Gefriertrocknung – Lyophilisation

Ist von Gefriertrocknung oder Lyophilisation die Rede, meint man damit, die Extrahierung von Wasser aus einem feuchten Produkt. Damit wird dieses in einen festen Zustand überführt und im nächsten Schritt das Eis sublimiert. Das Endprodukt ist schwammig, ähnelt aber in Größe und Form dem Ausgangsmaterial. Gibt man Wasser dazu, wird rasch der ursprüngliche Zustand wieder hergestellt. Gefriertrocknung findet in den unterschiedlichsten Bereichen Anwendung, vor allem aber in der Pharmaindustrie, der Nahrungsmittelproduktion sowie bei der Restauration.

Drei einfache Schritte sind zur Gefriertrocknung notwendig
Grundsätzlich sind Produkte, die gefriergetrocknet werden, sehr komplexe Mischungen aus Wasser und zugefügten Substanzen. Wenn diese unter 0 Grad Celsius abgekühlt werden, entstehen reine Eiskristalle, die sich vom eigentlichen Produkt abtrennen. Wird nun weitergekühlt, wird das Material starr. Zwischen – 15 und – 78 Grad Celsius werden die meisten biologischen Mitteln sowie sämtliche Nahrungsmittel komplett fest, da alles enthaltene Wasser zu Eis gefriert. Die Qualität und die Geschwindigkeit des Trocknungsprozesses hängen von der Größe und der Form sowie der Größenverteilung der Eiskristalle ab, die während des Gefrierprozesses gebildet werden. Da diese Eigenschaften aber auch die Homogenität der zu Eis erstarrten Masse beeinflussen, ist es wichtig, dass der Gefrierprozess unter ganz individuellen Bedingungen, die ständig kontrolliert werden müssen stattfinden. Dies muss hauptsächlich hinsichtlich Druck, Temperatur und Dauer der Behandlung durchgeführt werden.

Zweiter Verfahrensschritt stellt das Sublimieren dar
Im zweiten Schritt der Gefriertrocknung wird die gefrorene Substanz einem Vakuum ausgesetzt. Es erfolgt eine Sublimation der Eiskristalle, die quasi infolge der Wärme- und Stoffübertragung zerlegt werden. Der dabei entstehende Wasserdampf wird an die Sublimationsoberfläche transportiert, womit klar wird, dass Wärme- und Stoffübergangswiderstände direkt im Material für die Geschwindigkeit der Sublimation ausschlaggebend sind und wesentlichen Einfluss darauf haben. Die Wärmemenge kann dabei entweder durch Leitung, Strahlung oder Infrarotstrahler, aber auch etwa durch die Mikrowelle erzeugt und übertragen werden. Nachdem die Oberfläche nur eine begrenzt zulässige Temperatur aufnehmen kann, ist es wichtig, bei diesem Umwandlungsschritt darauf zu achten, dass die Erhitzung auf eine maximal zulässige Temperatur beschränkt wird.

Weitere Entwässerung wird anschließend notwendig
Nachdem das Eis sublimiert wurde, muss wieder eine Entwässerung durchgeführt werden. Dies dient dazu, dass das Wasser, das gebunden wurde, nicht auskristallisiert. Bei diesem Verfahrensschritt wird die Temperatur erhöht und gleichzeitig ein Vakuum erzeugt, womit der Endzustand des gefriergetrockneten Produktes erreicht und das Wasser komplett entfernt wird.