Beginselen van het proces

Voorbeelden van gevriesdroogde producten zijn antibiotica, bacteriën, serums, vaccins, diagnostische medicatie, eiwithoudende en biotechnologische producten, cellen en weefsels, chemicaliën. Het te drogen product wordt onder atmosferische druk bevroren. Vervolgens wordt, in een eerste droogfase — gedefinieerd als primaire droogfase — het water (in de vorm van ijs) verwijderd door sublimatie; in de tweede fase — secundaire droogfase — wordt het verwijderd via desorptie. Vriesdrogen gebeurt onder vacuüm.

De omstandigheden waaronder het proces plaatsvindt, bepalen de kwaliteit van het gevriesdroogde product. Er zijn enkele belangrijke aspecten die gedurende het vriesdroogproces in aanmerking moeten worden genomen:

Vriezen: transformeren van het basisproduct door er warmte aan te onttrekken om het in een toestand te brengen die geschikt is voor droging door sublimatie. Wanneer een waterhoudend product wordt afgekoeld, vormen zich kristalkiemen. Het omringende water wordt rond de kiemplaatsen opgenomen, waardoor kristallen van verschillende groottes en vormen ontstaan. De vriessnelheid, de samenstelling van het basisproduct, het watergehalte, de viscositeit van de vloeistof en de aanwezigheid van niet-kristalliserende substanties zijn allemaal belangrijke factoren die de kristalvorm en -grootte bepalen en het daaropvolgende sublimatieproces beïnvloeden. Grote kristallen hebben na de sublimatie een betrekkelijk open roosterstructuur, terwijl kleine ijskristallen kleine ruimtes in het gedroogde product bevatten, die de verwijdering van waterdamp vertragen.

Het vriespunt van zuiver water is 0°C. Alle andere substanties opgelost in het water zullen het vriespunt verlagen. Wanneer anorganische zouten aanwezig zijn, kan het vriespunt aanzienlijk lager liggen. Als een zwakke oplossing wordt bevroren, zal zich aanvankelijk puur ijs afscheiden, zodat de concentratie van de opgeloste substantie in de resterende oplossing toeneemt (waardoor het vriespunt nog verder wordt verlaagd). Het effect van deze productconcentratie varieert van geval tot geval en moet in aanmerking worden genomen bij het kiezen van de meest geschikte vriestechniek.

Alvorens over te gaan tot droging door sublimatie, moet eerst worden bepaald welke vriestechniek het best geschikt is voor een bepaald product en moeten de parameters ervan worden geverifieerd. Het gedrag van het product bij bevriezing moet worden onderzocht, bijvoorbeeld met behulp van de methode voor weerstandsmeting. Voor farmaceutische producten worden twee verschillende vriesmethoden gebruikt: bevriezen door contact met een gekoeld oppervlak of rotatie/dynamisch bevriezen in een koelbad.

De eerste methode is een statische vriestechniek waarbij een veelzijdige vriesdroger in staat moet zijn om de mate van bevriezing aan het specifieke product aan te passen en de vriessnelheid te regelen. In veel gevallen zal een eindtemperatuur van -50°C toereikend zijn om aan de meeste vereisten te voldoen. De tweede methode wordt gebruikt wanneer grotere hoeveelheden van een vloeibaar product in flacons of grote flessen moeten worden ingevroren en gedroogd. De juiste vriestechniek zal een bevroren product opleveren dat geschikt is voor sublimatie: d.w.z. zo uniform en dun mogelijk om een korte droogtijd te verkrijgen.

Primaire droogfase

Aan het begin van de primaire droogfase vindt ijssublimatie plaats op het productoppervlak. Naarmate het proces verdergaat, trekt het sublimerende oppervlak in het product en moet de resulterende damp door de eerder gedroogde buitenlagen worden geleid. Dit betekent dat het droogproces afhankelijk is van de snelheid van de dampoverdracht en -verwijdering, alsmede van de benodigde sublimatiewarmte. De warmte die nodig is voor sublimatie wordt geleverd door convectie en warmtegeleiding en, in mindere mate, door warmtestraling.

Naast de warmteoverdracht door warmtegeleiding en -straling, moet de warmteoverdracht door convectie worden geoptimaliseerd. Er moet echter op gewezen worden dat convectie vrijwel zal stoppen bij drukwaarden onder de 10^-2 mBar. Dit is de reden waarom de druk in de droogkamer, in functie van de vereiste sublimatietemperatuur, gedurende de primaire droogfase op de hoogst toelaatbare waarde wordt afgesteld. Sublimatiewarmte is niet nodig op het productoppervlak, maar op de grens van de ijskern die zich in het centrum van het product terugtrekt naarmate het droogproces vordert.

Terwijl waterdamp van de binnenkant van het product naar de buitenkant gaat, moet de warmteoverdracht in tegenovergestelde richting plaatsvinden. In verband met de lage warmtegeleiding van de gedroogde productlagen, neemt de temperatuurgradiënt die nodig is voor de warmteoverdracht steeds verder toe. Om productbeschadiging te voorkomen mag de maximaal mogelijke temperatuur voor het gedroogde product niet worden overschreden. Aan de andere kant moet ervoor worden gezorgd dat de vereiste sublimatietemperatuur gedurende het drogen wordt gehandhaafd, dat de toevoer van warmte naar de grens van de ijskern in evenwicht wordt gehouden en dat er geen oververhitting van de sublimatiezone optreedt. De primaire droogfase gaat door tot al het ijs in het product is gesublimeerd.

Secundaire droogfase

In de secondaire of laatste droogfase wordt het restvochtgehalte zoveel mogelijk verlaagd om het product in een voor permanente opslag geschikte toestand te brengen. Het door adsorptie op het interne oppervlak van het product gebonden water moet worden verwijderd. Om dit te bereiken, is het vaak nodig om de capillaire krachten van het water te overwinnen. De vriesdrooginstallatie moet daarom zo worden ontworpen dat er gedurende de secundaire droogfase een hoge drukgradiënt wordt geproduceerd (in de meeste gevallen is het niet mogelijk om de temperatuur te verhogen zonder het product te beschadigen). Het secundaire droogproces moet nauwkeurig worden geregeld om overmatige droging van het product te voorkomen.