Gefriertrocknung
Die Gefriertrocknung, auch Gefriertrocknung oder Kryodesikkation genannt, ist ein Trocknungsverfahren bei niedriger Temperatur, bei dem das Produkt eingefroren, der Druck gesenkt und dann das Eis durch Sublimation entfernt wird. Dies steht im Gegensatz zu den meisten herkömmlichen Verfahren, bei denen das Wasser durch Hitze verdampft wird. ⓘ
Aufgrund der niedrigen Temperatur, die bei der Verarbeitung verwendet wird, ist die Qualität des rehydrierten Produkts hervorragend. Wenn feste Gegenstände wie Erdbeeren gefriergetrocknet werden, bleibt die ursprüngliche Form des Produkts erhalten. Handelt es sich bei dem zu trocknenden Produkt um eine Flüssigkeit, wie dies häufig bei pharmazeutischen Anwendungen der Fall ist, werden die Eigenschaften des Endprodukts durch die Kombination von Hilfsstoffen (d. h. inaktiven Bestandteilen) optimiert. Zu den Hauptanwendungen der Gefriertrocknung gehören biologische (z. B. Bakterien und Hefen), biomedizinische (z. B. chirurgische Transplantate), lebensmitteltechnische (z. B. Kaffee) und konservierende Anwendungen. ⓘ
Die Gefriertrocknung, auch als Lyophilisierung, Lyophilisation oder Sublimationstrocknung bezeichnet, ist ein Verfahren zur schonenden Trocknung von Produkten. Die Gefriertrocknung beruht auf dem physikalischen Prozess der Sublimation: Dabei sublimieren die Eiskristalle ohne zwischenzeitliches Auftreten einer flüssigen Phase direkt in den gasförmigen Zustand. Das Endprodukt der Gefriertrocknung wird als Lyophilisat bezeichnet. ⓘ
Die Gefriertrocknung kommt besonders bei thermisch empfindlichen Produkten zur Anwendung. ⓘ
Geschichte
Die Inka haben seit dem 13. Jahrhundert Kartoffeln zu Chuño gefriergetrocknet. Bei diesem Verfahren wurden die Kartoffeln in mehreren Zyklen abends auf Berggipfeln in den Anden Temperaturen unter dem Gefrierpunkt ausgesetzt und tagsüber durch Auspressen des Wassers im Sonnenlicht getrocknet. ⓘ
Die moderne Gefriertrocknung wurde bereits 1890 von Richard Altmann entwickelt, der eine Methode zur Gefriertrocknung von pflanzlichem oder tierischem Gewebe entwickelte, die jedoch bis in die 1930er Jahre praktisch unbemerkt blieb. Im Jahr 1909 entwickelte L. F. Shackell unabhängig davon eine Vakuumkammer unter Verwendung einer elektrischen Pumpe. Es wurden keine weiteren Informationen über die Gefriertrocknung dokumentiert, bis Tival 1927 und Elser 1934 Gefriertrocknungssysteme mit verbesserten Gefrier- und Kondensatorstufen patentierten. ⓘ
Ein wichtiger Wendepunkt für die Gefriertrocknung trat während des Zweiten Weltkriegs ein, als Blutplasma und Penicillin für die Behandlung von Verwundeten im Feld benötigt wurden. Da es keine Kühltransporte gab, verdarben viele Serumvorräte, bevor sie die Empfänger erreichten. Das Gefriertrocknungsverfahren wurde als kommerzielle Technik entwickelt, mit der Blutplasma und Penicillin ohne Kühlung chemisch stabil und lebensfähig gemacht werden konnten. In den 1950er- und 1960er-Jahren begann man, die Gefriertrocknung als vielseitiges Werkzeug sowohl für die pharmazeutische als auch für die Lebensmittelverarbeitung zu betrachten. ⓘ
Frühe Anwendungen bei Lebensmitteln
Gefriergetrocknete Lebensmittel wurden zu einem wichtigen Bestandteil der Astronauten- und Militärrationen. Was für die Astronautenbesatzungen als schwer zu rehydrierende, schlauchförmige Mahlzeiten und gefriergetrocknete Snacks begann, wurde durch die Verbesserung des Rehydrierungsprozesses gefriergetrockneter Mahlzeiten mit Wasser zu warmen Mahlzeiten im Weltraum. Mit der Verbesserung der Technologie und der Lebensmittelverarbeitung suchte die NASA nach Möglichkeiten, ein vollständiges Nährstoffprofil zu bieten und gleichzeitig Krümel, krankheitserregende Bakterien und Giftstoffe zu reduzieren. Das vollständige Nährstoffprofil wurde durch die Zugabe eines pflanzenähnlichen Öls auf Algenbasis verbessert, das mehrfach ungesättigte Fettsäuren enthält. Mehrfach ungesättigte Fettsäuren wirken sich positiv auf die geistige Entwicklung und das Sehvermögen aus und können, da sie während der Raumfahrt stabil bleiben, den Astronauten zusätzliche Vorteile bieten. Das Problem der Krümel wurde durch die Zugabe einer Gelatinebeschichtung auf den Lebensmitteln gelöst, die die Krümel einschließt und verhindert. Krankheitsverursachende Bakterien und Toxine wurden durch Qualitätskontrollen und die Entwicklung des HACCP-Plans (Hazard Analysis and Critical Control Points) reduziert, der heute weit verbreitet ist, um Lebensmittel vor, während und nach der Verarbeitung zu bewerten. Durch die Kombination dieser drei Innovationen konnte die NASA ihre Besatzungen mit sicheren und gesunden Nahrungsmitteln aus gefriergetrockneten Mahlzeiten versorgen. ⓘ
Auch die Militärverpflegung hat einen langen Weg hinter sich, von verdorbenem Schweinefleisch und Maismehl bis hin zu Beefsteak mit Pilzsoße. Die Auswahl und Entwicklung von Rationen basiert auf Akzeptanz, Nährwert, Bekömmlichkeit, Herstellbarkeit, Kosten und Hygiene. Zu den zusätzlichen Anforderungen an die Rationen gehören eine Mindesthaltbarkeit von drei Jahren, die Möglichkeit, sie auf dem Luftweg zu versenden, die Verwendbarkeit in weltweiten Umgebungen und ein vollständiges Nährwertprofil. Die neuen Tray-Rationen (T-Rationen) wurden durch die Erweiterung der zulässigen Bestandteile verbessert und bieten qualitativ hochwertige Mahlzeiten für den Einsatz im Feld. Gefriergetrockneter Kaffee wurde ebenfalls in die Kategorie der verzehrfertigen Mahlzeiten aufgenommen und ersetzt dort den sprühgetrockneten Kaffee. ⓘ
Stadien der Gefriertrocknung
Der gesamte Gefriertrocknungsprozess besteht aus vier Stufen: Vorbehandlung, Gefrieren, Primärtrocknung und Sekundärtrocknung. ⓘ
Vorbehandlung
Die Vorbehandlung umfasst alle Methoden zur Behandlung des Produkts vor dem Gefrieren. Dazu kann die Konzentrierung des Produkts, die Überarbeitung der Rezeptur (d. h. die Zugabe von Komponenten zur Erhöhung der Stabilität, zur Erhaltung des Aussehens und/oder zur Verbesserung der Verarbeitung), die Verringerung eines Lösungsmittels mit hohem Dampfdruck oder die Vergrößerung der Oberfläche gehören. Lebensmittelstücke werden häufig IQF-behandelt, um sie vor der Gefriertrocknung fließfähig zu machen. Bei gefriergetrockneten pharmazeutischen Produkten handelt es sich in den meisten Fällen um Parenteralia, die nach der Rekonstitution durch Injektion verabreicht werden und steril sowie frei von Verunreinigungspartikeln sein müssen. Die Vorbehandlung besteht in diesen Fällen aus der Zubereitung der Lösung, gefolgt von einer mehrstufigen Filtration. Anschließend wird die Flüssigkeit unter sterilen Bedingungen in die endgültigen Behälter abgefüllt, die in Gefriertrocknungsanlagen im Produktionsmaßstab automatisch in die Regale geladen werden. ⓘ
In vielen Fällen beruht die Entscheidung, ein Produkt vorzubehandeln, auf theoretischem Wissen über die Gefriertrocknung und ihre Anforderungen oder wird durch Überlegungen zur Zykluszeit oder Produktqualität bedingt. ⓘ
Einfrieren und Glühen
In der Gefrierphase wird das Material unter seinen Tripelpunkt abgekühlt, d. h. unter die Temperatur, bei der die festen, flüssigen und gasförmigen Phasen des Materials nebeneinander bestehen können. Dadurch wird sichergestellt, dass in den folgenden Schritten eher eine Sublimation als ein Schmelzen stattfindet. Um eine schnellere und effizientere Gefriertrocknung zu ermöglichen, sind größere Eiskristalle zu bevorzugen. Die großen Eiskristalle bilden ein Netzwerk innerhalb des Produkts, das eine schnellere Entfernung von Wasserdampf während der Sublimation fördert. Um größere Kristalle zu erzeugen, sollte das Produkt langsam gefroren werden, oder es kann in einem Prozess, der als Glühen bezeichnet wird, die Temperatur auf- und abbewegt werden. Die Gefrierphase ist die kritischste Phase des gesamten Gefriertrocknungsprozesses, da die Gefriermethode die Geschwindigkeit der Rekonstitution, die Dauer des Gefriertrocknungszyklus, die Produktstabilität und die geeignete Kristallisation beeinflussen kann. ⓘ
Amorphe Materialien haben keinen eutektischen Punkt, wohl aber einen kritischen Punkt, unter dem das Produkt gehalten werden muss, um ein Zurückschmelzen oder Zusammenfallen während der Primär- und Sekundärtrocknung zu verhindern. ⓘ
Strukturell empfindliche Waren
Bei Gütern, bei denen die Struktur erhalten bleiben muss, wie bei Lebensmitteln oder Gegenständen mit ehemals lebenden Zellen, brechen große Eiskristalle die Zellwände auf, was zu einer zunehmend schlechteren Textur und einem Verlust des Nährstoffgehalts führen kann. In diesem Fall wird das Gefrieren schnell durchgeführt, um das Material schnell unter seinen eutektischen Punkt zu senken und so die Bildung großer Eiskristalle zu vermeiden. Üblicherweise liegen die Gefriertemperaturen zwischen -50 °C und -80 °C. ⓘ
Primärtrocknung
Bei der Primärtrocknung wird der Druck gesenkt (bis in den Bereich von einigen Millibar) und dem Material so viel Wärme zugeführt, dass das Eis sublimiert. Die erforderliche Wärmemenge kann anhand der latenten Sublimationswärme der sublimierenden Moleküle berechnet werden. In dieser ersten Trocknungsphase werden etwa 95 % des Wassers im Material sublimiert. Diese Phase kann langsam verlaufen (in der Industrie kann sie mehrere Tage dauern), denn wenn zu viel Wärme zugeführt wird, kann sich die Struktur des Materials verändern. ⓘ
In dieser Phase wird der Druck durch das Anlegen eines Teilvakuums kontrolliert. Durch das Vakuum wird die Sublimation beschleunigt, so dass es sich um ein gezieltes Trocknungsverfahren handelt. Darüber hinaus bieten eine kalte Kondensatorkammer und/oder Kondensatorplatten eine Oberfläche, an der sich der Wasserdampf wieder verflüssigen und verfestigen kann. ⓘ
Es ist wichtig zu beachten, dass in diesem Druckbereich die Wärme hauptsächlich durch Leitung oder Strahlung zugeführt wird; der Konvektionseffekt ist aufgrund der geringen Luftdichte vernachlässigbar. ⓘ
Sekundäre Trocknung
Die sekundäre Trocknungsphase zielt darauf ab, nicht gefrorene Wassermoleküle zu entfernen, da das Eis in der primären Trocknungsphase entfernt wurde. Dieser Teil des Gefriertrocknungsprozesses wird durch die Adsorptionsisothermen des Materials bestimmt. In dieser Phase wird die Temperatur gegenüber der Primärtrocknungsphase erhöht und kann sogar über 0 °C liegen, um etwaige physikalisch-chemische Wechselwirkungen zwischen den Wassermolekülen und dem gefrorenen Material aufzubrechen. Normalerweise wird in dieser Phase auch der Druck gesenkt, um die Desorption zu fördern (in der Regel im Bereich von Mikrobars oder Bruchteilen von Pascal). Es gibt jedoch auch Produkte, die von einem erhöhten Druck profitieren. ⓘ
Nach Abschluss der Gefriertrocknung wird das Vakuum in der Regel mit einem Inertgas, z. B. Stickstoff, gebrochen, bevor das Material versiegelt wird. ⓘ
Am Ende des Vorgangs ist der Restwassergehalt im Produkt äußerst gering und liegt bei etwa 1 bis 4 %. ⓘ
Anwendungen der Gefriertrocknung
Die Gefriertrocknung schädigt die Substanz weniger als andere Trocknungsmethoden, bei denen höhere Temperaturen verwendet werden. Die hitzeempfindlichen Nährstoffe gehen bei diesem Verfahren weniger verloren als bei den Verfahren, bei denen eine Wärmebehandlung zur Trocknung eingesetzt wird. Die Gefriertrocknung führt in der Regel nicht zu einer Schrumpfung oder Verhärtung des getrockneten Materials. Außerdem bleiben Geschmack, Geruch und Nährstoffgehalt in der Regel unverändert, was das Verfahren für die Konservierung von Lebensmitteln so beliebt macht. Wasser ist jedoch nicht die einzige Chemikalie, die sublimieren kann, und der Verlust anderer flüchtiger Verbindungen wie Essigsäure (Essig) und Alkohole kann zu unerwünschten Ergebnissen führen. ⓘ
Gefriergetrocknete Produkte können viel schneller und einfacher rehydriert (rekonstituiert) werden, da der Prozess mikroskopisch kleine Poren hinterlässt. Die Poren entstehen durch die Eiskristalle, die sublimieren und an ihrer Stelle Lücken oder Poren hinterlassen. Dies ist besonders wichtig, wenn es um pharmazeutische Anwendungen geht. Die Gefriertrocknung kann auch dazu verwendet werden, die Haltbarkeit einiger pharmazeutischer Produkte um viele Jahre zu verlängern. ⓘ
Pharmazeutika und Biotechnologie
Pharmaunternehmen setzen die Gefriertrocknung häufig ein, um die Haltbarkeit von Produkten wie Lebendvirusimpfstoffen, Biologika und anderen injizierbaren Produkten zu verlängern. Indem dem Material das Wasser entzogen und es in einem Glasfläschchen versiegelt wird, kann es problemlos gelagert, versandt und später für die Injektion wieder in seine ursprüngliche Form gebracht werden. Ein weiteres Beispiel aus der pharmazeutischen Industrie ist die Gefriertrocknung zur Herstellung von Tabletten oder Waffeln, die den Vorteil haben, dass weniger Hilfsstoffe benötigt werden und die Darreichungsform schnell absorbiert und leicht verabreicht werden kann. ⓘ
Gefriergetrocknete pharmazeutische Produkte werden als gefriergetrocknete Pulver zur Rekonstitution in Fläschchen und neuerdings auch in vorgefüllten Spritzen zur Selbstverabreichung durch den Patienten hergestellt. ⓘ
Beispiele für gefriergetrocknete biologische Produkte sind viele Impfstoffe wie Masern-Lebendimpfstoff, Typhus-Impfstoff und kombinierter Meningokokken-Polysaccharid-Impfstoff der Gruppen A und C. Weitere gefriergetrocknete biologische Produkte sind der Blutgerinnungsfaktor VIII, Interferon alfa, das Medikament Streptokinase gegen Blutgerinnsel und Wespengift-Allergenextrakt. ⓘ
Viele biopharmazeutische Produkte, die auf therapeutischen Proteinen wie monoklonalen Antikörpern basieren, müssen aus Stabilitätsgründen gefriergetrocknet werden. Beispiele für gefriergetrocknete Biopharmazeutika sind Blockbuster-Medikamente wie Etanercept (Enbrel von Amgen), Infliximab (Remicade von Janssen Biotech), Rituximab und Trastuzumab (Herceptin von Genentech). ⓘ
Die Gefriertrocknung wird auch bei der Herstellung von Rohstoffen für pharmazeutische Produkte eingesetzt. Aktive pharmazeutische Wirkstoffe (APIs) werden gefriergetrocknet, um bei Lagerung bei Raumtemperatur chemische Stabilität zu erreichen. Für die Gefriertrocknung von APIs werden in der Regel Schalen anstelle von Glasfläschchen verwendet. ⓘ
Zellextrakte, die zellfreie biotechnologische Anwendungen wie Point-of-Care-Diagnostik und Biomanufacturing unterstützen, werden ebenfalls gefriergetrocknet, um die Stabilität bei Lagerung bei Raumtemperatur zu verbessern. ⓘ
Trockenpulver von Probiotika werden häufig durch Gefriertrocknung von lebenden Mikroorganismen wie Milchsäurebakterien und Bifidobakterien hergestellt. ⓘ
Gefriertrocknung von Lebensmitteln
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Der Hauptzweck der Gefriertrocknung in der Lebensmittelindustrie besteht darin, die Haltbarkeit von Lebensmitteln zu verlängern und gleichzeitig ihre Qualität zu erhalten. Es ist bekannt, dass die Gefriertrocknung unter allen Trocknungsverfahren die höchste Lebensmittelqualität ergibt, da die strukturelle Integrität erhalten bleibt und die Aromen bewahrt werden. Da die Gefriertrocknung teuer ist, wird sie hauptsächlich bei hochwertigen Produkten eingesetzt. Beispiele für hochwertige gefriergetrocknete Produkte sind saisonales Obst und Gemüse aufgrund ihrer begrenzten Verfügbarkeit, Kaffee und Lebensmittel für Militärrationen, Astronauten/Kosmonauten und/oder Wanderer. ⓘ
NASA- und Militärrationen
Aufgrund ihres geringen Gewichts pro Volumen der rekonstituierten Nahrung sind gefriergetrocknete Produkte bei Wanderern, als Militärrationen oder Astronautenmahlzeiten beliebt und praktisch. Es kann eine größere Menge an getrockneter Nahrung mitgeführt werden als das gleiche Gewicht an Nassnahrung. Als Ersatz für Nassnahrung kann gefriergetrocknete Nahrung bei Bedarf leicht mit Wasser rehydriert werden, und die Haltbarkeit des getrockneten Produkts ist länger als die von frischem/nassem Produkt, was es ideal für lange Reisen von Wanderern, Militärpersonal oder Astronauten macht. Durch die Entwicklung der Gefriertrocknung wurde die Vielfalt der Mahlzeiten und Snacks erweitert und umfasst nun auch Produkte wie Krabbencocktail, Hühnchen und Gemüse, Karamellpudding und Apfelmus. ⓘ
Kaffee
Kaffee enthält Geschmacks- und Aromastoffe, die durch die Maillard-Reaktion beim Rösten entstehen und durch Gefriertrocknung erhalten werden können. Im Vergleich zu anderen Trocknungsmethoden wie der Trocknung bei Raumtemperatur, der Heißlufttrocknung und der Solartrocknung enthielten gefriergetrocknete Robusta-Kaffeebohnen höhere Mengen an essenziellen Aminosäuren wie Leucin, Lysin und Phenylalanin. Außerdem blieben nur wenige nicht-essentielle Aminosäuren erhalten, die wesentlich zum Geschmack beitragen. ⓘ
Früchte
Bei der herkömmlichen Dehydratisierung können Beeren an Qualität verlieren, da ihre Struktur sehr empfindlich ist und einen hohen Feuchtigkeitsgehalt aufweist. Es wurde festgestellt, dass gefriergetrocknete Erdbeeren die höchste Qualität aufweisen: Farbe, Geschmack und die Fähigkeit, wieder getrocknet zu werden, bleiben erhalten. ⓘ
Insekten
Die Gefriertrocknung wird in großem Umfang zur Konservierung von Insekten für den Verzehr verwendet. Ganze gefriergetrocknete Insekten werden als exotisches Tierfutter, Vogelfutter, Fischköder und zunehmend auch für den menschlichen Verzehr verkauft. Gefriergetrocknete Insekten in Pulverform werden als Proteinbasis in Tierfutter und auf einigen Märkten als Nahrungsergänzungsmittel für den menschlichen Verzehr verwendet. Gezüchtete Insekten werden im Allgemeinen für alle oben genannten Zwecke verwendet, im Gegensatz zur Ernte von Wildinsekten, mit Ausnahme von Heuschrecken, die oft aus Feldfrüchten geerntet werden. ⓘ
Technologische Industrie
In der chemischen Synthese werden Produkte häufig gefriergetrocknet, um sie stabiler zu machen oder sie für die spätere Verwendung leichter in Wasser aufzulösen. ⓘ
In der Bioproduktion kann die Gefriertrocknung auch als spätes Reinigungsverfahren eingesetzt werden, da sie Lösungsmittel wirksam entfernen kann. Darüber hinaus ist sie in der Lage, Substanzen mit niedrigem Molekulargewicht zu konzentrieren, die zu klein sind, um durch eine Filtrationsmembran entfernt zu werden. Die Gefriertrocknung ist ein relativ teures Verfahren. Die Ausrüstung ist etwa dreimal so teuer wie die für andere Trennverfahren verwendete Ausrüstung, und der hohe Energiebedarf führt zu hohen Energiekosten. Außerdem ist die Gefriertrocknung mit einer langen Prozessdauer verbunden, da die Zufuhr von zu viel Wärme zum Material zu Schmelzen oder strukturellen Verformungen führen kann. Daher ist die Gefriertrocknung häufig Materialien vorbehalten, die wärmeempfindlich sind, wie Proteine, Enzyme, Mikroorganismen und Blutplasma. Die niedrige Betriebstemperatur des Prozesses führt zu einer minimalen Schädigung dieser hitzeempfindlichen Produkte. ⓘ
In der Nanotechnologie wird die Gefriertrocknung für die Reinigung von Nanoröhrchen eingesetzt, um eine Aggregation aufgrund von Kapillarkräften während der normalen thermischen Verdampfungstrocknung zu vermeiden. ⓘ
Taxidermie
Die Gefriertrocknung ist eine der Methoden zur Konservierung von Tieren im Bereich der Taxidermie. Auf diese Weise konservierte Tiere werden als "gefriergetrocknete Taxidermie" oder "gefriergetrocknete Präparate" bezeichnet. Die Gefriertrocknung wird häufig zur Konservierung von Krustentieren, Fischen, Amphibien, Reptilien, Insekten und kleineren Säugetieren verwendet. Die Gefriertrocknung wird auch verwendet, um Haustieren nach ihrem Tod ein Denkmal zu setzen. Viele Tierhalter entscheiden sich für die Gefriertrocknung, weil sie den Körper des Tieres weniger stark beeinträchtigt, als wenn sie sich für eine traditionelle Präparation entscheiden. ⓘ
Andere Anwendungen
Organisationen wie das Document Conservation Laboratory der United States National Archives and Records Administration (NARA) haben Studien zur Gefriertrocknung als Methode zur Wiederherstellung wasserbeschädigter Bücher und Dokumente durchgeführt. Eine Wiederherstellung ist zwar möglich, aber die Qualität der Wiederherstellung hängt vom Material der Dokumente ab. Wenn ein Dokument aus verschiedenen Materialien besteht, die unterschiedliche Absorptionseigenschaften haben, kommt es zu einer ungleichmäßigen Ausdehnung, die zu Verformungen führen kann. Wasser kann auch zu Schimmelbildung oder zum Ausbluten von Druckfarben führen. In diesen Fällen ist die Gefriertrocknung möglicherweise keine wirksame Restaurierungsmethode. ⓘ
In der Bakteriologie wird die Gefriertrocknung zur Konservierung spezieller Stämme eingesetzt. ⓘ
Bei fortschrittlichen keramischen Verfahren wird die Gefriertrocknung manchmal eingesetzt, um aus einem aufgesprühten Schlammnebel ein formbares Pulver zu erzeugen. Bei der Gefriertrocknung entstehen weichere Partikel mit einer homogeneren chemischen Zusammensetzung als bei der herkömmlichen heißen Sprühtrocknung, aber sie ist auch teurer. ⓘ
Eine neue Form der Bestattung, bei der die Leiche zuvor mit flüssigem Stickstoff gefriergetrocknet wird, wurde von dem schwedischen Unternehmen Promessa Organic AB entwickelt, das sie als umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Sarg- und Feuerbestattungen anpreist. ⓘ
Vorteile
Die Gefriertrocknung gilt als optimale Methode zur Trocknung von Lebensmitteln, da die Qualität erhalten bleibt, d. h. die Eigenschaften des Lebensmittels, wie z. B. Aroma, Rehydratation und Bioaktivität, sind im Vergleich zu Lebensmitteln, die mit anderen Verfahren getrocknet werden, deutlich besser. ⓘ
Verlängerung der Haltbarkeitsdauer
Die Verlängerung der Haltbarkeit ergibt sich aus niedrigen Verarbeitungstemperaturen in Verbindung mit einem schnellen Übergang von Wasser durch Sublimation. Unter diesen Verarbeitungsbedingungen werden Zersetzungsreaktionen, einschließlich nicht-enzymatischer Bräunung, enzymatischer Bräunung und Proteindenaturierung, auf ein Minimum reduziert. Wenn das Produkt erfolgreich getrocknet, ordnungsgemäß verpackt und unter idealen Lagerbedingungen gelagert wird, haben die Lebensmittel eine Haltbarkeit von mehr als 12 Monaten. ⓘ
Rehydrierung
Kann ein getrocknetes Produkt nicht leicht oder vollständig rehydriert werden, gilt es als minderwertig. Da das gefriergetrocknete Endprodukt porös ist, kann eine vollständige Rehydrierung im Lebensmittel stattfinden. Dies bedeutet eine höhere Qualität des Produkts und macht es ideal für verzehrfertige Fertiggerichte. ⓘ
Auswirkungen auf Nährstoffe und sensorische Qualität
Aufgrund der niedrigen Verarbeitungstemperaturen und der Minimierung von Zersetzungsreaktionen bleiben die Nährstoffe erhalten und die Farbe wird bewahrt. Gefriergetrocknete Früchte behalten ihre ursprüngliche Form und haben eine charakteristische weiche, knusprige Textur. ⓘ
Nachteile
- hoher Energieeintrag nötig
- hohe Anschaffungskosten für die benötigten Anlagen
- großer Zeitaufwand im Gegensatz zu anderen Trocknungsarten
- bei Papier können an den einzelnen Papierfasern ungleichmäßige Spannungen auftreten, was ein Wellen beziehungsweise Verziehen der Bücher zur Folge haben kann – bei starken Bucheinbänden oder dicken Kartonagen ist dieser Effekt besonders ausgeprägt
- durch die große Oberfläche des Trocknungsproduktes steigt dessen Oxidationsanfälligkeit ⓘ
Mikrobielles Wachstum
Da die Hauptmethode der mikrobiellen Dekontaminierung bei der Gefriertrocknung der Trocknungsprozess bei niedrigen Temperaturen ist, können Verderbniserreger und Krankheitserreger, die gegen diese Bedingungen resistent sind, im Produkt verbleiben. Obwohl das mikrobielle Wachstum durch die niedrigen Feuchtigkeitsbedingungen gehemmt wird, können sie dennoch im Lebensmittel überleben. Ein Beispiel hierfür ist ein Ausbruch von Hepatitis A, der 2016 in den Vereinigten Staaten im Zusammenhang mit gefrorenen Erdbeeren auftrat. Wenn das Produkt nicht ordnungsgemäß verpackt und/oder gelagert wird, kann es Feuchtigkeit aufnehmen, so dass sich die einst gehemmten Krankheitserreger ebenfalls vermehren können. ⓘ
Kosten
Die Gefriertrocknung kostet etwa fünfmal so viel wie die herkömmliche Trocknung und eignet sich daher am besten für Produkte, deren Wert mit der Verarbeitung steigt. Die Kosten sind außerdem je nach Produkt, Verpackungsmaterial, Verarbeitungskapazität usw. unterschiedlich. Der energieintensivste Schritt ist die Sublimation. ⓘ
Auslaufen von Silikonöl
Silikonöl ist die übliche Flüssigkeit, die zum Erhitzen oder Kühlen von Regalen in der Gefriertrocknungsanlage verwendet wird. Der kontinuierliche Heiz-/Kühlzyklus kann dazu führen, dass Silikonöl an schwachen Stellen, die Regal und Schlauch verbinden, austritt. Dadurch kann das Produkt verunreinigt werden, was zu erheblichen Verlusten von Lebensmitteln führt. Um dieses Problem zu vermeiden, werden Massenspektrometer eingesetzt, um Dämpfe, die von Silikonöl freigesetzt werden, zu identifizieren und sofort Korrekturmaßnahmen zu ergreifen, um eine Verunreinigung des Produkts zu verhindern. ⓘ
Produkte
Säugetierzellen überleben die Gefriertrocknung in der Regel nicht, obwohl sie noch konserviert werden können. ⓘ
Ausrüstung und Typen von Gefriertrocknern
Es gibt viele Arten von Gefriertrocknern, die jedoch in der Regel einige wesentliche Bestandteile enthalten. Dazu gehören eine Vakuumkammer, Einlegeböden, ein Prozesskondensator, ein Regal-Flüssigkeitssystem, ein Kühlsystem, ein Vakuumsystem und ein Steuerungssystem. ⓘ
Funktion der wesentlichen Komponenten
Kammer
Die Kammer ist hochglanzpoliert und enthält im Inneren eine Isolierung. Sie ist aus rostfreiem Stahl gefertigt und enthält mehrere Einlegeböden zur Aufnahme des Produkts. Ein Hydraulik- oder Elektromotor sorgt dafür, dass die Tür beim Schließen vakuumdicht ist. ⓘ
Prozesskondensator
Der Prozesskondensator besteht aus Kühlschlangen oder -platten, die sich außerhalb oder innerhalb der Kammer befinden können. Während des Trocknungsprozesses hält der Kondensator das Wasser zurück. Um die Effizienz zu erhöhen, sollte die Temperatur des Kondensators 20 °C (68 °F) niedriger sein als die des Produkts während der Primärtrocknung und über einen Abtaumechanismus verfügen, um sicherzustellen, dass die maximale Menge des in der Luft enthaltenen Wasserdampfs kondensiert wird. ⓘ
Flüssigkeit im Regal
Die Menge an Wärmeenergie, die während der Primär- und Sekundärtrocknungsphase benötigt wird, wird durch einen externen Wärmetauscher geregelt. In der Regel wird Silikonöl mit einer Pumpe im System umgewälzt. ⓘ
Kältesystem
Dieses System kühlt die Regale und den Prozesskondensator mit Hilfe von Kompressoren oder flüssigem Stickstoff, der die zum Gefrieren des Produkts erforderliche Energie liefert. ⓘ
Vakuumsystem
Während des Trocknungsprozesses wird durch das Vakuumsystem ein Vakuum von 50-100 Mikrobar erzeugt, um das Lösungsmittel zu entfernen. Es wird eine zweistufige Rotationsvakuumpumpe verwendet, bei großen Kammern werden jedoch mehrere Pumpen benötigt. Dieses System komprimiert nicht kondensierbare Gase durch den Kondensator. ⓘ
Steuerungssystem
Das Steuersystem schließlich stellt kontrollierte Werte für die Lagertemperatur, den Druck und die Zeit ein, die vom Produkt und/oder dem Prozess abhängen. Die Gefriertrocknungsanlage kann je nach Produkt einige Stunden oder Tage laufen. ⓘ
Kontakt-Gefriertrocknungsanlagen
Kontaktgefriertrockner nutzen den Kontakt (Konduktion) der Lebensmittel mit dem Heizelement, um die Sublimationsenergie zu liefern. Dieser Gefriertrocknertyp ist ein Basismodell, das für die Probenanalyse einfach einzurichten ist. Eine der wichtigsten Arten der Beheizung von Kontaktgefriertrocknern sind die regalartigen Plattformen, die die Proben berühren. Die Plattformen spielen eine wichtige Rolle, da sie sich zu verschiedenen Zeiten des Gefriertrocknungsprozesses wie Wärmetauscher verhalten. Sie sind mit einem Silikonölsystem verbunden, das während des Einfrierens Wärmeenergie abführt und während der Trocknungszeiten Energie liefert. ⓘ
Außerdem sorgt das Regal-Fluid-System dafür, dass die Regale während des Trocknens bestimmte Temperaturen erreichen, indem es eine Flüssigkeit (in der Regel Silikonöl) mit niedrigem Druck pumpt. Der Nachteil dieser Art von Gefriertrocknern ist, dass die Wärme nur vom Heizelement auf die Seite der Probe übertragen wird, die unmittelbar mit dem Heizelement in Berührung kommt. Dieses Problem kann minimiert werden, indem die Oberfläche der Probe, die mit dem Heizelement in Berührung kommt, maximiert wird, indem eine gerippte Schale verwendet wird, die Probe zwischen zwei festen beheizten Platten oben und unten leicht zusammengedrückt wird oder mit einem beheizten Netz von oben und unten zusammengedrückt wird. ⓘ
Strahlungsgefriertrockner
Strahlungsgefriertrockner verwenden Infrarotstrahlung, um die Probe in der Schale zu erwärmen. Bei dieser Art der Beheizung können einfache flache Schalen verwendet werden, da eine Infrarotquelle oberhalb der flachen Schalen angebracht werden kann, die nach unten auf das Produkt strahlt. Die Infrarot-Strahlungserwärmung ermöglicht eine sehr gleichmäßige Erwärmung der Produktoberfläche, hat aber nur eine sehr geringe Eindringtiefe, so dass sie hauptsächlich bei sehr flachen Schalen und homogenen Probenmatrizen eingesetzt wird. ⓘ
Mikrowellenunterstützte Gefriertrocknungsanlagen
Bei mikrowellenunterstützten Gefriertrocknern werden Mikrowellen eingesetzt, um ein tieferes Eindringen in die Probe zu ermöglichen und die Sublimations- und Erhitzungsprozesse bei der Gefriertrocknung zu beschleunigen. Die Einrichtung und der Betrieb dieser Methode können sehr kompliziert sein, da die Mikrowellen ein elektrisches Feld erzeugen können, das die Gase in der Probenkammer in ein Plasma verwandelt. Dieses Plasma kann die Probe möglicherweise verbrennen, so dass die Mikrowellenstärke unbedingt an das Vakuum angepasst werden muss. Die Sublimationsrate eines Produkts kann sich auf die Mikrowellenimpedanz auswirken, so dass die Leistung der Mikrowelle entsprechend angepasst werden muss. ⓘ
Verfahren
Hilfsstoffe
Bei der Gefriertrocknung können je nach Einsatzzweck einige Hilfsstoffe eingesetzt werden, die die Produktqualität verbessern:
- Kryoprotektoren: Bei der Gefriertrocknung von Proteinen aus einer wässrigen Lösung kann es zu einer Konformationsänderung des Proteins kommen. Wenn die Hydrathülle des Proteins abgetrocknet wird, gehen die funktionellen Gruppen des Proteins Wechselwirkungen mit anderen Stoffen anstatt der Wassermoleküle ein. Diese alternativen Bindungsmuster können das Protein schädigen. Durch den Zusatz von max. 1 % (w/w) Polyethylenglycol (PEG) in die zu trocknende Lösung kann dies wirksam verhindert werden: Das PEG lagert sich nach dem Mechanismus der präferentiellen Hydratisierung mit seinen Hydroxy-Gruppen an den Proteinen an und ersetzt so schon in der Lösung die Hydrathülle, wobei die native Konformation erhalten bleibt. Beim Trocknungsvorgang bleibt das PEG am Protein gebunden und schützt es vor schädlichen Wechselwirkungen mit Fremdmolekülen.
- Gerüstbildner: Gerüstbildner erzeugen eine lockere und poröse Struktur im getrockneten Endprodukt (Kuchen). Sie verhindern ein Zusammenfallen oder gar Zusammenbacken des Kuchens nach der Gefriertrocknung und bei der anschließenden Lagerung. Das verbessert einerseits die Stabilität des Produkts, da Wechselwirkungen unter den Molekülen verhindert werden können. Andererseits verbessern Gerüstbildner die Löslichkeit des Produkts, da die poröse Struktur das Eindringen von Lösungsmittel vereinfacht. Als Gerüstbildner können porös auskristallisierende Zuckeralkohole verwendet werden, z. B. Mannitol oder Sorbitol. Wenn Polyethylenglycol (PEG) schon als Kryoprotektor eingesetzt wird, ist meist kein zusätzlicher Gerüstbildner notwendig. ⓘ