Was ist ein Gefriertrockner?
Ein Gefriertrockner ist ein Gerät zur Entfernung von Wasser aus einer Probe im gefrorenen Zustand.
Er besteht aus drei grundlegenden Komponenten:
- Kammer (Trockenkammer): Sie enthält die Probe und trocknet sie.
- Kühlfallen: Kondensatoren fangen verdampften Wasserdampf auf, indem sie ihn wieder kondensieren.
- Vakuumpumpe: Sie reduziert den Druck im Inneren des Geräts.
Das System entfernt Wasser und Lösungsmittel, indem es die vorgefrorene Probe in der Kammer unter Druck setzt und das Eis sublimiert. Die Probe kann mit minimalen strukturellen Veränderungen getrocknet werden.
Anwendungen von Gefriertrocknern
Gefriertrockner werden für Materialien verwendet, bei denen eine Verschlechterung der Qualität aufgrund von Feuchtigkeitseinflüssen in der Probe während der Langzeitlagerung bei Raumtemperatur, gekühlt oder tiefgekühlt nicht verhindert werden kann.
Lyophilisierte Proben können über lange Zeiträume bei Raumtemperatur gelagert werden, wenn sie versiegelt sind. Außerdem sind die Kosten für die Wartung der Ausrüstung während der Lagerung geringer als bei anderen Lagermethoden.
Zu den spezifischen Anwendungen gehören:
1. Lebensmittel
Gefriergetrocknete Lebensmittel sind Produkte, die durch Gefriertrocknung hergestellt werden. Dazu gehören Instantkaffee, Misosuppe und neuerdings auch Weltraumnahrung und Notfallrationen. Zu den Vorteilen der Gefriertrocknung gehört, dass sie lange haltbar sind, dass sie trocken und leicht sind, so dass sie sich für den Transport eignen und dass sie ihren Geschmack nicht so leicht verändern.
2. Pharmazeutische Produkte
Da sie ohne Erhitzung pulverisiert werden können, werden sie zur Herstellung von injizierbaren Arzneimitteln wie hitzeempfindlichen Protein- und Enzympräparaten verwendet. Auch die Verwendung von Gefriertrocknern zur Konservierung von tierischem Sperma wird erforscht.
Funktionsweise von Gefriertrocknern
Die Funktionsweise des Gefriertrocknens läuft wie folgt ab:
- Die Probe wird vorgefroren, um sicherzustellen, dass sie ausreichend gefroren ist.
- Die gefrorene Probe wird in der Kammer (Trockenkammer) gelagert.
- Primäres Einfrieren: Mit Hilfe der Vakuumpumpe wird der Druck in der Kammer gesenkt und ein Vakuum erzeugt, so dass das Lösungsmittel aus der Probe sublimieren kann. Beim Regaltyp wird die durch die Sublimation verlorene Wärmeenergie durch die Beheizung der Regale kompensiert, was eine effiziente Trocknung ermöglicht.
- Sekundäres Einfrieren: Bei der Shelf-Methode wird die Shelf-Temperatur erhöht, um Wasser zu entfernen, das als Frostschutzmittel (gebundenes Wasser) in den gelösten Komponenten enthalten ist. Dies ist ein relativ kurzer Prozess.
- Die Dekompression wird aufgehoben und die Probe wird entnommen. Bei Gefriertrocknern mit Regalplatte ermöglicht die Verwendung eines mit einem Stopfen versehenen Regals und eines mit einem Stopfen versehenen Fläschchens das Verschließen des Fläschchens, bevor die Dekompression ausgelöst wird.
Der sublimierte Wasserdampf wird in einer so genannten Kühlfalle abgekühlt und als Eis wieder aufgefangen. Je größer der Temperaturunterschied zwischen der Trocknungskammer und der Kühlfalle ist, desto schneller geht die Trocknung vor sich.
Bei Lebensmitteln besteht der Vorteil darin, dass sie sich leicht auflösen und leicht mit Wasser oder kochendem Wasser zurückgeführt werden können, aber sobald die Versiegelung aufgebrochen ist, besteht die Gefahr, dass sie oxidieren, Feuchtigkeit aufnehmen und leichter verderben.
Arten von Gefriertrocknern
Es gibt zwei Haupttypen von Gefriertrocknern: den ‚Verteilertyp‘ und den ‚Regaltyp‘.
Sie sind in einer Vielzahl von Größen erhältlich, von kleinen Geräten für den Einsatz im Labor bis hin zu großen Geräten für die Produktion. Die Trocknungskapazitäten sind sehr unterschiedlich und reichen von 150 ml bei den kleinen Modellen bis zu über 100 l bei den großen.
1. Manifold-Typ (Verteilertyp)
Dieser hat einen relativ kleinen Maßstab und ist hauptsächlich für die Grundlagenforschung geeignet, während der Regaltyp von kleinem bis großem Maßstab verwendet werden kann.
2. Regaltyp
Die Temperatur kann durch Beheizen der Regale gesteuert werden. Die für die Sublimation erforderliche Wärmeenergie kann durch die Probe kompensiert werden, so dass die Probe effizient getrocknet werden kann. Einige Regalplatten-Produkte sind auch mit einer Stopfenfunktion ausgestattet. Durch die Verwendung eines Stopfengefäßes als Probenbehälter und die Aktivierung des Stopfenbodens kann das Stopfen automatisch durchgeführt werden, während das Vakuum in der Kammer aufrechterhalten wird.