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.

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.

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.

● 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.

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.