DE69205127T2

DE69205127T2 - Gefriertrocknungsanlage.

Info

Publication number: DE69205127T2
Application number: DE1992605127
Authority: DE
Inventors: Gilles Beurel; Guy Beurel; Serge Beurel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-12-12
Filing date: 1992-12-09
Publication date: 1996-05-30
Anticipated expiration: 2012-12-10
Also published as: EP0546931B1; CA2085069A1; JPH06174367A; FR2685066B1; DE69205127D1; EP0546931A1; FR2685066A1

Description

Die Einrichtungen zum Gefriertrocknen sind dazu bestimmt, Produkte, im allgemeinen organische Produkte, durch Sublimation bei sehr niedriger Temperatur und sehr niedrigem Druck zu trocknen.
Die Gefriertrockner sind Einrichtungen mit zwei Kammern, einer ersten, in der die zu behandelnden Produkte angeordnet sind und daneben einer zweiten, in der eine Falle genannte Vorrichtung angeordnet ist, die dazu bestimmt ist, das von den Produkten herrührende Wasser aufzunehmen. Die Einrichtung umfaßt des weiteren eine Anordnung von Apparaten zum Erzeugen von Unterdruck, Kälte und von Umwälzpumpen für Wärmeträgerflüssigkeiten, durch die die Regale und die Falle auf die vorbestimmten Temperaturen gebracht werden, bei denen die Sublimation eintritt.
Eine Einrichtung zum Gefriertrocknen dieser Art ist in dem Dokument FR-A-2.461.213 beschrieben.
In den bekannten Einrichtungen werden die Temperaturen in den Kammern durch zwei unabhängige Kreisläufe zur Erzeugung von Wärme und/oder von Kälte getrennt voneinander geregelt. Die Kammer, in der die Produkte gelagert werden, auch Trocknungskammer genannt, wird von einem ersten Kreislauf durchquert, in dem ein Kältemittel, wie z. B. das unter dem Namen "Freon" im Handel befindliche, strömt, und die Temperatur wird durch eine Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit so geregelt, daß das Abkühlen der Regale und das Gefrieren des Produkts gewährleistet und anschließend das Erwärmen des Produkts auf die primäre Gefriertrocknungstemperatur (ungefähr - 20º C) und die sekundäre Gefriertrocknungstemperatur (ungefähr 30º C) bewirkt werden.
Die Kammer, in der sich die Falle befindet, wird von einem zweiten Kreislauf durchquert, in dem eine Silikonflüssigkeit fließt und deren Temperatur durch eine Mehrzahl von parallel angeordneten Einheiten geregelt, wovon jede in bekannter Weise einen Kondensator und einen Freon-Wärmetauscher aufweist. Die Auswahl von unterschiedlichen Kältemitteln erfolgt im wesentlichen aufgrund der von den Kreisläufen geforderten unterschiedlichen Leistungen: Der erste Kreislauf soll sowohl bis auf eine sehr niedrige Temperatur abgekühlt werden (ungefähr - 45º bis - 50º C für das Gefrieren), dies jedoch nur während eines kurzen Zeitraums, als auch auf eine hohe Temperatur (+300 C) erwärmt werden, während der zweite Kreislauf auf einer sehr niedrigen Temperatur (ungefähr - 50º bis - 70º C) während mehrerer Stunden verbleibt.
Der Vorteil einer derartigen Einrichtung liegt darin, daß es möglich ist, Kühlaggregate zu wählen, die genau den besonderen Arbeitsbedingungen entsprechen und ein optimales Leistungsverhältnis erbringen. Der Hauptnachteil ist darin zu sehen, daß der Primärkreislauf mit direkter Entspannung arbeitet und es schwierig ist, den Wärmeaustausch in der ersten Kammer, d. h. letztlich das Gefriertrocknen, zu steuern.
Nun hat sich aber für bestimmte Produkte, insbesondere pharmazeutische oder ähnliche Produkte gezeigt, daß nicht nur das Trocknen als solches wichtig ist, sondern auch die Tatsache, daß dieses Trocknen unter gleichbleibenden Bedingungen erfolgt.
Somit liegt das Problem nicht mehr darin, die günstigsten Produktionskosten zu erreichen, was mit getrennten Kühlkreisläufen möglich ist, sondern nach einer Einrichtung zu suchen, mit der die physikalischen Bedingungen des Trocknens (Temperatur, Druck) steuerbar sind.
Eine Trocknungsvorrichtung mit nur einem einzigen Kältemittel, genau genommen eine Flüssigkeit mit der Bezeichnung R11, ist bekannt und in der US-Patentschrift 3 656 240 beschrieben. Sie weist ein Kühlaggregat auf, das die beiden Kammern parallel beaufschlagt. Jeder Teilkreislauf umfaßt eine Umwälzpumpe, so daß sich die Menge in jeder Kammer steuern läßt, jedoch ist mit dieser Einrichtung eine genaue Steuerung des Wärmeaustauschs nicht möglich. Des weiteren läßt sich die benutzte Flüssigkeit bei einem niedrigen Druck, der dem Atmosphärendruck entspricht, nicht auf eine hohe Temperatur oberhalb von 60º C erwärmen. Es ist daher nicht möglich, die Kammern mit der Flüssigkeit R11 zu sterilisieren.
Es ist nun aber ein zwingendes Erfordernis, daß die für die sehr empfindlichen Produkte, wie pharmazeutische Produkte benutzten Trocknungskammern völlig frei von Bakterien oder äquivalenten pathogenen Partikeln sein müssen, was sich nur durch eine Hitzesterilisation erreichen läßt.
Die Vorrichtung gemäß dem US-Patent 3 656 240 läßt sich daher nicht verwenden.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die vorerwähnten Nachteile zu vermeiden, um eine Vorrichtung zum sehr genauen Regeln der Wärmeerzeugung unter Benutzung einer Einrichtung in der Art, wie sie im US-Patent 3 656 240 beschrieben ist, d. h. unter Verwendung eines einzigen Fluids in der gesamten Einrichtung, zu verwirklichen.
Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zum Gefriertrocknen von der Art, die
- zwei benachbarte, miteinander verbundene Kammern, wovon die eine Trocknungskammer mit Regalen versehen ist, die dazu bestimmt sind, das Produkt, das gefriergetrocknet werden soll, zu tragen, während die andere Kammer eine Falle aufweist, die dazu bestimmt ist, das im Produkt enthaltene Wasser aufzufangen,
- eine Anordnung von untereinander verbundenen Leitungen zum Umwälzen eines einzigen und einheitlichen, darin befindlichen Wärmeträgerfluids,
aufweist, die dadurch gekennzeichnet ist, daß
- das Wärmeträgerfluid aus einer Silikonflüssigkeit besteht, die sich bis wenigstens auf eine Temperatur von 122º C erhitzen läßt und dabei auf einen Druck von ungefähr 1000 Pascal verbleibt,
- die Einrichtung einen geschlossenen Hauptkreislauf mit wenigstens einem Kühlaggregat und damit in Serie angeordneter Umwälzpumpe aufweist, so daß das Wärmeträgerfluid in diesem Kreislauffortwährend umgewälzt wird,
- der Hauptkreislauf dazu dient, wenigstens eine Gefriertrocknungseinheit zu bedienen,
- jedes Aggregat parallel zum Hauptkreislauf eine erste, die Falle durchguerende Abzweigung und parallel dazu eine zweite, die Regale durchguerende Abzweigung aufweist,
- die zweite Abzweigung in Parallelverbindung mit einer Leitung steht, die eine Wärmeregelungsanordnung und eine unabhängige Umwälzpumpe aufweist,
- die zweite Abzweigung und die Leitung einen vom Hauptkreislauf unabhängigen zweiten Kreislauf bilden.
Die Einrichtung entsprechend besonderen Ausführungsformen der Erfindung, die sich insbesondere für die Behandlung von pharmazeutischen Produkten verwenden läßt, ist des weiteren aufgrund der nachfolgenden Merkmale bemerkenswert:
- Der Hauptkreislauf weist einen Vorratsbehälter zur Wärmeregelung der Einrichtung auf;
- sie weist eine Abzweigung zwischen dem Hauptkreislauf und dem zweiten Kreislauf auf, so daß sich die Regale und die Falle durch die zweite Wärmeregeleinheit, abgetrennt vom Hauptkreislauf bedienen lassen.
Als Abwandlung weist die Einrichtung zwei oder zwei-n Gefriertrocknungseinheiten auf, wobei die Trocknungskammern jeweils zu zwei und zwei benachbart sind und durch eine Verbindungsleitung mit einem Steuerschieber miteinander verbunden sind. Diese abweichende Ausführungsform erlaubt es, abwechselnd die eine oder die andere Gefriertrocknungseinheit zu betreiben, so daß eine Produktion praktisch ohne Unterbrechungen möglich ist.
Um die Erfindung besser zu verstehen, ist in der beigefügten Zeichnung eine nicht beschränkende Ausführungsform der erf indungsgemäßen Einrichtung dargestellt.
Fig. 1 ist ein vereinfachtes Schema einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 ist eine Abänderung einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3a, 3b, 3c, 3d stellen die vier Hauptphasen der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung dar,
Fig. 4 zeigt eine Einrichtung mit zwei parallelen, mit dem Hauptkreislauf verbundenen Gefriertrocknungseinheiten,
Fig. 5 zeigt eine Einrichtung gemäß Fig. 4, bei der die Gefriertrocknungseinheiten miteinander fur einen abwechselnden Betrieb verbunden sind.
In der Zeichnung ist erkennbar, daß die Gefriertrocknungseinheit im wesentlichen zwei Kammern aufweist, wovon die erste Trocknungskammer 1 Regale 5 aufnimmt, auf denen die zu trocknende Produkte angeordnet sind, sowie die Kammer 2, in der sich die Falle 6 befindet, in die das in den Produkten enthaltene Wasser gelangen soll, wobei die Kammern 1 und 2 miteinander über ein Rohr 3 in Verbindung stehen, in dem ein Schieber 4 angeordnet ist.
Erfindungsgemäß weist die Einrichtung einen in sich geschlossenen Hauptkreislauf 7 zur Temperaturregelung auf. Dieser Kreislauf umfaßt eine Kühlaggregat 16 und eine Umwälzpumpe 14, so daß die Regelung der Kälte fortlaufend und unabhängig von irgendeinem Sekundärkreislauf (Gefriertrocknungseinheiten) erfolgt.
Der Hauptkreislauf 7 dient dazu, eine oder mehrere parallel angeordnete Gefriertrocknungseinheiten zu bedienen.
Damit der Durchsatz des kalten Fluids durch eine Gefriertrocknungseinheit keinen Einfluß auf den Durchsatz der anderen Einheiten hat, ist es notwendig, daß der Vorrat an Kühlenergie groß ist. Aus diesem Grunde ist in dem Kreislauf ein Vorratsbehälter angeordnet.
Des weiteren ergibt sich aus der Verwendung eines einzigen Fluids zum Gefriertrocknen und zum Sterilisieren die Wahl einer Silikonflüssigkeit mit einem sehr breiten Einsatzspektrum, z. B. die Wahl aus der Familie der Dimethylsiloxanpolymere, die jedoch eine hohe Viskosität aufweisen, was bei niedrigen Temperaturen ein Problem bereitet.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem dadurch gelöst, daß für den Hauptkreislauf Leitungen mit großem Querschnitt verwendet werden, die einen Durchmesser von mindestens ungefähr 100 mm aufweisen, so daß die Leitung selber den Wärmevorrat bildet.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 bedient der Hauptkreislauf eine Gefriertrocknungseinheit.
Jede Gefriertrocknungseinheit weist parallel zum Hauptkreislauf 7 eine Primärabzweigung 9, die durch die Falle 6 hindurch verläuft und eine Sekundärabzweigung 8, die durch die Regale 5 hindurch verläuft, auf.
Die Sekundärabzweigung 8 ist mit dem Hauptkreislauf über eine Eingangsleitung 20 und eine Ausgangsleitung 21 verbunden, die beide jeweils mit Trennschiebern 10, 12 ausgestattet sind.
Parallel zu der Sekundärabzweigung 8 ist eine Leitung 80 angeordnet, die sich durch Schieber 81 und 82 steuern läßt und in der sich eine Umwälzpumpe 13 sowie eine Wärmeregelungseinheit 15 (heiß und kalt) befinden. Wenn die Schieber 10 und 12 geschlossen und die Schieber 81 und 82 geöffnet sind, bilden die Leitungen 88 einen Sekundärkreislauf, der vom Hauptkreislauf 7 unabhängig ist.
Die Regelungseinheit 15 besteht aus einem Kühlaggregat 83 und einer Heizvorrichtung 84.
Im Hauptkreislauf 7 ist eine Serie von parallelen Kühlaggregaten 16 angeordnet. Diese Anordnung erlaubt es, einen unerwarteten Ausfall eines Aggregats während der Behandlung zu begegnen und eine bessere Leistungsanpassung zu erreichen, wodurch es auch möglich ist, mehrere Gefriertrocknungseinheiten zu bedienen, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist.
Bei der abgeänderten Ausführungsform der Fig. 2 umfaßt die Einrichtung zwei Leitungen 85, 86, die durch Schieber 87, 88 gesteuert werden und die die mit der Falle verbundene Abzweigung mit dem Sekundärkreislauf verbinden. Diese Erweiterung dient dazu, die Wärmeregelungseinheit 15 zum Erwärmen der Falle und zum Entfernen des Wassers sowie zum Abkühlen der Falle nach dem Sterilisieren zu verwenden.
Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 4 und 5 weist die Einrichtung zwei parallel im Hauptkreislauf 7 angeordnete Gefriertrocknungseinheiten auf, die von dem Kühlaggregat 16 und der Umwälzpumpe 14 bedient werden.
Des weiteren sind bei der Einrichtung gemäß Fig. 5 die Trocknungskammern 1 und 1' benachbart zueinander mit einer sie verbindenden Leitung 89 angeordnet, die durch eine Schiebergruppe 100 gesteuert wird. Die Sekundärkreise sind ebenfalls miteinander verbunden, um eine identische Wärmeregelung in der Gesamtheit der Leitungen zu erreichen.
Die Einrichtung arbeitet auffolgende Weise (in Fig. 3 sind die mit dicken Linien ausgezogenen Teile die in Betrieb befindlichen Elemente des Kreislaufs):

Phase 1: Gefrieren des Produktes (Fig. 3a)

- Die Falle wird durch Schließen des Schiebers 4 zwischen den Kammern 1 und 2 und durch Trennen der Abzweigung 9 abgetrennt;
- Die Umwälzpumpe 13 und die Wärmeregelungseinheit 15 werden abgetrennt (Schieber 81, 82 geschlossen) und
- die Regale 5 werden über den Hauptkreislauf 7 mit kaltem Fluid beaufschlagt (durch Öffnen der Schieber 10 und 12).

Phase 2: Gefriertrocknung (Fig. 3b)

- Wenn das Gefrieren beendet ist, werden die Schieber 10 und 12 geschlossen und die Schieber 81, 82 geöffnet, so daß der Sekundärkreis 8, 80 des Hauptkreises geöffnet ist, und es wird der Schieber 4 geöffnet,
- die Heizvorrichtung 84 und die Umwälzpumpe 13 werden in Gang gesetzt, während die Falle durch Umwälzen des Fluids in der Abzweigung 9 mit dem Fluid beaufschlagt wird;
- das Gefriertrocknen umfaßt einen ersten und einen zweiten Schritt und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Produkts mit Hilfe der Heizvorrichtung 84 angehoben wird.
Wenn der zweite Schritt des Gefriertrocknens beendet ist, werden die trockenen Produkte mittels des Kühlaggregats 83 abgekühlt.

Phase 3: Entleeren und Sterilisieren

Nach Beendigung des Gefriertrocknens werden die trockenen Produkte aus der Trocknungskammer entfernt (in an sich bekannter Weise), wonach das Eis aus der Falle entfernt wird. Zu diesem Zweck (Fig. 3c):
- werden die Regale und die Falle vom Hauptkreislauf 7 getrennt: Schieber 10, 12, 90, 91 geschlossen und Schieber 87, 88 geöffnet;
- die Heizvorrichtung 84 wird in Gang gesetzt, wobei die Wärme in der Falle das Schmelzen beschleunigt;
- die Wärme in dem Kreislauf wird auf eine Temperatur von 122º C gebracht und während einer ausreichenden Zeit gehalten, um die Sterilisation der Falle und der Regale zu gewährleisten.

Phase 4: Abkühlen (Fig. 3d)

Um eine zu lange Abkühlungszeit und jeden thermischen Schock mit dem auf sehr niedriger Temperatur befindlichen Fluid des Hauptkreislaufs 7 zu vermeiden, wird das Fluid des Sekundärkreises zum Abkühlen verwendet: Die Falle wird vom Hauptkreislauf getrennt und durch Öffnen der Schieber 87, 88 mit dem Sekundärkreis verbunden. Das Fluid des Sekundärkreises 8, 80 wird dabei durch das Kühlaggregat 83 abgekühlt.
Wie man erkennen kann, werden die Temperaturen der Falle und der Regale durch ein und dasselbe Fluid, das in einem Kreislauf umläuft, geregelt, wobei dieser Kreislauf zwei Temperaturregeleinheiten aufweist. Diese Anordnung bringt folgende Vorteile mit sich:
- die Temperaturregelung der Regale ist genauer, da es möglich ist, die Eintritts- und Austrittstemperaturen der Falle und der Regale zu bestimmen und die Durchflußmengen zu steuern;
- die Sublimationsgeschwindigkeit des Wassers läßt sich steuern, da diese Geschwindigkeit von der Temperatur der Regale abhängt;
- nach ihrer vorbereitenden Sterilisierung erfolgt das Abkühlen der Regale und der Falle schneller und wirksamer;
- das Abkühlen des Produkts am Ende des zweiten Schritts des Gefriertrocknens kann sehr schnell, geradezu augenblicklich erfolgen, indem die Flüssigkeiten des ersten und des zweiten Kreislaufs gemischt werden.
Durch den Wegfall des langen Freon-Kreislaufs, der üblicherweise die Regale bedient, entfallen ebenfalls die damit verbundenen Probleme und insbesondere die schwierige Ölrückführung, die Zwänge bei der Einrichtung und die Kosten des Freon.

Claims

1. Einrichtung zum Gefriertrocknen mit

- zwei benachbarten, miteinander verbundenen Kammern (1, 2), wovon die eine Trocknungskammer (1) mit Regalen (5) versehen ist, die dazu bestimmt sind, das Produkt, das gefriergetrocknet werden soll, zu tragen, während die andere Kammer (2) eine Falle (6) aufweist, die dazu bestimmt ist, das im Produkt enthaltene Wasser aufzufangen,

- einer Anordnung von untereinander verbundenen Leitungen zum Umwälzen eines einzigen und einheitlichen darin befindlichen Wärmeträgerfluids Wärmeträgerfluid befindet,

dadurch gekennzeichnet, daß

- das Wärmeträgerfluid aus einer Silikonflüssigkeit besteht, die sich bis wenigstens auf eine Temperatur von 122º C erhitzen läßt und dabei auf einem Druck von ungefähr 1000 Pascal verbleibt,

- die Einrichtung einen geschlossenen Hauptkreislauf (7) mit wenigstens einem Kühlaggregat (16) und damit in Serie angeordneter Umwälzpumpe (14) aufweist, so daß das Wärmeträgerfluid in diesem Kreislauffortwährend umgewälzt wird,

- der Hauptkreislauf (7) dazu dient, wenigstens eine Gefriertrocknungseinheit zu bedienen,

- jede Einheit parallel zum Hauptkreislauf (7) eine erste, die Falle (6) durchguerende Abzweigung (9) und parallel dazu eine zweite, die Regale (5) durchquerende Abzweigung (8) aufweist,

- die zweite Abzweigung (8) in Parallelverbindung mit einer Leitung (80) steht, die eine unabhängige Wärmeregelungsanordnung (15) und eine unabhängige Umwälzpumpe (13) aufweist,

- die zweite Abzweigung (8) und die Leitung (80) einen vom Hauptkreislauf (7) unabhängigen zweiten Kreislauf bilden.

2. Einrichtung zum Gefriertrocknen von pharmazeutischen Produkten entsprechend Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptkreislauf (7) einen Vorratsbehälter zur wärmeregelung der Einrichtung aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Abzweigung (85, 86) zwischen dem Hauptkreislauf (7) und der zweiten Abzweigung (8) aufweist, so daß sich die Regale (5) und die Falle (6) durch die zweite Wärmeregeleinheit (15) abgetrennt vom Hauptkreislauf (7) bedienen lassen.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Gefriertrocknungseinheiten aufweist, wobei die Kammern (1, 1') mit den Regalen zueinander benachbart sind und durch eine Verbindungsleitung (89) mit einem Steuerschieber (100) miteinander verbunden sind.