Die drei Stufen
Die Gefriertrocknung (Lyophilisation) ist ein Entwässerungsverfahren, das in drei Stufen abläuft:
- Gefrieren: Das Produkt wird unter seinen eutektischen Punkt gefroren, typischerweise auf -30°C bis -50°C. Die Gefriergeschwindigkeit beeinflusst die Größe der Eiskristalle und damit die Produktqualität.
- Haupttrocknung (Sublimation): Unter Hochvakuum (≤30 Pa) wird dem Produkt Wärme zugeführt, um die Sublimation anzutreiben. Das Eis geht direkt in den Dampfzustand über, ohne die flüssige Phase zu durchlaufen. Diese Stufe entzieht 90-95% des Wassers.
- Nachtrocknung (Desorption): Die Temperatur wird erhöht, um gebundene Wassermoleküle durch Desorption zu entfernen. Diese Stufe bringt den Restfeuchtegehalt auf 1-4%.
Die Stufen folgen zwingend aufeinander. Die Sublimation kann nur ablaufen, solange die Eisstruktur gefroren bleibt, daher muss das Produkt während der gesamten Haupttrocknung unterhalb seines eutektischen Punktes bleiben; taut es auf, bricht die Struktur zusammen und die poröse Matrix, die den Dampf entweichen ließ, geht verloren.
Warum tiefes Vakuum eine Wälzkolbenpumpenstufe erfordert
Die Haupttrocknung beruht auf einem Druckgefälle. Wasserdampf verlässt die Eisoberfläche, wandert durch die bereits getrocknete Schicht und muss vom Pumpsystem schnell genug abgeführt werden, um den Kammerdruck niedrig zu halten. Bei einem Betriebsdruck von ≤30 Pa ist das zu bewegende Dampfvolumen groß, und eine einzelne ölgedichtete Pumpe kann die erforderliche Saugleistung nicht halten; daher ist eine der Drehschieberpumpe vorgeschaltete Wälzkolbenpumpenstufe erforderlich.
Diese Anforderung gehört zum Hochvakuumbereich. Die Vakuumkühlung arbeitet bei ≤600 Pa, und bei diesem Zieldruck bringt eine Wälzkolbenstufe keinen Gewinn: Die Vorkühlung von Erntegut arbeitet mit einer Drehschieberpumpe und die Kühlung heißer Speisen (Ausgangstemperatur 80–90°C) mit einer Wasserringpumpe, die eine Drehschieberpumpe unterstützt.
Zyklusdauer und Produktgrößen
Der gesamte Prozess kann je nach Produktdicke, Zusammensetzung und Anlagenspezifikation 12-48 Stunden dauern. Dünne Scheiben und kleine Stücke trocknen schneller, weil der Dampfweg kurz ist. Zuckerreiche und dichte Produkte trocknen langsamer und reagieren empfindlicher auf einen Zusammenbruch. Auch das Beladungsmuster zählt: Dieselbe Masse in dünner Schicht verteilt trocknet schneller als dieselbe Masse in einem tiefen Tablett. Wo diese Bedingungen vom Referenzfall abweichen, wird die Zykluszeit im Versuch ermittelt.