Ein Kühlsystem für die Gefriertrocknung mit einem
Erderwärmungspotenzial von 1?
29 Nov 2021
Industrielle Kühlmittel wurden in der Vergangenheit zwar bereits optimiert, um die Ozonschicht zu schützen, doch sie haben noch immer ein hohes Treibhauspotenzial.
Konventionelle Kühlmittel für pharmazeutische Gefriertrocknungsanwendungen sind schon jetzt kaum noch verfügbar und werden bis 2030 vielleicht sogar völlig vom Markt verschwunden sein. Daher hat GEA Pharma & Healthcare nach alternativen Niedertemperatur-Kühllösungen auf Basis natürlicher Kühlmittel für kommerzielle Gefriertrocknungsanwendungen gesucht.
Industrielle Gefriertrocknung
In der Life-Science-Branche wird die Gefriertrocknung, mit der in den Anfängen zunächst Blutplasma stabilisiert wurde, inzwischen schon seit mehr als einem halben Jahrhundert eingesetzt. Im Laufe dieser Zeit hat sich der Gefriertrockner, auch bezeichnet als Lyophilisator, von einem einfachen Gerät zur Vakuumtrocknung bei niedrigen Temperaturen zu einem extrem anspruchsvollen, integrierten System entwickelt. Moderne Anlagen dieser Art vereinen eine ganze Reihe von Prozessen, damit ein Produkt immer den technischen und biologischen Spezifikationen entspricht – bei gleichzeitiger Berücksichtigung wirtschaftlicher, sicherheitsrelevanter und ökologischer Aspekte.
Bei der Gefriertrocknung wird einem Produkt bei niedrigen Temperaturen Feuchtigkeit entzogen. Sie dient in der Regel zur Konservierung verderblicher Produkte oder soll Transport bzw. Lagerung erleichtern. Zur Gefriertrocknung wird das Material tiefgekühlt. Anschließend wird der Umgebungsdruck gesenkt, wodurch das gefrorene Wasser durch Sublimation direkt von der Festphase in die Gasphase übergeht. Der Einsatz von Kühlmitteln spielt bei diesem Prozess eine Schlüsselrolle.
GEA bietet diverse Optionen zur Implementierung eines entweder mechanischen oder kryotechnischen Gefriertrockner-Kühlsystems, das sich an individuelle Prozesse und Produktanforderungen anpassen lässt. Die beiden wichtigsten Aspekte bei der Auswahl einer geeigneten Lösung für Gefriertrocknungsprozesse sind die Kühltemperatur und die Kühlkapazität.
Da immer weniger konventionelle synthetische Kühlmittel angeboten werden und die Gesetze zur Vermeidung chemischer Substanzen mit großem Erderwärmungspotenzial (GWP, Global Warming Potential) infolge der Montreal- und Kyoto-Protokolle immer strenger werden, gelten Investitionen in eine Verdichterkaskade (einen mehrstufigen thermodynamischen Kreisprozess) auf Basis natürlicher Kältemitteln als zunehmend pragmatische Alternative. Daher werden alle GEA Kühleinheiten für Gefriertrocknungsanwendungen so entwickelt, dass sie natürliche Kühlmittel verwenden und zugleich die Anforderungen einer breiten Palette an Prozessen und Produkten erfüllen.
Eine der wenigen Substanzen, die in Frage kommen, ist Ethan (C2H6). Dank seines sehr niedrigen Siedepunkts (-88,5 °C) ist Ethan für Kaskadenkühlsysteme geeignet. In einem indirekten, silikonölgekühlten Eiskondensator beispielsweise können Temperaturen von unter -80 °C erzielt werden. Allerdings gibt es auch einen Nachteil: Einige natürliche Kühlmittel wie etwa Ethan sind explosionsfähig und müssen deshalb zur Einhaltung der ATEX-Richtlinie mit besonderer Sorgfalt gehandhabt werden. Unternehmen wie GEA verfügen aber über mehr als genug Erfahrung und Know-how, um auch bei solchen Systemen ein Höchstmaß an Sicherheit gewährleisten zu können. Zum Schutz von Mensch und Produkt umgibt GEA jede Kaskade, bei der explosionsfähige Kühlmittel zum Einsatz kommen, mit einem Containmentsystem. Dieses erfüllt alle erforderlichen Sicherheitsmaßnahmen, damit ein derartiges System auch in einer normalen pharmazeutischen Einsatzumgebung betrieben werden kann.
GEA hat ein neues, innovatives Air-Cycle-System für Gefriertrockner entwickelt, das auch eine Kohlendioxidkühlung umfasst. Das LYOAIR® System, das nachweislich einen hohen Durchsatz sowie ein hohes Maß an Zuverlässigkeit bietet, lässt sich ohne spezielle ATEX-Ausrüstung betreiben und in einem nicht ATEX-konformen Raum installieren.
Warum ist ein Erderwärmungspotenzial von 1 so wichtig?
GEA CO2-Boosteranlagen erreichen Temperaturen von unter -50 °C und eignen sich für verschiedenste Tiefkühlanwendungen. Das LYOAIR® Kühlsystem verwendet natürliche Kühlmittel und hat ein Erderwärmungspotenzial von 1. Warum ist dies wichtig? Die GWP-Skala dient dazu, das Erderwärmungspotenzial verschiedener Gase vergleichen zu können. Konkret gibt der GWP-Wert an, wie viel Wärmeenergie die Freisetzung einer Tonne eines bestimmten Gases während eines festgelegten Zeitraums im Vergleich zur Freisetzung einer Tonne CO2 absorbiert. Je höher der GWP-Wert, umso stärker erwärmt das jeweilige Gas die Erdatmosphäre. Also sollte der Wert (1 ist das Optimum) möglichst gering sein.
Kurz gesagt: Das GEA LYOAIR® System nutzt natürliche Kühlmittel, die der Verordnung über fluorierte Treibhausgase von 2015 entsprechen, und profitiert von der Integration hocheffizienter, kostengünstiger Verdichter von Drittanbietern. Die Kombination aus Air-Cycle-System und CO2-Booster ermöglicht – gegenüber einem reinen Air-Cycle-System – Gefriertrockner mit geringerem Energieverbrauch. Zu den wichtigsten Vorteilen gehören: Vermeidung explosionsfähiger bzw. giftiger natürlicher Gase, weniger Vibration, leiserer Betrieb und keinerlei Erderwärmungspotenzial. Darüber hinaus ist im Vergleich zu Alternativen auf Basis von flüssigem Stickstoff nicht nur die Wartung einfach, auch die Betriebskosten fallen deutlich niedriger aus.
