WAVE KNOW-HOW
Erfahren Sie alles über die Technologie der Gefriertrocknung: wie Sie die Ergebnisse, die Trocknungszeiten und den Energieverbrauch verbessern können; berechnen Sie die Kosten und erfahren Sie mehr über bestimmte Produkte uvm.
Was ist Gefriertrocknung
Die Gefriertrocknung wird manchmal auch Lyophilisierung genannt und ist ein vielversprechendes Konservierungsverfahren. Bei der Gefriertrocknung wird ein Produkt zunächst gefroren, dann wird der Druck gesenkt und das Eis wird durch Sublimation entfernt. Sublimation ist die Transformation einer Substanz vom festen in einen gasförmigen Zustand, ohne sich zuvor zu verflüssigen. Anders als bei anderen Konservierungsverfahren, bei denen Wasser durch Wärme verdampft wird, wird bei der Gefriertrocknung Wasser in Form von Eis entfernt.

Die niedrige Temperatur ermöglicht ein qualitativ hochwertigeres Endprodukt. Das Produkt behält nicht nur seine ursprüngliche Form, sondern das Verfahren ist auch sehr vitaminschonend. Daher kommt die Gefriertrocknung vor allem in der Biomedizin und Lebensmittelverarbeitung zum Einsatz, denn Nähr- und Wirkstoffe bleiben besonders gut erhalten.

Geschichte der Gefriertrocknung
Die ersten Versuche

Die Gefriertrocknung entwickelte sich in frühen Kommunen in Amerika, Ostasien und Nordeuropa separat. Stämme in Peru froren bereits Knollen und Kartoffeln in den kalten Gipfeln der Anden. Dann legten sie die gefrorenen Lebensmittel in die Sonne, wodurch das Eis verdunsten konnte. Daraus gewannen sie ein traditionsreiches Grundnahrungsmittel, das die Basis für viele verschiedenen Mahlzeiten bildete. Die indigenen Völker konnten sich somit das ganze Jahr über mit konservierten, schmackhaften Lebensmitteln versorgen. Wie die Peruaner bei Kartoffeln, profitierten zum Beispiel auch die Mönche Japans bei Tofu und die Wikinger bei Kabeljau von ihrem Wissen über die Gefriertrocknung.

Meilensteine der Wissenschaft

1890 wurde zum ersten Mal Gewebe in einem Labor perfekt gefriergetrocknet und anschließend wieder rehydriert. In den folgenden Jahrzehnten wurde die Gefriertrocknung weiter erforscht und skaliert, sodass man im Zweiten Weltkrieg mithilfe der Gefriertrocknung Blutplasma sicher konservieren und transportieren konnte. Etwas später wurde die Technik auch für den Transport von Impfstoffen angewandt. Auch fast alle Nahrungsmittel für die Apollo-Missionen der NASA wurden durch Gefriertrocknung konserviert.

Die Phasen des Gefriertrocknens
Das Einfrieren

Es gibt diverse Methoden, mit denen man das Produkt einfrieren kann. Das Einfrieren kann in einem Kältebad, in einem Eisschrank oder direkt auf einem Regal im Gefriertrockner erfolgen. Das Abkühlen des Materials unter seinen Tripelpunkt stellt sicher, dass das Produkt nicht aufgetaut, sondern sublimiert wird. Somit bleibt die Form des Produktes bestens erhalten.
Große Eiskristalle, die durch langsames Einfrieren erzeugt wurden, sind für den Gefriertrockner am einfachsten zu trocknen. Wenn die Kristalle jedoch zu groß sind, können sie die Zellwände des Produkts zerstören, was zu einem qualitativ schlechteren Endprodukt führt. Um dies zu verhindern, wird das Gefrierverfahren möglichst schnell durchgeführt.

Gefriertrockenprozess durch Trocknungszyklen

Die zweite Phase der Gefriertrocknung ist die sogenannte Primärtrocknung (Sublimation), bei der der Druck gesenkt (es wird ein Vakuum erzeugt) und dem Produkt Wärme zugeführt wird, damit das Wasser sublimieren kann. Das Vakuum fördert die Sublimation. Der Kondensator bietet dem Wasserdampf eine Oberfläche, im Falle der WAVE Gefriertrockner ist die Vakuumkammer wand der Kondensator, an welchem der Wasserdampf anhaftet und sich verfestigt in Form von Eis. Der Kondensator schützt auch die Vakuumpumpe vor dem Wasserdampf. Zu viel Wärme auf einmal kann die Struktur und Form des Materials beeinflussen.

Es folgen die weiteren Phasen der Gefriertrocknung, die sekundäre Trocknung (Adsorption), bei der Wassermoleküle, die ionisch gebunden sind, entfernt werden. Indem in kleinen Schritten die Temperatur höher als in der primären Trocknungsphase eingestellt wird, werden die Bindungen zwischen dem Material und den Wassermolekülen aufgebrochen. Diese Trockenstufen können zum Beispiel in 10°C Abständen erfolgen und können flexibel eingestellt werden durch die Siemens Steuerung der WAVE Gefriertrockner. Gefriergetrocknete Materialien behalten eine poröse Struktur. Nachdem der Gefriertrocknungsprozess abgeschlossen ist, kann das Vakuum aufgebrochen werden, bevor das Material luftdicht versiegelt wird. Die meisten Materialien können dank dieses Verfahrens auf 1-5 % Restfeuchte getrocknet werden.

Vorteile des Gefriertrocknens
● Die behandelten Produkte behalten ihre ursprüngliche Form und Struktur bei.

● Armostaffe bleiben besser erhalten als bei anderen Trocknungsverfahren.

● Besserer Geschmack und Konsistenz für Lebensmittel.

● Ein schonendes Verfahren, bei dem Vitamine, Nährstoffe und Wirkstoffe gut erhalten bleiben.

● Weniger Gewicht trotz originalgetreuer Struktur.

● Kann rehydriert werden.

Anwendungsbereiche der Gefriertrocknung
Am häufigsten kommt die Gefriertrocknung in der Arzneimittelkunde zum Einsatz, um die Haltbarkeit von wichtigen Produkten wie Impfstoffen und anderen Injektionspräparaten zu verlängern. Indem dem Material das Wasser entzogen und es in einem Fläschchen versiegelt wird, kann das Material leicht gelagert, verschickt und später für die Injektion in seine ursprüngliche Form rehydriert werden.

Die Gefriertrocknung wird eingesetzt, um Lebensmittel zu konservieren und sie sehr leicht zu machen. Das Verfahren erfreute sich insbesondere anwachsender Beliebtheit nachdem gefriergetrocknetes Speiseeis als Snack für NASA-Astronauten hergestellt wurde. In letzter Zeit wurde eine Vielzahl von Produkten kreiert, da das Verfahren der Gefriertrocknung günstiger geworden ist und so kreatives Potential freigesetzt werden konnte. Schwerverkäufliche Lebensmittel wie zum Beispiel krummer Spargel werden zu neuen Produkten verarbeitet: Spargelpulver für die Lebensmittelindustrie. Landwirte können das Gemüse und Obst verarbeiten und zum Beispiel gefriergetrocknete Erdbeeren oder Marillen verkaufen. Konditoren veredeln ihre Kreationen mit gefriergetrockneten Zutaten. Es lassen sich viele verschiedene, kreative Ansätze finden wie die Gefriertrocknung uns bereichern kann.


Die Dauer des Gefriertrockenprozesses

Die Gefriertrockenzeit ist von entscheidender Bedeutung für die Auslastung eines Gefriertrockners. Allerdings variieren die Gefriertrockenzeiten stark zwischen verschiedenen Materialien, da der Wassergehalt der Hauptgrund für die Unterschiede ist. Aber auch andere Faktoren spielen eine Rolle, Orangen und Mandarinen zum Beispiel haben eine extrem wasserfeste Haut und speichern Wasser sehr gut. In diesem Fall ist das Schneiden der Frucht entscheidend - kleinere Stücke lassen sich leichter gefriererocknen. Beeren mit einer dicken Haut können im Allgemeinen auch gut Wasser speichern, z. B. Heidelbeeren. Erdbeeren hingegen lassen sich sehr leicht gefriertrocknen.
Die folgende Tabelle zeigt die Trocknungszeiten für mittelgroße Stücke von ca. 10 mm bei einer Endtemperatur von 25°C, 40°C und 60°C.
Je höher die Temperatur, desto schneller der Trocknungsprozess, jedoch bleiben bei langsamerer Trocknung mehr Vitamine und eine bessere Struktur erhalten. Es bedarf also einer individuellen Einstellung der Temperaturen und Trockenzyklen je nach gewünschter Qualität des Endproduktes, was durch die flexible Benutzeroberfläche der Wave Gefriertrockner gewährleistet werden kann.


Die folgende Tabelle zeigt die Gefriertrocknungszeit in Stunden bei verschiedenen maximalen Heiztemperaturen.

Die Nährwerte einer frischen und einer gefriergetrockneten Erdbeere werden in der folgenden Tabelle verglichen.

Der Prozess - präparieren, frieren, trocknen, verpacken
Der Prozess: Nach dem Vorbereiten und Einfrieren des Materials entziehen die Trocknungszyklen mit verschiedenen Temperaturstufen dem Produkt das Wasser. Am Ende der Trockenzyklen tauen Sie die Maschine ab, um sie für einen neuen Zyklus bereit zu machen ( das Abtauen dauert ca. 20 min) und verpacken Sie das Material luftdicht.
PRO-TIPP: Wenn das Eis an der Vakuumkammer warm wird, können Sie es mit den Händen herausnehmen und wiederverwenden - zum Beispiel zum Rehydrieren von CBD-Blüten.

Das Gewicht von frischen vs. gefriergetrockneten Produkten

Je nach Wassergehalt des Produkts unterscheiden sich die benötigte Zeit für die Gefriertrocknung und das Gewicht des gefriergetrockneten Endprodukts.