Die Rolle der Vakuumtechnik bei der Gefriertrocknung

Die Gefriertrocknung eignet sich sowohl für Obst und Beeren als auch für gekochtes Fleisch oder Gemüse. Auch Kräuter und Gewürze werden durch Gefriertrocknen haltbar gemacht, indem man den Wasseranteil in diesen Produkten auf wenige Prozente senkt. Das bekannteste gefriergetrocknete Lebensmittel ist wohl der lösliche (Instant-) Kaffee. Auch viele Fertiggerichte, die zur Zubereitung als Granulat oder in Pulverform nur in kochendem Wasser aufgelöst werden, wurden zuvor gefriergetrocknet. Prinzipiell können Lebensmittel auch auf einfachere Weise, zum Beispiel durch Dörren, getrocknet werden. Dies hat allerdings den Nachteil, dass sich die Struktur und Optik der Lebensmittel verändern. Außerdem können Aromastoffe mit dem Luftsauerstoff reagieren, was sich auf den Geschmack auswirkt. Bei der Gefriertrocknung bleibt die Struktur unverändert und die getrockneten Zellen können bei der Zubereitung wieder Wasser aufnehmen. Durch die Trocknung unter Vakuum bleiben die Aromastoffe weitestgehend erhalten.

Das Verfahren

Die Gefriertrocknung (Fig. 1) ist ein rein physikalisches Verfahren, dass das Prinzip der Sublimation nutzt. Aufgrund des Vakuums in der Trocknungskammer sublimiert das gefrorene Wasser zu Wasserdampf. Das Eis überspringt quasi den Aggregatszustand „flüssig“ und wird von „fest“ direkt „gasförmig“. Vor dem eigentlichen Trocknungsprozess muss das Produkt, egal ob Beeren, Fruchtstücke oder Kaffeeextrakt, in einer Kühlkammer tiefgefroren werden. Dazu wird das Produkt auf Stellflächen (Trays) verteilt, die dann direkt oder auf Hordenwägen in die Kühlkammer eingebracht werden. Danach kommt das tiefgefrorene Produkt in die eigentliche Trocknungskammer (Fig. 2). Bei einigen Gefriertrocknungsanlagen erfolgt die Kühlung direkt in der Trocknungskammer. Bei der Lebensmittelverarbeitung kommen auch Gefriertrocknungsanlagen zum Einsatz, bei denen sowohl die Kühlung als auch die Trocknung in einem kontinuierlichen Prozess stattfinden. Nach der Kühlung erfolgt in der luftdicht verschlossenen Kammer der eigentliche Trocknungsprozess, indem über eine Vakuumpumpe der Luftdruck in der Kammer reduziert wird, bis ein Vakuum von 1 bis 0,5 mbar erreicht ist. Jetzt beginnt der Verdampfungsprozess des gefrorenen Wassers bei -50 bis -40° Celsius. Der Wasserdampf wird von der Vakuumpumpe aus der Trocknungskammer in einen nachgeschalteten Kondensator abgesaugt. In dieser auf mindestens -70° Celsius gekühlten „Eis-Falle“ sublimiert der Wasserdampf und schlägt sich als Eis an der Kühlschlange nieder. Bei diesem Primärtrocknung genannte Prozessschritt wird dem Produkt der Großteil der Feuchtigkeit entzogen.

Bei der Sublimation wird aus der Trocknungskammer thermische Energie entnommen. Das heißt, die Temperatur in der Kammer würde im Laufe dieses Prozesses sinken. Deshalb muss die Kammer beheizt werden. Dabei muss darauf geachtet werden, dass nur so viel Wärmeenergie zugeführt wird, wie vom Wasser als Sublimationsenergie entnommen wird, um die Temperatur konstant zu halten oder eine leichte Temperatursteigerung auf -20° Celsius zuzulassen.

Bei den meisten Lebensmitteln schließt sich unmittelbar an die Primärtrocknung noch ein Sekundärtrocknung an. Dabei wird stärker gebundene Restfeuchtigkeit aus dem Produkt entzogen, indem das Vakuumniveau auf 0,01 mbar oder darunter gesenkt und die Temperatur über den Gefrierpunkt erhöht wird. Danach wird die Trocknungskammer auf Atmosphärendruck belüftet und das getrocknete Produkt mit einem Wassergehalt von ein bis vier Prozent zur Weiterverarbeitung entnommen. Zur Belüftung verwendet man trockene Luft oder ein Schutzgas, damit das getrocknete Produkt keine neue Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft aufnehmen kann.

Physikalische Parameter

Der Prozess der Gefriertrocknung ist im Wesentlichen von diesen Parametern abhängig (Fig. 3):

• Druck, beziehungsweise Vakuumniveau
• Temperatur
• Zeit

Selbstverständlich spielen auch die Produkte beziehungsweise deren Eigenschaften eine wichtige Rolle. Deshalb werden vor einer industriellen Gefriertrocknung oder vor dem Trocknen großer Produktmengen Versuche in Pilotanlagen gefahren.

Vakuumtechnik

Die Gefriertrocknung benötigt eine zuverlässige und exakt justierbare Vakuumversorgung. Dabei haben sich zwei Arten der Vakuumerzeugung bei industriellen Gefriertrocknern für Lebensmittel bewährt:

• Vakuumsysteme mit Drehschieber-Vakuumpumpen und zusätzlichen Vakuum-Boostern (Fig. 4)
• Vakuumsysteme mit Schrauben-Vakuumpumpen und zusätzlichen Vakuum-Boostern (Fig. 5)

Welches der beiden Vakuumsysteme geeigneter ist, hängt mit der Größe der Trocknungsanlage, den zu trocknenden Produkten und den bereits erwähnten physikalischen Parametern ab.  

Vakuumsystem mit Drehschieber-Vakuumpumpe und Vakuum-Booster

Drehschieber-Vakuumpumpen sind ölgeschmiert und erreichen einen Enddruck von bis zu 0,1 Millibar. Um ein höheres Vakuumniveau zu generieren und ein genügend hohes Saugvermögen im Arbeitsbereich unter 1 Millibar zu haben, empfiehlt es sich, zusätzlich einen Vakuum-Booster zu verwenden. Dies hat den Vorteil, dass ein Vakuumniveau von bis unter 0,001 Millibar erreicht wird. Außerdem kann ein Vakuumsystem mit der Kombination Drehschieber-Vakuumpumpe/Vakuum-Booster exakter auf die Größe des Gefriertrockners ausgelegt werden und ist dabei noch energieeffizienter als eine einzelne Drehschieber-Vakuumpumpe in einer größeren Ausführung. Ein Vakuumexperte kann die effektivste Pumpenkombination berechnen. Die Firma Busch Vacuum Solutions kann durch die Vielzahl an Baugrößen von Drehschieber-Vakuumpumpen und Vakuum-Boostern immer das passende Vakuumsystem für jede Größe von Gefriertrocknern anbieten.

Vakuumsystem mit Schrauben-Vakuumpumpe und Vakuum-Booster

Schrauben-Vakuumpumpen arbeiten trocken, also ölfrei, und erreichen einen Enddruck von bis zu 0,01 Millibar. Auch bei Schrauben-Vakuumpumpen ist es empfehlenswert, zusätzlich einen Vakuum-Booster zu verwenden. Durch ihn lassen sich wesentlich niedrigere Drücke realisieren und gleichzeitig Energie einsparen.

Schrauben-Vakuumpumpen können mit einem frequenzgeregelten Motor ausgestattet werden, so dass sich das Saugvermögen dem jeweiligen Bedarf des Prozessschrittes beim Gefriertrocknen automatisch anpasst. Dadurch ist eine weitere Energieeinsparung möglich.

Grundsätzlich sollte bei der Wahl der Vakuumtechnologie und deren Auslegung ein Vakuumexperte konsultiert werden. Er kann immer die wirtschaftlichste und technisch sinnvollste Lösung anbieten. Busch Vacuum Solutions fertigt seit Jahrzehnten Vakuumlösungen für die Gefriertrocknung von Lebensmitteln und pharmazeutischen Produkten. Neben der Vakuumtechnik bietet Busch auch sämtliche Überwachungs-, Mess- und Detektionsgeräte für den kompletten Prozess an.