Gefriertrocknung (Lyophilisation) - Prinzip
Beruht darauf, dass selbst gefrorenes Wasser noch einen deutlichen Dampfdruck besitzt und daher durch Sublimation entfernt werden kann
Woraus besteht eine Gefriertrocknungsanalage?
Bestehen aus einer temperierbaren Trocknungskammer mit Einstellplatten für das Gut, einer Kondensatorkammer zur Abscheidung des entstehenden Wasserdampfes und einer Vakuumpumpe
Gefriertrocknung 3 Phase
- Einfrieren bei Normaldruck
- zunächst scheidet sich reines Wasser als Eis aus der Lösung ab > Konzentration der übrigen Bestandteile in der Lösung nimmt zu (CAVE: Proteine)
- beim Erreichen der eutektischen Temperatur des Gesamtsystems (i.d.R. Bei -20-30 °C) kristallisieren die letzten flüssigen Bereiche aus - Primärtrocknung: der Druck wird vermindert und das gefrorene Wasser durch Sublimation entzogen, wodurch sich an der Stelle der Eiskristalle Poren bilden > entstehende Wasserdampf wird an einem Kondensator abgeschieden, dessen Temp. Unterhalb derer des Trocknungsgutes liegt
(Dem Abkühlen der Probe durch den Verlust von Sublimationswärme wird durch Wärmezufuhr über die beheizbaren Stellflächen entgegengewirkt) - Sekundärtrocknung: bei erhöhter Temperatur wird im Vakuum getrocknet damit die am Gut anhaftende Restfeuchte entfernt wird (22 °C)
Gefriertrocknung - Wärmezufuhr über die Stellflächen.. wieviel Wärme darf zugeführt werden?
Es darf nur so viel Wärme zugeführt werden, dass die Guttemperatur unter der eutektischen Temperatur des Gemisches bzw. Der Glasübergangstemperatur der amorphen Bereiche bleibt, damit es nich zum Verlust der Struktur des sich bildenden porösen Trocknungsprodukts kommt
Unterschiedliche Bindungsmechanismen von Wasser
- Haftwasser befindet sich an der Oberfläche sowie in größeren Hohlräumen und Makrokapillaren (r > 0,1 Mikrometer) der Feststoffe; ungebunden, frei beweglich; lässt sich leicht entfernen
> Dampfdruck wie ungebundenes Wasser - Kapillarwasser; bei Mikrokapillaren (r < 0,1 Mikrometer) hängt der Dampfdruck vom Krümmungsradius der Flüssigkeitsoberfläche ab: mit abnehmendem Kapillarradius nimmt die Dampfdruckerniedrigung zu; Kapillarwasser ist schwerer zu entfernen als Haftwasser
- Adsorbiertes Wasser: Durch Adhäsionskräfte werde die Wassermoleküle festgehalten; Anlagerung kann durch Wasserdipole an Ionen von Salzen oder über Wasserstoffbrücken zu funktionellen Gruppen erfolgen; das vollständige Entfernen von Adsorption gebundenen Wasser erfordert intensive Trocknungsmaßnahmen
- Hydratwasser: Kristalline Stoffe können Wasser unter Bildung von Hydraten aufnehmen, wobei diese dann Strukturelemente des Kristallgitters sind; Infolge der starken Bindung ist ein Entfernen des Wassers erst bei hohen Temperaturen unter Verlust der entsprechenden Kristallstruktur möglich
Typische Trocknungschritte bei hygroskopischen Gütern
- Trocknung des nur lose gebundenen Haftwassers mit konstanter Geschwindigkeit
> Geschwindigkeit des Abtrocknens des Haftwassers ist on der Strömungsgeschwindigkeit und Feuchte der Trocknungsluft abhängig. Nach Entfernen des Haftwasser Wander der Verdunstungsort immer weiter in das Korninnere > Trocknungsgeschwindigkeit hängt nun vor allem von der Dampfdiffusionsgeschwindigkeit ab - Entfernung des Adsorption gebundenen Oberflächenwassers erfolgt sehr langsam
Vollständige Trocknung nicht angestrebt, da Restfeuchte häufig (z.B. Bei Granulaten) für die Weiterverarbeitung notwendig ist
Prinzip der Sprühtrocknung
Sprühtrocknern bestehen aus einem Turm, in dessen oberen Teil die zu trocknenden Lösungen, Suspensionen oder Emulsionen in feinen Tröpfchen zerteilt werden
Gleichzeitig strömt heiße Luft entweder von oben nach unten (Gleichstromverfahren) oder von unten nach oben (Gegenstromverfahren) durch den Turm und trocknet die fein zerteilten Tröpfchen fast augenblicklich aufgrund ihrer großen Oberfläche
Die Feststoffpartikel sinken zu Boden und werden durch einen Zyklonabscheider von der warmen Luft getrennt, die dann erneut dem Trockenturm zugeführt wird
Wie funktioniert die Zerstäuberscheibe bei der Sprühtrocknung?
Die Flüssigkeit wird auf die Mitte einer schnell rotierenden Scheibe (4000-50000 U/min) aufgegeben. Durch die Zentrifugalkraft wird die Flüssigkeit zum Scheibenrand transportiert, wobei sich am Rand ein dünner Flüssigkeitsfilm ausbildet, der am Rand der Scheibe in kleine Tröpfchen zerreißt
Wie funktioniert die Einstoffdrüse?
Die Flüssigkeit wird mit hohem Druck in ein enges Lumen gepresst und in einer Drallkammer in eine spiralig rotierende Bewegung versetzt.
Beim Austritt aus der Drüsenöffnung zerreißt der Flüssigkeitsfilm in kleine Tröpfchen
Neigen zu Verstopfungen wegen des geringen Durchmessers (nicht geeignet für Dispersionen)
Wie funktionieren Zweistoffdüsen?
Zweistoffdrüsen sind aus zwei ineinander geschobenen Röhren aufgebaut.
In der inneren Röhre wird die Flüssigkeit einer zentralen Austrittsöffnung zugeführt.
Aus einem diese Öffnung umgebenden Ringspalt strömt ein Gas (normalerweise Druckluft) mit hoher Geschwindigkeit. Dieses zerreißt die Flüssigkeit beim Austritt aus der Düsenöffnung zu einem feinen Sprühnebel
Weniger anfällig für Verstopfungen
