Die Wirkstoffe von Arzneien und die Vitalität von Bakterienkulturen bleiben dauerhaft erhalten: Gefriertrocknen ist für Pharma und Biotech eine unverzichtbare Konservierungsmethode. Zur Kälteversorgung ist flüssiger Stickstoff ideal geeignet.
Wer von einem Tier gebissen wurde, sollte sich unbedingt gegen Tollwut impfen lassen. Die Maßnahme wirkt zum Glück auch nach dem Ereignis! Für Menschen, die ständig im Wald unterwegs sind oder in der Tiermedizin arbeiten, wird die vorsorgliche Impfung mit regelmäßiger Auffrischung empfohlen. Der Impfstoff ist in beiden Fällen ein weißes Pulver, das unschädlich gemachte Tollwutviren enthält. Er kann über Jahre in einem gewöhnlichen Kühlschrank aufbewahrt werden und steht bei Bedarf in Wasser aufgelöst sofort zur Verfügung.
Der Schlüssel zur langen Haltbarkeit des Tollwutimpfstoffs ist das Gefriertrocknen: Es ist bei vielen Impfstoffen und pharmazeutischen Substanzen das optimale Verfahren, um eine unkomplizierte Aufbewahrung zu ermöglichen und dauerhafte Wirksamkeit zu gewährleisten. Laborproben, Starterkulturen, Blutbestandteile, Membrane oder Biokatalysatoren werden damit ebenfalls konserviert.
Das Gefriertrocknen beruht auf dem physikalischen Vorgang der Sublimation. Das in den Produkten enthaltene gefrorene Wasser geht im Vakuum direkt vom festen in den gasförmigen Zustand über, denn mit dem Druck sinkt auch der Siede- beziehungsweise der Sublimationspunkt des Wassers. Das Produkt verliert seine Feuchtigkeit, ohne dass es hoch erhitzt oder einer langwierigen Trocknung ausgesetzt werden müsste. Inhaltsstoffe und Zellstrukturen bleiben dabei praktisch unverändert erhalten.
Im ersten Schritt wird die Substanz bei Normaldruck tiefgefroren. Das kann, ähnlich wie beim Einfrieren in der Tiefkühltruhe, mit Hilfe von Kühlaggregaten geschehen. Eine weitere häufig eingesetzte Technik ist die Verwendung von flüssigem Stickstoff (N₂) als Kältequelle. Damit wird sowohl das Produkt auf den Stellflächen einer Gefriertrocknungsanlage homogen eingefroren, als auch im weiteren Trocknungsprozess die freiwerdende Energie abgeführt, die bei der Resublimation von Wasserdampf zu Eis im Kondensator entsteht. Der flüssige Stickstoff verdampft bei der Kühlung eines Sekundärkreislaufes in einem Wärmetauscher. Mit der Kälte dieses Kreislaufs wird dann der Wirkstoff eingefroren. Größere Eiskristalle können nicht entstehen und die Zellen beschädigen. „Weitere Vorteile der Flüssigstickstoff-Kälte sind die einfache Prozessführung, praktisch keine Geräuschemission und der geringe Wartungsbedarf der Anlagen, die mit wenigen bewegten Teilen auskommen und eine besonders hohe Ausfallsicherheit bieten“, sagt Hubert Sell, Konstruktionsleiter von Hof Sonderanlagenbau.
Das Maschinenbauunternehmen mit knapp 300 Mitarbeitern im hessischen Lohra ist unter anderem auf Gefriertrocknungsanlagen für Pharma und Biotech spezialisiert. „Zudem ist Stickstoff als natürlicher Bestandteil der Luft nicht von den strengen Regularien für Kältemittel betroffen, die oft klimaschädliche Fluorkohlenwasserstoffe (FKW) enthalten und ab spätestens 2030 gar nicht mehr verwendet werden dürfen.“
Die Liste der Stärken ist damit noch nicht abgeschlossen. Ohne aktive Kühlaggregate ist die mit Stickstoff betriebene Anlage viel kompakter und braucht weniger Stellfläche. In der Anwendung benötigt man weniger Strom und Kühlwasser, was je nach vorhandener Infrastruktur und Gebäudestatik ein wichtiges Argument sein kann. Hubert Sell ergänzt: „Nicht zuletzt erfordert die Stickstoff-Anlage – vor allem wenn bereits eine Stickstoffversorgung im Gebäudebestand vorhanden ist – den geringsten Investitionsaufwand in die Gebäudetechnik sowie niedrige Instandhaltungskosten.“
Im Bereich der Gefriertrocknung arbeitet Messer seit vielen Jahren mit dem hessischen Maschinenbau-Unternehmen Hof zusammen. Es ist einer der führenden Anbieter von Gefriertrocknungsanlagen für pharmazeutische und biotechnologische Anwendungen. Das Angebot reicht von kleinen Geräten für den Laborbedarf bis zu großen Vial- und Bulk-Anlagen für die Produktion.
Das Gefriertrocknen haben die Inka und die Aymara im Andenhochland erfunden, lange vor der Ankunft der Spanier. Sie setzten Kartoffeln nachts bei etwa minus zehn Grad dem Frost aus, hielten sie tagsüber mit einer Strohisolierung kalt und ließen sie so über längere Zeit trocknen. Die stark eingeschrumpften Knollen waren fast unbegrenzt haltbar und ließen sich leicht transportieren. In Wasser gequollen wurden sie wieder zur nahrhaften Mahlzeit.
Es sind dieselben Vorteile, die auch heute für das Gefriertrocknen von Lebensmitteln sprechen: Mit drastisch reduziertem Wasseranteil sind sie gut konserviert, wiegen viel weniger und lassen sich so mit geringerem Aufwand transportieren und lagern. Das Trocknen in gefrorenem Zustand schont die Inhaltsstoffe und die Zellstrukturen. Nach Zugabe von Wasser kommen gefriergetrocknete Nahrungsmittel der frischen Version ziemlich nah. Unter anderem nutzt man das Verfahren bei Kaffee, Instantgetränken, Müsli-Früchten, Gewürzen, Notrationen und Astronautennahrung.
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