Stickstoff Flüssig – eine Chance für die Umwelt bei der Gefriertrocknung
Die Gefriertrocknung oder auch Lyophilisation ist häufig das Verfahren der Wahl, wenn eine schonende Trocknung von Proteinen und Impfstoffen durchgeführt werden muss. Es lassen sich fast alle Früchte gefriertrocknen. Vorzugsweise wird hier flüssiger Stickstoff als Kältemittel eingesetzt, um das Klima zu schützen und das Global Warming Potential (GWP Kältemittel) zu reduzieren.
Grundlagen der Gefriertrocknung
Bei der Gefriertrocknung wird dem Produkt über den Weg der Sublimation Wasser entzogen oder alternativ ein anderes gefrorenes Lösemittel eingesetzt. Anschliessend werden die noch gebundenen Wassermoleküle durch Diffusion und Desorption entfernt.
Gefriertrocknung wird synonym auch als Lyophilisation bezeichnet. Bei einer gut kontrollierten Gefriertrocknung wird die Produkttemperatur während des gesamten Prozesses konstant niedrig gehalten. So werden strukturelle Veränderungen in der getrockneten Produktmatrix verhindert, die sich negativ auf Aussehen und Eigenschaften auswirken könnten.
Ein Gefriertrocknungsprozess besteht aus mehreren Schritten: Zunächst wird die Probe vorbereitet. Die Formulierung als Lösung oder Suspension wird in das entsprechende Packmittel (Vials, Flaschen, Schalen, Bulk) überführt. Anschliessend wird der Gefriertrockner mit den Proben beladen. Das Einfrieren geschieht unter Atmosphärendruck. Die Primärtrocknung (Wasser Sublimation) findet unter Vakuum statt. Auch die Sekundärtrocknung (Diffusion und Desorption) läuft unter Vakuum. Gegebenenfalls ist ein Einleiten von Inertgas und das Verschliessen unter Teilvakuum nötig. Anschliessend kann das Produkt entnommen werden. Bei einer erfolgreichen Gefriertrocknung profitieren Sie von:
- Längere Haltbarkeitsdauer
- Schonende Trocknung
- Akzeptables Gehalt an aktivierbaren Inhaltsstoffen
- Kurze und vollständige Rekonstitution
- Ansehnliches Aussehen
- Umweltschonender Prozess
Bei einer gut eingestellten Gefriertrocknungsanlage ist der Prozess bei den definierten Parametern (Temperatur, Druck und Trocknungsdauer) zuverlässig reproduzierbar. Die Hauptbestandteile eines Gefriertrockners sind das Kühlsystem, das Vakuumsystem, das Kontrollsystem sowie die Produktkammer und der Kondensator. Das Kühlsystem kühlt den (Eis-)Kondensator im Inneren des Gefriertrockners. Es kann zudem zur Kühlung der Stellflächen verwendet werden, um das Produkt einzufrieren. Die Vakuumpumpe ist an den Kondensator angeschlossen.
Zusammen mit langjährigen Marktpartnern bietet Carbagas Ihnen einen zuverlässigen Service an, um eine umweltschonende Gefriertrocknung durchzuführen.
Was passiert bei der Wasser Sublimation?
Unter Wasser Sublimation versteht man den direkten Übergang eines Stoffes von der festen in die gasförmige Phase unter Umgehung der flüssigen Phase. Das Verständnis der physikalischen Hintergründe der Sublimation ist grundlegend für die erfolgreiche Anwendung der Gefriertrocknung. Damit Sublimation stattfinden kann, sind niedrige Drücke nötig. Für einen Phasenübergang ist Energie notwendig. Diese wird bei der Gefriertrocknung in Form von Wärme in das gefrorene System eingebracht. Die Sublimation in der Gefriertrocknung läuft folgendermassen ab:
- Einfrieren – Das Produkt wird vollständig durchgefroren.
- Vakuum – Anschliessend wird ein tiefes Vakuum angelegt, das deutlich unter dem Tripelpunkt von Wasser liegt.
- Trocknung – Durch Erhöhung der Temperatur wird Wärmeenergie zugeführt, wodurch das Eis sublimiert.
Vorteile von Gefriertrocknen mit Flüssigstickstoff
Bei den Gefriertrocknungsanlagen setzt Carbagas flüssigen Stickstoff als Kältemittel ein. Flüssigstickstoff ist eine umweltfreundliche Alternative zur konventionellen Kühlung mit Fluorkohlenwasserstoffen (FKW). Mit dieser Form der Kühlung kann das Klima geschützt werden. Bei der Gefriertrocknung mit Stickstoff werden alle GMP-Anforderungen sicher eingehalten. Die Proteine, Kulturen, Früchte, etc. werden zunächst kontrolliert eingefroren. Anschliessend lässt man sie schonend trocknen. Der Vorteil an diesem Verfahren ist die Schnelligkeit der Trocknung Die Kondensatortemperatur ist individuell und stufenlos regelbar von -50 °C bis -100 °C.
Klima schützen mit dem Kältemittel Stickstoff: Ein umweltschonendes Verfahren
Der flüssige Stickstoff in der Gefriertrocknung wird in Luftzerlegungsanlagen umweltschonend hergestellt, da die angesaugte Luft gefiltert und durch Kompression auf ca. 130 °C erhitzt wird. Vor der Verflüssigung und Rektifikation wird die Luft durch Molekularsiebe und Ausfrieren bei ca. -180 °C von Wasser, Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffen befreit. Der flüssige Stickstoff selbst hat eine Siedetemperatur von -195,79 °C (bei 1,013 bar).
Grundlagen zur Herstellung von flüssigem Stickstoff, auch für die Gefriertrocknung
Luftverflüssigung
Die Luft wird zunächst von Wasserdampf, Staub und CO2 gereinigt. Ein Kompressor verdichtet die Luft dann auf einen Druck von 200 bar. Anschließend wird die Luft über ein Drosselventil oder einer Turbine entspannt. Ihre Temperatur sinkt im ersten Schritt um ca. 45 K auf ca. -25 °C. Diese abgekühlte Luft wird über einen Gegenstrom-Wärmetauscher in den Kompressor zurückgeleitet. Somit dient die Luft zur Kühlung weiterer komprimierter Luft vor deren Entspannung. Durch diesen Prozess wird die Luft allmählich so tief gekühlt, dass bei 20 bar Verflüssigung eintritt.
In einem offenen Gefäß unter Atmosphärendruck nimmt flüssige Luft eine Temperatur von etwa -190 °C = 83 K an. Durch das Sieden der flüssigen Luft bleibt ihre niedrige Temperatur erhalten und ihre Verdampfungswärme wird entzogen. Die Menge der absiedenden Luft wird geregelt, da die durch die Wärmeleitung oder Einstrahlung zugeführte Wärme im Gleichgewicht mit der verbrauchten Verdampfungswärme ist. Je nach Größe und Isolierung des Behälters kann so die flüssige Luft einige Stunden bis viele Tage erhalten bleiben. Flüssige Luft darf jedoch keinesfalls in verschlossenen Behältern aufbewahrt werden, da der durch allmähliche Erwärmung steigende Innendruck diese sonst zum Bersten bringt.
Fraktionieren der verflüssigten Luft
Flüssige Luft kann mittels Fraktionieren in ihre Bestandteile zerlegt werden: Man nutzt die unterschiedlichen Siedepunkte der einzelnen Luftbestandteile aus. Allerdings liegen die Siedepunkte von Sauerstoff und Stickstoff sehr dicht zusammen. Man benutzt daher eine Rektifikationssäule: Die flüssige Luft läuft über mehrere Rektifikation-Böden im Gegenstrom zum aufsteigenden Gas nach unten. Sie nimmt den Sauerstoff aus dem Gas auf und gibt Stickstoff ab. Um das Klima zu schützen, werden bei der Rektifikation keine umweltschädlichen Kältemittel GWP eingesetzt.
Bei der Verwendung von flüssigem Stickstoff für die Gefriertrocknung kann auf den Gebrauch von giftigem Fluorkohlenwasserstoff als Kältemittel verzichtet werden.
Selber gefriertrocknen – schnell trocknen ganz bequem bei Ihnen vor Ort
Mithilfe der Carbagas Anlagen und der zuverlässigen Stickstofflieferung können Sie problemlos zu Hause oder im Labor selber gefriertrocknen. Bei der Vakuumgefriertrocknung werden kleine Laborgeräte angeboten.
Typisch ist ein Trockner mit einem Anschlussrohr für Flaschen oder Kolben (Trockenrechen). Hier wird das Produkt üblicherweise ausserhalb der Anlage eingefroren. Bei Stellflächengefriertrocknern wird das Produkt in Schalen oder in Vials auf den Stellflächen platziert. Eine andere gängige Einteilung ist nach Grösse (Kapazität) und Anwendung – also Laborgeräte für R&D, Pilotanlagen für Prozessentwicklung, Scale-up sowie Produktionsanlagen. Oftmals werden Pilotanlagen neben Scale-up und Prozessentwicklung auch für Formulierungs-Entwicklungsarbeiten und Kleinansätze genutzt.
Durch den Einsatz von flüssigem Stickstoff in der Gefriertrocknung eröffnen sich auch im innovativen Zukunftsmarkt der Biopharmazie neue Einsatzmöglichkeiten. Während andere herkömmliche GWP Kältemittel beim Einfrieren von Proteinen (Lyophilisation Proteine) unterhalb von Kristallisationstemperaturen von -40 °C an ihre Grenzen stossen, eignet sich flüssiger Stickstoff ideal. Zusätzlich belastet Stickstoff Flüssig die Umwelt nicht, da hierbei kein Kältemittel (GWP) eingesetzt wird und somit das Klima geschützt wird. Ein weiterer Vorteil des Stickstoffs stellen die weiteren Verwendungsmöglichkeiten dar. Beispielsweise kann er als Inertgas zur Einhaltung einer kontrollierten Atmosphäre genutzt werden. Solche und weitere Anwendungen verbessern die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der Gefriertrocknung.
