Einflussfaktoren auf Wärme- und Stofftransport in Gefriertrocknern
Der gesamte Gefriertrocknungsprozess ist im Wesentlichen ein simultaner Prozess des Wärme- und Stofftransports (Wasserdampf). Die Raten des Wärme- und Stofftransports beeinflussen gemeinsam die Trocknungsrate und somit den gesamten Gefriertrocknungszyklus. Alle Faktoren, die den Wärme- und Stofftransport beeinflussen, wirken sich auf die Trocknungsrate aus. Zusammenfassend sind die wichtigsten Einflussfaktoren auf den Wärme- und Stofftransport in Gefriertrocknern:
1. Materialform und -zusammensetzung: Gefriergetrocknete Materialien werden im Allgemeinen in Feststoffe und Flüssigkeiten unterteilt. Die Form der Feststoffe und die Konzentration der Flüssigkeiten haben einen signifikanten Einfluss auf die Gefriertrocknungsrate.
2. Vorgefriergeschwindigkeit: Die Größe der beim Gefrieren entstehenden Kristalle beeinflusst maßgeblich die Trocknungs- und Auflösungsgeschwindigkeit des getrockneten Produkts. Schnelles und langsames Gefrieren in Gefriertrocknern unterscheiden sich wie folgt: Schnelles Gefrieren erzeugt kleinere, langsames Gefrieren größere Eiskristalle. Größere Eiskristalle fördern die Sublimation, kleinere hemmen sie. Schnelles Gefrieren führt zu einer geringen Sublimations- und einer hohen Desorptionsrate, langsames Gefrieren zu einer hohen Sublimations- und einer niedrigen Desorptionsrate.
3. Beladungsmenge: Beim Gefriertrocknen weist das Material nach dem Einfüllen in die Behälter ein bestimmtes Verhältnis von Oberfläche zu Dicke auf. Daher hängt die Gefriertrocknung von der Beladungsmenge ab. Eine geringere Oberfläche und Dicke fördern die Wassersublimation, erleichtern die Gefriertrocknung und führen zu einer optimalen Produktqualität. Das Nassgewicht pro Flächeneinheit der Schale ist ein entscheidender Faktor für die Trocknungszeit. Generell gilt: Je dünner der Materialstapel, desto schneller der Wärme- und Stoffaustausch und desto kürzer die Trocknungszeit. Eine geringere Materialschichtdicke bedeutet jedoch, dass pro Charge und Gefriertrocknungsfläche weniger Material getrocknet wird. Dies wirkt sich nachteilig auf die Ausbeute pro Gefriertrocknungsfläche und pro Zeiteinheit aus.
4. Druck in der Trockenkammer: Der Druck in der Trockenkammer beeinflusst die Wärme- und Stoffaustauschraten. Für den Stoffaustausch ist ein niedrigerer Druck vorteilhaft, für den Wärmeaustausch hingegen ein höherer. Die Stoffaustauschrate eines Gefriertrockners wird hauptsächlich durch die Temperatur und den Druck an der Sublimationsgrenzfläche und der Oberfläche der Trocknungsschicht bestimmt. Um die Verdunstungsrate des Wasserdampfs aus der Trocknungsschicht zu erhöhen, kann man die Temperatur der Sublimationsgrenzfläche erhöhen und damit den Wasserdampfdruck an der Grenzfläche steigern. Alternativ kann man den Unterdruck in der Trockenkammer erhöhen und dadurch den Dampfdruck an der Oberfläche der Trocknungsschicht reduzieren.
5. Wärmeübertragungsmethode: Gefriertrockner lassen sich traditionell in folgende Wärmeübertragungsmethoden einteilen: Wärmeleitung, Konvektion, Wärmestrahlung und Mediumheizung (Mikrowellenheizung). Da der Sublimationstrocknungsprozess in einem Gefriertrockner die Übertragung von Wärme und Masse (Wasserdampf) beinhaltet, hat die Methode der Wärmeübertragung, die zur effizienten Wärmeübertragung auf das Material verwendet wird, einen erheblichen Einfluss auf die Trocknungsgeschwindigkeit des Gefriertrockners.
