Gefriertrocknung

Die Gefriertrocknung, auch als Lyophilisierung, Lyophilisation oder Sublimationstrocknung bezeichnet, ist ein Verfahren zur schonenden Trocknung hochwertiger Produkte. Die Gefriertrocknung beruht auf dem physikalischen Prozess der Sublimation: Bei der Gefriertrocknung sublimieren die Eiskristalle ohne zwischenzeitliches Auftreten einer flüssigen Phase direkt in den gasförmigen Zustand. Das Endprodukt der Gefriertrockung wird als Lyophilisat bezeichnet.

Veranschaulichung verschiedener Trocknungsverfahren.

Gefriergetrockneter Kaffee

Schockgefrorenes Archivgut in der Gefriertrocknungsanlage des Historischen Archivs der Stadt Köln im Restaurations- und Digitalisierungszentrum

Verfahren

Die Gefriertrocknungsanlage besteht aus zwei Kammern, die miteinander verbunden und durch ein Ventil verschließbar sind. Das zu trocknende Produkt steht auf einer beheiz- und kühlbaren Stellfläche (Horden) und wird zuerst bei Normaldruck tiefgefroren. In die zweite Kammer ist eine Rohrschlange (Kondensator) eingebaut, die von einer kalten Sole oder einem Kältemittel durchströmt wird. Im nächsten Schritt der Primärtrocknung wird das im Gut enthaltene Wasser sublimiert. Das beruht auf dem Prinzip, dass Wasser auch im gefrorenen Zustand einen ausreichend hohen Dampfdruck hat, um direkt vom gefrorenen in den gasförmigen Aggregatzustand überzugehen. Dazu wird ein Vakuum angelegt.

Bei der Sublimation wird Energie aufgenommen. Weil thermische Energie aus der Umgebungstemperatur bezogen wird, würde sich die Temperatur in der Trocknungskammer im Laufe des Prozesses senken; um die Temperatur konstant zu halten, wird der Kammer daher soviel Wärme zugefügt, wie vom Wasser als Sublimationsenergie aufgenommen wird. Im Verlauf des Trocknungsprozesses besteht die Atmosphäre in den Kammern fast ausschließlich aus Wasserdampf, der sich als Eis auf den kalten Rohrschlangen des Kondensators niederschlägt. Im weiteren Prozess folgt die Sekundärtrocknung, bei der durch weiteres Erwärmen stärker gebundenes Wasser aus dem Produkt entfernt wird.

Für die Kühlung wird entweder ein Kälteträger (beispielsweise Silikonöl) eingesetzt, oder es erfolgt die direkte Beaufschlagung mit einem Kältemittel (typisch: Stickstoff oder Kohlenstoffdioxid). Die Temperaturen des Kondensators liegen typischerweise bei −60 bis −80 °C. In großindustriellen Anlagen werden oft Absorptionskältemaschinen mit dem Kältemittel Ammoniak verwendet. Der Kondensator kann durch Wasserdampf abgetaut werden, nachdem die Verbindungsklappe geschlossen wurde. Die Prozessführung kann als Batchverfahren (chargenweise Trocknung), aber auch kontinuierlich oder semi-kontinuierlich erfolgen.

Anwendungen

Gefriertrocknungsanlage für den Laborbetrieb

Ein bekanntes Beispiel aus der Lebensmittelbranche ist die Gefriertrocknung von Kaffee zu löslichem Kaffee-Granulat (Instantkaffee) und von anderen Instantpulver-Getränken. Auch Früchte für Müsli-Flocken werden gefriergetrocknet und behalten so ihre Farbe und ihren Geschmack. Des Weiteren wird das Verfahren der Gefriertrocknung bei Kräutern und Gewürzen angewandt, um sie länger haltbar zu machen, wobei die ätherischen Öle als Geschmacksträger erhalten bleiben. In der Tierfutterindustrie wird Gefriertrocknung für Fisch- und Reptilienfutter angewendet, zum Beispiel Shrimps.

Ein weiterer Einsatzbereich ist die Trocknung von pharmazeutischen Produkten; die Pharmaindustrie verwendet dieses Verfahren, um Arzneistoffe zu trocknen, die in Wasser gelöst nicht lange haltbar wären. Vor der Einnahme werden die Medikamente wieder in Wasser aufgelöst (zum Beispiel Antibiotika und neuere biotechnologisch hergestellten Arzneistoffe). Vorteilhaft sind vor allem bei Parenteralia die schnellen Lösungseigenschaften der gefriergetrockneten Substanzen, die durch die amorphe Struktur und die damit zusammenhängende leichte Benetzbarkeit und die hohe spezifische Oberfläche der gefriergetrockneten Produkte zustande kommen.

Anwendung findet die Gefriertrocknung auch in der Archäologie (zum Beispiel bei feuchtem Holz oder Leder), für gefriergetrocknete Blumen, bei Tierpräparatoren, in Bibliotheken und bei Restauratoren (wassergeschädigte Dokumente). Das Verfahren der Gefriertrocknung lässt sich bei allen sortenreinen Papieren anwenden. Dies funktioniert auch dann, wenn das Papier zu Büchern gebunden ist oder in Form eines Dokumentes vorliegt.

Die Gefriertrocknung findet ebenso Einsatz in der Lebensmittelanalytik. So wird zum Beispiel Obst oder ähnlichen Lebensmitteln, die einen hohen Wassergehalt haben (Melonen), vor der Analyse das Wasser entzogen.

Eine verbreitete Anwendung in der Keramikherstellung ist die Trocknung keramischer Pulver, z. B. nach einer Mahlung in Wasser.

Die Gefriertrocknung kann auch als eine besonders ökologische, jedoch in Deutschland nicht zulässige Form der Bestattung vorgenommen werden (Promession).

Eine weitere Anwendung besteht in der Raumfahrt. In fast allen bisherigen Raumstationen sowie für den längeren Aufenthalt gedachten Raumfahrzeugen fand bzw. findet die Gefriertrocknung Anwendung bei der Nahrungsmittelbereitstellung. Die gefriergetrocknete Nahrung wird in eingeschweißten Portionen mitgeführt oder angeliefert. Durch Zugabe von kaltem (z. B. für Getränke) oder warmen Wasser (z. B. für Mahlzeiten) wird die Nahrung rehydriert und kann verzehrt werden. Warme Mahlzeiten werden zuvor meist noch im Ofen weiter erwärmt.

Nachteile der Gefriertrocknung sind allerdings der enorme Energieaufwand und die teuren, aufwendigen Apparaturen. Deshalb ist dieses Verfahren nur bei sehr hochwertigen oder nicht anders konservierbaren Produkten überhaupt lohnend. Aus diesem Grund wird in vielen der oben genannten Fälle die Sprühtrocknung als alternative Methode eingesetzt.

Vorindustrielle Verfahren

Die Gefriertrocknung von Kartoffeln wurde in den Ursprungsländern der Kartoffel traditionell zur Entgiftung des Lebensmittels angewandt, solange noch keine züchterisch alkaloidfreien Sorten zur Verfügung standen. Das Produkt der Gefriertrocknung von Kartoffeln wird in den Anden als Chuño bezeichnet. Die Kartoffeln werden im Hochland von Peru und Bolivien nachts über längere Zeit dem Frost bei etwa minus zehn Grad ausgesetzt und tagsüber mit Stroh abgedeckt. Nach einiger Zeit werden sie gewässert und erneut gefroren.

Vorteile

• die ursprüngliche Struktur des Trocknungsgutes bleibt erhalten z. B. bei Pflanzen, Papier etc.
• schonende Trocknung durch geringere Trocknungstemperaturen
• keine Ausblutung von Druckfarben
• Aromastoffe bleiben besser erhalten als bei herkömmlichen Trocknungsverfahren
• sehr empfindliche Papiere können mit diesem Verfahren getrocknet werden
• bessere Qualität vor allem bei Lebensmitteln
• durch die poröse Struktur des Produktes sehr schnelle Auflösung bei gefriergetrockneten Lösungen
• gutes Quellvermögen
• vitaminschonend

Nachteile

• hoher Energieeintrag nötig
• hohe Anschaffungskosten für die benötigten Anlagen
• großer Zeitaufwand im Gegensatz zu anderen Trocknungsarten
• an den einzelnen Papierfasern können ungleichmäßige Spannungen auftreten; dies kann ein Wellen beziehungsweise Verziehen der Bücher zur Folge haben - bei starken Bucheinbänden oder dicken Kartonagen ist dieser Effekt besonders ausgeprägt
• durch die große Oberfläche steigt die Oxidationsanfälligkeit

Siehe auch

• Vitrifizierung
• Sprühtrocknung

Weiterführende Literatur

• Stephan Alexander Maier: Entwicklung eines Mini-Gefriertrockners. Dissertation, Universität Bonn, 2003

Weblinks

 Commons: Gefriertrocknung – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Deutscher Kaffeeverband e. V. gute Erklärung der Herstellung von löslichem Kaffee
• Pharmazeutische Anwendungen, neueste Technik, PAT Eine Forschungsgruppe an der Uni Erlangen stellt die Gefriertrocknung und alle pharmazeutischen Belange vor
• Führung durchs Space Shuttle Astronaut Ulrich Walter gibt eine Führung durch das Space Shuttle Columbia; STS-55;