Die Gefriertrocknung ist ein Verfahren zur Entfernung des Wassers aus einem wasserhaltigen eingefrorenen Produkt, z. B. aus Pharmaka oder 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 Tro- ckenkammer deutlich kleiner sein als 1,03 mbar, also z. B. 0,5 mbar. Zweck- mäßig ist es deshalb, einen gegenüber diesem Druckwert kleinen Druck, z. B.

0,15 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 Eis- kondensator, über ein Ventil angeschlossen ist.

Kennzeichnend für den Ablauf des Trocknungsprozesses sind im wesentlichen zwei Trocknungsphasen. Solange sich noch kristallisiertes (gefrorenes) Was- ser in dem Produkt befindet, nennt man diesen Trocknungsabschnitt die Haupt-oder Sublimationstrocknung. Während der Haupttrocknung darf die Temperatur des Produktes bestimmte, meist weit unter 0° C gelegene Werte nicht überschreiten, um eine Beeinträchtigung der Qualität und/oder der Ei- genschaften des Produktes zu vermeiden. Mit fortschreitender Trocknung werden die im Produkt vorhandenen Eiskerne immer kleiner. Liegt kein Was- ser 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 einer Nach-oder Desorptionstrocknung statt. Die in dieser Phase desorbierbare Wassermenge hängt von der Temperatur des Pro- dukts, der Art der Wasserbindung und der jeweils noch vorhandenen Wasser- menge ab. Die Nachtrocknung wird durch eine weitere Änderung der den Ab- lauf des Trocknungsprozesses bestimmenden physikalischen Bedingungen eingeleitet.

Es ist bekannt, den Verlauf eines Gefriertrocknungsprozesses über thermody- namische Daten, die während des Trockenverlauf gemessen werden, zu doku- mentieren und zu steuern (vgl. Georg-Wilhelm Oetjen, Peter Haseley"Freeze- Drying", Seiten 273 ff., Wiley-Verlag, Weinheim, 2004).

Zum Stand der Technik gehört auch noch der Inhalt der internationalen Veröf- fentlichung WO 98/50 744. In diesem Dokument ist offenbart, wie die Tempe- ratur an der Sublimationsfront, bzw. die Temperatur des im zu trocknenden Gutes eingeschlossenen Eises, zur Steuerung der Haupttrocknung und des Ü- bergangs von der Haupttrocknung zur Nachtrocknung benutzt werden kann.

Während der Haupttrocknung erfolgt die Messung der Eistemperatur in der Weise, dass das Ventil zwischen der Gefriertrocknungskammer und der Eva- kuierungseinrichtung für eine kurze Zeit (wenige Sekunden) abgesperrt wird.

In dieser Zeit stellt sich in der Gefriertrocknungskammer ein Gleichge- wichtswasserdampfdruck 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"ba- rometrische Temperaturmessung"bekannt und in der DE-PS 10 38 988 offen- bart.

Die beschriebene Messung der Eistemperatur ist technisch und zeitlich auf- wendig. Sie setzt das Vorhandensein eines Ventils zwischen Gefriertrock- nungskammer und Evakuierungseinrichtung voraus. Die Ventilschließzeiten verlängern nicht nur den Gefriertrocknungsprozess selbst, sie sind darüber hinaus mit einer Gefährdung des Produkts verbunden. Es besteht die Gefahr, dass während der Absperrzeiten unzulässige Temperaturerhöhungen des eis- haltigen Gutes eintreten, die zu einer Minderung der Produktqualität führen.

Die vorbekannte Messung der Eistemperatur ist von der richtigen Erkennung des Sattdampfdruckes abhängig. Das setzt eine Mindestmenge an Eis pro Kammervolumen voraus, ist also bei kleinen Eismengen in großen Trocken- kammern nur ungenau oder nicht möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Ablauf eines Ge- friertrocknungsprozesses in Bezug auf seine Dokumentation zu verbessern und gleichzeitig eine Reduzierung des technischen Aufwandes bei einer für die Durchführung dieses Verfahrens geeigneten Einrichtung zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.

Durch die Erfindung wird in einfacher Weise erreicht, dass zu jedem Zeit- punkt während des Ablaufs des Gefriertrocknungsprozesses bekannt ist, wel- che Wassermenge zum Kondensator gelangt bzw. welche Wassermenge noch im Produkt vorhanden ist. Voraussetzung ist, dass die im Produkt enthaltene Wassermenge bei Beginn des Gefriertrocknungsprozesses bekannt ist. Diese Voraussetzung ist stets erfüllt.

Zweckmäßig wird die Wasserdampfströmung zwischen dem Produkt und dem Kondensator aus laufenden (z. B. 10 bis 100 mal/s) Messungen des Wasser- dampfpartialdruckes und dem Strömungswiderstand für den Wasserdampf zwischen den Stellflächen und dem Kondensator ermittelt. Der Wasserdampf- partialdruck kann zum Beispiel mit Hilfe eines Infrarotanalysegerätes exakt gemessen werden. Von einer richtigen Erkennung des Sattdampfdruckes, d. h. von einer Mindestmenge an Eis pro Kammervolumen, sind solche Messungen unabhängig.

Besonders vorteilhaft ist weiterhin, dass die Eistemperatur nicht mehr gemes- sen werden muss. Der beschriebene, mit der Messung der Eistemperatur ver- bundene zeitliche und technische Aufwand entfällt. Der Trocknungsvorgang kann durch die schon abtransportierte oder noch vorhandene Wassermenge dokumentiert und gesteuert werden. Bei einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auf ein Ventil zwischen Gefrier- trocknungskammer und Evakuierungseinrichtung, welche Durchmesser bis zu 1 m haben, verzichtet werden. Es besteht darüber hinaus der Vorteil, dass die Produkt-Stellflächen und die Evakuierungseinrichtung in einem Raum unter- gebracht sein können.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 und 2 schematisch dargestellten Einrichtungen zur Durchführung der Gefriertrocknung erläutert werden. Es zeigen Figur 1 eine Gefriertrocknungseinrichtung mit einer Kammer und einem daran angeschlossenen Kondensator und Figur 2 eine Gefriertrocknungseinrichtung mit einer Kammer, in der sich neben den Stellflächen auch der Kondensator befindet.

Die in Figur 1 dargestellte Gefriertrocknungseinrichtung umfasst die Kammer 1 mit ihren Stellflächen 2 und den daran angeschlossenen Kondensator 3 mit seiner Kammer 4 und seinen Kondensationsflächen 5. Auf den Stellflächen 2 befinden sich Behälter (Fläschchen 6) mit gefrierzutrocknendem Produkt. Die Stellflächen 2 sind temperierbar. Sie sind Bestandteil eines im einzelnen nicht dargestellten Temperierkreislaufs mit Kältemaschine und Förderpumpe. Wäh- rend der Heizphase wird die Kältemaschine abgeschaltet und das Kühl- /Heizmedium elektrisch geheizt. Eine dem Verschluss der Fläschchen 6 inner- halb der Kammer 1 und nach der Durchführung der Trocknung dienende Ap- paratur ist generell mit 7 bezeichnet. Sie umfasst die Druckplatte 8 und die Betätigungseinrichtung 9.

Zwischen der Gefriertrocknungskammer 1 und der Kondensatorkammer 4 be- findet sich die Öffnung 10, die mit einem kondensatorseitig angeordneten Ventil 11 verschließbar ist. Es umfasst einen in Richtung Gefriertrocknungs- kammer 1 gewölbten Ventilteller 12 und einen Antrieb 13.

Zur Trocknung des in den Fläschchen 6 befindlichen eingefrorenen Produkts werden zunächst in der Kammer 1 der erforderliche Unterdruck erzeugt und die Stellflächen 2 temperiert. Bei offenem Ventil 11 strömt der aus dem Pro- dukt austretende Wasserdampf zu den Kondensationsflächen 5 des Kondensa- tors 3. Nach und nach nimmt die noch im Produkt vorhandene Wassermenge ab.

Um zu dokumentieren, welche Wassermenge noch im Produkt vorhanden ist bzw. welche Wassermenge bereits abtransportiert wurde, wird erfindungsge- mäß ein Gerät eingesetzt, das laufend den Wasserdampfpartialdruck in der Kammer 1 misst. Es ist in den Figuren lediglich als Block dargestellt und mit 15 bezeichnet. Es muss sich um ein Gerät handeln, das Wasserdampfpartial- drücke genau und möglichst trägheitslos misst, und zwar zwischen 1 mbar und 10-3 mbar mit einer Reproduzierbarkeit von etwa 1%. Vorzugsweise wird ein Gerät verwendet, das die Wasserdampfabsorptionsbanden im infraroten Spekt- ralbereich benutzt. Geräte dieser Art sind empfindlich gegen Temperatur- schwankungen im Wasserdampf. Schematisch angedeutet sind deshalb das Ge- rät 15 umgebende Abschirmbleche 16, die zweckmäßig temperierbar sind, um die Temperatur des Gerätes 15 auf einen bestimmten Wert einzustellen. Fer- ner sind in einer Gefriertrocknungsanlage Restmengen Luft (z. B. 5-10%) vor- händen und eventuell Spuren von Lösungsmitteln aus der Herstellung der Me- dikamente oder Gase aus der Herstellung von Lebensmitteln (z. B. CO2 in Kaf- feegranulaten). Die Infrarot-Spektroskopie erlaubt die Wellenlängen so aus- zusuchen, dass keine Interferenzen zwischen den Wasser-und anderen Banden auftreten oder, wenn das in Ausnahmefällen nicht möglich sein sollte, die Ab- sorptionsspektren mathematisch so zu analysieren, wie sie ohne Interferenz aussehen würden. Auch ein Massenspektrometer könnte eingesetzt werden.

Der Einsatz von Massenspektrometern zur Messung des Wasserdampfpartial- druckes in Gefriertrocknungskammern ist jedoch zur Zeit nur mit einem hohen technischen Aufwand möglich.

Das Messgerät 15 liefert möglichst häufig, vorzugsweise 10 bis 100 mal pro Sekunde, elektrische Signale, die dem jeweils innerhalb der Kammer 1 herr- schenden Wasserdampfpartialdruck entsprechen. Diese Signale werden einem Rechner 17 zugeführt, mit dessen Hilfe die bereits abtransportierte Wasser- menge berechnet und z. B. im Display 18 angezeigt werden kann. Der Rechner 17 benötigt darüber hinaus Informationen über in der Kammer 1 herrschende Drücke und/oder Temperaturen (z. B. Stellflächentemperaturen), sei es um während der Ermittlung der Wasserdampfströmung den Druck berücksichtigen zu können oder sei es um Steuerverfahren, die solche Informationen benöti- gen, zu veranlassen. Sensoren und Leitungen, die der Übertragung der Infor- mationen aus der Kammer zum Rechner 17 dienen, sind im einzelnen nicht dargestellt.

Unter den Voraussetzungen, dass die Temperaturschwankungen im Wasser- dampf an der Messstelle nicht von den Temperaturen anderer Bauteile, z. B. von den Türen und Wänden der Trocknungskammer, beeinflusst werden und dass die Strömungsgeschwindigkeit des Wasserdampfs an der Messstelle klein ist gegen die Schallgeschwindigkeit, kann der Wasserdampfpartialdruck mit Hilfe eines Infrarot-Messgerätes laufend sehr genau gemessen werden. Aus den gelieferten Messwerten und dem bekannten (vorab mehrfach bei verschie- denen Drücken gemessenen und im Rechner 17 abgelegten) Strömungswider- stand für die jeweilige Anordnung Kammer-Kondensator kann laufend die Dampfströmung ermittelt und über eine zeitliche Integration die abtranspor- tierte Wassermenge errechnet werden.

Aus dem Buch Diels/Jaeckel, Leybold Vakuum-Taschenbuch, 2. Auflage, Springer-Verlag 1962, Seiten 20/21 gilt für die Durchflussmenge G eines Ga- ses, z. B. Wasserdampf, im Vakuum G = 103 o/W mit o = Gasdichte W = Strömungswiderstand und für den Strömungswiderstand W=12D/pl+p2 mit D = Anlagen-Charakteristik pl = Wasserdampfpartialdruck in der Trocknungskammer p2 = Wasserdampfpartialdruck in der Kondensatorkammer D ist durch die Länge der Transportwege und deren Querschnitte sowie durch den Reibungskoeffizienten des Gases bestimmt. Sieht man den Reibungskoef- fizienten bei bekanntem Druck unter den obigen Voraussetzungen als konstant an, lässt sich G in Abhängigkeit von pl und p2 errechnen. Wenn p2 klein ist gegen pl, wie es bei der Gefriertrocknung üblich ist, genügt die genaue Mes- sung von pl, um konkrete Werte für G zu erhalten. Das Integral über G vom Zeitpunkt des Beginns der Gefriertrocknung an bis zu den jeweiligen Mess- Zeitpunkten ergibt die jeweils zu diesem Zeitpunkt abtransportierte Wasser- menge.

Die Messung der vom Strömungswiderstand in einer Gefriertrocknungsein- richtung abhängigen Wasserdampfströmung G ist z. B. auf den Seiten 129,130 im oben erwähnten Buch"Freeze-Drying"beschrieben. Sie hängt stark vom Wasserdampfpartialdruck ab und muss daher wegen des Reibungskoeffizien- ten bei mehreren Drücken gemessen werden.

Mit diesem im Rechner gespeicherten Verfahren lässt sich der Gefriertrock- nungsprozess während der Haupttrocknung (Sublimationstrocknung) und auch während der Nachtrocknung (Desorptionstrocknung) durch die schon abtrans- portierte bzw. noch vorhandene Wassermenge dokumentieren. Das Umschal- ten von Haupt-auf Nachtrocknen, das z. B. mit einer Erhöhung der Stellplat- tentemperatur und einer Erniedrigung des Druckes in der Kammer verbunden ist, erfolgt, wenn eine von den Produkteigenschaften abhängige Wassermenge abtransportiert ist, z. B. 98%, oder-bezogen auf den Feststoff-noch einen vorgegebenen Wassergehalt in Prozent des Feststoffes aufweist, z. B. 8%.

Auch der Endpunkt der Nachtrocknung-z. B. vorgegeben bei 0,8%-ist direkt messbar.

Dem Rechner 17 nachgeordnet ist ein Steuergerät 19. In Abhängigkeit von den vom Rechner gelieferten Ergebnissen kann mit Hilfe des Steuergerätes der gesamte Ablauf des Gefriertrocknungsprozesses, z. B. der Druck in der Kammer 1, die Stellflächentemperatur, die Betätigung des Ventils 11, die Umschaltung von Haupt-auf Nachtrocknung usw. gesteuert werden. Die für solche Steuerverfahren notwendigen Bauteile-Ventile, Sensoren usw.-sind im einzelnen nicht dargestellt.

Die weiter oben angegebenen Voraussetzungen für die laufende genaue Mes- sung des Wasserdampfpartialdruckes mit Hilfe des Gerätes 15 haben Einfluss auf die Art und Weise, wie es innerhalb der Trocknungskammer 1 angeordnet wird. Die Abschirmbleche 16 haben bereits die Wirkung, dass die Tempera- turschwankungen am Ort des Gerätes klein sind. Zweckmäßig sind weitere Abschirmungen 21 vorhanden, die sich zwischen den Stellflächen und den seitlichen Kammerinnenflächen befinden. Abschirmungen dieser Art sind in der internationalen Veröffentlichung WO 03/012355 offenbart. Sie sind zweckmäßig temperierbar-auch unabhängig von den Stellflächen-und ver- meiden störende Einflüsse der Kammerwandtemperatur auf das in den Fläsch- chen 6 befindliche Produkt und damit auch auf das Messgerät 15. Da im Be- reich der Öffnung 10 zum Kondensator 3 Wasserdampfströmungen mit höhe- ren Geschwindigkeiten zu erwarten sind, befindet sich das Gerät 15 zweck- mäßig im oberen Bereich der Kammer 1.

Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist der Kondensator 3 an die Öffnung 10 der Gefriertrocknungskammer 1 angeschlossen. Diese mit dem Ventil 11 verschließbare Öffnung 10 sollte die engste Stelle für den Wasserdampftrans- port zum Kondensator 3 ein. Es ist deshalb zweckmäßig, die Position des Ventiltellers 12 in seiner Offenstellung so zu wählen, dass die Fläche des vom Ventil freigegebenen Ringspaltes größer ist als die Öffnung 10.

Der Antrieb 13 des Ventils 11 befindet sich auf der von der Öffnung 10 ab- gewandten Seite des Kondensators 3. Das Verbindungsglied 22 zwischen An- trieb 13 und Ventilteller 12 durchsetzt die konzentrisch gewickelte und axial angeordnete Rohrschlange, die die Kondensatoroberfläche 5 bildet. Es kann einen konischen Verdrängungskörper 23 tragen, dessen Durchmesser in Dämpfströmungsrichtung zunimmt. Sein zunehmender Durchmesser entspricht der Abnahme des Dampfvolumens.

In der unteren Seite des Kondensators 3 ist ein Wasserablauf 24 vorgesehen.

Während des Abtauens des niedergeschlagenen Eises wird er geöffnet. Der Vakuumanschluss ist mit 25 bezeichnet. Eine innerhalb der Kondensatorkam- mer 4 angeordnete Leitung 26 sorgt dafür, dass sich die Gaseintrittsöffnung im unteren Bereich des Kondensators 3 befindet.

Bei der Ausführung nach Figur 2 befinden sich die Kaltflächen 5 des Konden- sators, bestehend aus einem Rohrbündel 28, ebenfalls in der Kammer 1. Wie beim Kondensator 3 nach der Figur 1 sind ein Wasserablauf 24 und ein Vaku- umanschluss 25,26 vorgesehen.

Beim Wasserdampfanalysegerät 15 fehlt die Abschirmung 16. Stattdessen sind nicht nur seitliche Abschirmungen 21 der Stellflächen 2 sondern auch ober- halb der Stellfläche 2 und unterhalb des Rohrbündels 28 weitere Abschirmun- gen 29 vorgesehen. Sie sorgen neben der Vermeidung von ungleichmäßigen Temperaturverteilungen im Bereich des Produkts auch für eine gleichbleiben- de Temperatur des Gerätes 15.

Reichen diese Maßnahmen für die Erzielung einer gleichbleibenden Tempe- ratur des Gerätes 15 nicht aus, besteht noch allgemein die Möglichkeit, die Temperaturabhängigkeit des Gerätes 15 zu erfassen, im Rechner 17 zu spei- chern und die gelieferten Messwerte jeweils auf eine konstante Temperatur umzurechnen.

Bei der Ausführung nach Figur 2 ist die untere Öffnung, bestimmt durch die seitlichen Abschirmungen 21, maßgebend für den Wasserdampfstrom. Sie kann ausreichend groß gemacht werden. Nimmt man z. B. einen Trockenraum innerhalb der Abschirmungen von 1, 5 m Breite, 2 m Höhe und 1,5 m Tiefe an, lassen sich bei ca. 25 cm freiem Durchtritt ca. 5 qm Transportfläche für den Wasserdampf erreichen. Bei einem Ventil von 1,2 m freien Durchmesser, das technisch etwa das größte machbare Ventil ist, entstehen ca. 1, 1 qm Transportfläche.

Die Anordnung nach Figur 2 hat besondere Vorteile für die Gefriertrocknung bei tiefen Drücken. Wie im bereits mehrfach erwähnten Buch"Freeze- Drying", Seiten 288,289 beschrieben, können in einem Trockenraum von ca.

4,5 m z. B. etwa 20.000 Flaschen untergebracht werden. Muss während der Haupttrocknung eine Eistemperatur kleiner minus 42° C eingehalten werden, beträgt der dazu erforderliche Druck ca. 0,06 mbar. Dann wäre ein Ventil mit ca. 1 m Durchmesser erforderlich.

Für Anlagen bei tiefen Eistemperaturen und eine Vielzahl von Flaschen, z. B.

30 bis 70.000, sind Lösungen mit Ventilen technisch nicht mehr praktikabel.

Stattdessen können nicht nur runde, sondern auch lange, schlitzförmige Öff- nungen vorgesehen sein, was die oben erwähnten Rechnungen gezeigt haben.

Zusammengefasst werden durch die Erfindung folgende Vorteile erreicht : - Umrüstung vorhandener Anlagen mit Ventil sind möglich.

- Die technisch maximale Ventilgröße-etwas über 1 m-begrenzt den Dampftransport insbesondere bei tiefen Drücken (z. B. kleiner 0,08 mbar) nicht mehr. Kammer und Kondensator können in einem Raum angeordnet sein.

- Das Ventil zwischen Kammer und Kondensator kann entfallen. Das ist bei Produktionsanlagen und großen Ventilen ein wesentlicher Kostenfaktor, auch in Bezug auf die Betriebssicherheit (das entfallene Ventil kann zu keiner Störung führen).

- Ohne Druckanstiegsmessungen gibt es kein Argument mehr, dass eine ab- geleitete Größe zur Steuerung des Prozesses benutzt wird. Die transpor- tierte Wassermenge wird gemessen.