ENGINEERINGNET.BE - Lyophitech en Air Liquide combineren zo de kracht van cryogene koude met een technologie van dynamisch vriesdrogen.
De uitdaging bestaat er dus niet alleen uit om koude beschikbaar te hebben, maar om deze rechtstreeks in het hart van het proces te integreren.
Wanneer invriezen onmiddellijk moet gebeuren
Bij dynamisch vriesdrogen begint alles met snel invriezen. Bij −196 °C onttrekt vloeibare stikstof in luttele seconden de warmte aan het product en maakt het de directe vorming van bevroren bolletjes of parels mogelijk. De structuur die bij deze stap ontstaat, speelt vervolgens een cruciale rol bij de droging.
De invriessnelheid maakt controle over de ijskristalvorming mogelijk en daarmee over de structuur van het bevroren product. Bij gevoelige biofarmaceutische producten is deze controle uiterst belangrijk om hun eigenschappen te behouden. Het snelle invriezen schept zo de noodzakelijke voorwaarden voor de volgende stap: de sublimatiedroging.
Invriezen is pas het begin
Eenmaal ingevroren worden de bolletjes overgebracht naar het dynamische vriesdroogsysteem. Daar worden ze los als stortgoed, onder vacuüm en in beweging gedroogd – in plaats van in een statische omgeving. Deze beweging bevordert de warmte- en massa-overdracht en maakt een homogene droging van de bolletjes mogelijk.
Invriezen en sublimeren zijn zo twee afzonderlijke, complementaire stappen. Het product wordt eerst door cryogene koude zeer snel gestold en vervolgens onder vacuüm- en bewegingsomstandigheden gedroogd die zijn afgestemd op de eigenschappen ervan. Vloeibare stikstof dient dus niet alleen om het product in te vriezen: het creëert vanaf het begin de structuur die vervolgens door het dynamische vriesdroogproces verder wordt verwerkt.
Koude zonder compressor
Ook tijdens de droging blijft koude essentieel. De waterdamp die bij sublimatie vrijkomt, moet worden opgevangen en gecondenseerd; een cryogeen condensatiesysteem met vloeibare stikstof neemt deze functie op zich. Deze oplossing levert een hoog koelvermogen zonder een beroep te doen op een klassiek koelsysteem zoals compressie.
Deze opbouw kan bovendien het ontwerp van de installatie vereenvoudigen en het aantal mechanische componenten voor de koudeopwekking verminderen. Vloeibare stikstof maakt deze functie bovendien mogelijk zonder het gebruik van gefluoreerde koudemiddelen. De keuze van de koudebron wordt zo een volwaardig onderdeel van de procesontwikkeling.
Lyophitech: Dynamiek in vriesdrogen
Aan de apparatuurzijde vertaalt Lyophitech dit principe naar een dynamische vriesdroogtechnologie. Met de MiniDYN® maakt het bedrijf het onderzoek naar formuleringen en kritische procesparameters al op labschaal mogelijk.
Ontwikkelings- en haalbaarheidsstudies helpen te bepalen hoe een product zich in het proces gedraagt en wat de meest geschikte invries- en droogomstandigheden zijn. Deze gegevens vormen vervolgens de basis voor de schaalvergroting (scale-up) naar industriële productie. Lyophitech begeleidt zijn klanten zo bij de procesontwikkeling, het ontwerp van de installaties en de optimalisatie van droogcycli (DYNXpert®, MegaDYN®).
Air Liquide: Koude ten dienste van het proces
Aan de cryogene zijde brengt Air Liquide de voedingstechnologie en de vereiste stikstofkwaliteit in het totaalconcept in. Zeker bij biofarmaceutische toepassingen kan de stikstof rechtstreeks in contact komen met het product. Daarvoor zijn specifiek ontworpen kwaliteiten beschikbaar. Oplossingen voor traceerbaarheid en identiteitscontrole ondersteunen bovendien het voldoen aan de regelgeving en GMP-vereisten.
Met het puur leveren van stikstof bent u er echter nog niet. De cryogene toevoer moet worden afgestemd op de eisen van de betreffende toepassing. Als specialist in industriële gassen brengt Air Liquide hiervoor zijn ervaring met cryogene toepassingen in en ondersteunt het de levering van de benodigde vloeibare stikstof. Voor de latere productiefase is een continue toevoer van het cryogene medium doorslaggevend.
Waar installatie en koude samenkomen
Vriesdroogtechnologie en cryogene toevoer zijn nauw met elkaar verbonden. Al in de ontwikkelingsfase worden daarom de invriesomstandigheden, de behoefte aan vloeibare stikstof en de droogparameters samen onderzocht. Tests onder representatieve omstandigheden maken het vervolgens mogelijk om de gekozen instellingen voor de toepassing te valideren.
Deze aanpak wordt voortgezet bij de overgang naar industriële schaal. Lyophitech brengt zijn expertise in bij het ontwerp van de apparatuur en de optimalisatie van droogcycli, terwijl Air Liquide de levering en het beheer van de vloeibare stikstof begeleidt. De in de ontwikkeling gedefinieerde omstandigheden kunnen zo consistent worden overgedragen naar de productie.
Energie stopt niet bij de koudebron
Vriesdrogen is een energie-intensief proces. Daarom is het belangrijk om naar het gehele proces te kijken en niet alleen naar de koudeopwekking. Bij dynamisch vriesdrogen kunnen meerdere factoren bijdragen aan het verbeteren van de totale efficiëntie: snel cryogeen invriezen, de optimalisatie van droogcycli en een aangepast installatie-ontwerp.
De beweging van de bolletjes tijdens het drogen bevordert de warmte- en massa-overdracht en maakt het mogelijk om de droogomstandigheden aan te passen aan de eigenschappen van het product. Een nauwkeurige sturing van de cyclus voorkomt bovendien dat afzonderlijke procesfasen onnodig worden verlengd. Energie-efficiëntie ontstaat zo op het niveau van het gehele systeem.
Koude vanaf het begin integreren
Technologische ontwikkelingen kunnen snel aan betekenis winnen. In de bedrijfspraktijk komen nieuwe mogelijkheden echter soms pas in beeld wanneer er een concrete investering, herinrichting of nieuwe eis aan de orde is. Juist bij koeltechniek kan een dergelijke vertraging extra aanpassingen betekenen en middelen opslokken.
Het is daarom de moeite waard om bestaande concepten regelmatig te herzien en nieuwe benaderingen vroegtijdig te testen op hun geschiktheid voor de eigen toepassing. Want op de hoogte blijven betekent niet vandaag weten wat gisteren op de markt is gekomen, maar vroegtijdig herkennen wat morgen op de bestellijst zou kunnen staan.
Op de foto boven: vloeibare stikstof levert op de locatie van Lyophitech de koude voor het cryogeen shockvriezen en vormt daarmee een essentieel onderdeel van het installatieconcept. (© Lyophitech / Air Liquide)
