der Primärtrocknung unter Verwendung
von Temperatursensoren wurde früher
angegeben, wobei die Phase noch unvollständig abgeschlossen ist.
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Selbstverständlich kann
das Verfahren zur Erfassung des Endes der Primärtrocknungsphase gemäß der soeben
erfolgten Beschreibung auf gleiche Art und Weise auf die Erfassung
des Endes der Sekundärtrocknungsphase
angewandt werden.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die explizit beschriebenen Ausführungsarten
beschränkt, sondern
sie schließt
die verschiedenen Varianten und Verallgemeinerungen ein, die dem
Fachmann verständlich
sind.