(57)【要約】  本発明は、調温可能な設置面（２）と凝縮面（５）とを有する室（１）を使用して生産物をフリーズドライする方法と装置であって、生産物から水蒸気の形で発生する水が凝縮面の表面に結露し、フリーズドライプロセスの経過する間に該プロセスのドキュメンテーションのための測定を実施する形式の方法と装置とに関し、フリーズドライプロセスの経過をそのドキュメンテーションに関して改善し、同時にこの方法を実施するのに適した装置における技術的な費用を減少させるために、生産物と凝縮面（５）との間の水蒸気流を連続的に検出し、水蒸気の形で生産物から発生する水量が時間的な積分を介して算出されることを特徴としている。
2007524066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
調温可能な設置面（２）と凝縮面（５）とを有する室（１）を使用して生産物をフリーズドライする方法であって、生産物から水蒸気の形で発生する水が前記凝縮面の表面に結露し、フリーズドライプロセスの経過する間に、該プロセスのドキュメンテーションのための測定が実施される形式の方法において、生産物と凝縮面（５）との間の水蒸気流が連続的に検出され、水蒸気の形で生産物から発生する水量を時間的な積分を介して算出することを特徴とする、生産物をフリーズドライする方法。
【請求項２】
水蒸気流を水蒸気分圧の連続的な測定と、前記設置面（２）と前記凝縮面（５）との間の水蒸気のための流動抵抗とから求める、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記流動抵抗をフリーズドライ装置において種々異なる圧力のためにそれぞれ１度測定し、この値を計算機に記憶させ、水蒸気流の検出を圧力に関連して行なう、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記水蒸気分圧が秒あたりしばしば、有利には１０〜１００回測定される、請求項２又は３記載の方法。
【請求項５】
赤外線スペクトル領域の水素吸着帯域を利用する測定装置（１５）を使用する、請求項２から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記測定装置（１５）の温度があらかじめ選択された所定の温度に調節される、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記測定装置（１５）の温度依存性を検出し計算機（１７）に記憶し、送られた測定値をそれぞれ一定の温度に換算する、請求項５又は６記載の方法。
【請求項８】
前記計算機（１７）に制御装置（１９）が対応配置され、前記計算機（１７）により求められた値をベースとして当該フリーズドライ方法を制御する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
調温可能な設置面（２）と凝縮面（５）とを有する室（１）を使用して生産物をフリーズドライする装置であって、水蒸気の形で生産物から発生する水が前記凝縮面の表面に結露し、フリーズドライプロセスの経過する間に、該フリーズドライプロセスのドキュメンテーションのための測定が実施される形式のものにおいて、当該装置が水蒸気分圧を連続的に測定する測定器（１５）を具備していることを特徴とする、生産物をフリーズドライする装置。
【請求項１０】
計算機（１７）が設けられ、この計算機（１７）を用いて、水蒸気分圧の連続的な測定と、設置面（２）と凝縮面（５）との間の水蒸気の流動抵抗とから、水蒸気流が算出されかつそれから時間的な積分を介して、生産物から発生する水量が算出される、請求項９記載の装置。
【請求項１１】
前記測定装置（１５）がフリーズドライ室（１）の内部に配置され、しかも水蒸気の流速が音速に較べて小さい個所に配置されている、請求項９又は１０記載の装置。
【請求項１２】
測定装置（１５）に有利には調温可能な遮蔽板（１６）が対応配置されている、請求項９から１１までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１３】
前記設置面（２）と室内面の少なくとも１部との間に遮蔽体（２１）が存在している、請求項９から１２までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１４】
前記設置面（２）と前記凝縮面（５）とがそれぞれ１つの室（１）もしくは（４）内にあり、両方の室（１）もしくは（４）が開口（１０）を介して接続されている、請求項９から１３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１５】
前記開口（１０）に有利にはフリーズドライ室（１）に向かって彎曲された弁皿（１２）を備えた、凝縮器側で作動可能な弁（１１）が対応配置されている、請求項１４記載の装置。
【請求項１６】
前記凝縮面（５）の領域に押除け体（２３）が存在しており、該押し除け体（２３）の直径が蒸気容積の減少に相応して流動方向に増大している、請求項９から１５までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１７】
前記開口（１０）が長く延び、例えばスリット形に構成されている、請求項１４から１６までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１８】
前記凝縮面（５）がフリーズドライ室（１）内にある、請求項９から１３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１９】
前記凝縮面（５）が前記遮蔽体（２１，２９）内にある、請求項１８及び１２記載の装置。
【請求項２０】
計算機（１７）から送られた信号をベースとして室（１）内で経過するフリーズドライプロセスを少なくとも部分的に制御する制御装置（１９）が設けられている、請求項９から１９までのいずれか１項記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は調温可能な設置面（２）と凝縮面（５）とを有する室（１）を使用して生産物をフリーズドライする方法であって、生産物から水蒸気の形で発生する水が前記凝縮面の表面に結露し、フリーズドライプロセスの経過する間に、該プロセスのドキュメンテーションのための測定が実施される形式の方法に関する。さらに本発明は前記方法を実施するのに適した装置に関する。
【０００２】
背景技術
フリーズドライは水を含んだ凍結した生産物、例えば薬剤又は食料品から脱水する方法である。この方法は一般的には、選ばれた氷温度での水蒸気圧に対して低い空気圧で実施される。例えば−２０℃の氷温度は１．０３ｍｂａｒの水蒸気圧（平衡状態で）に相当する。水蒸気が氷表面から乾燥室へ流入できるためには乾燥室内における水蒸気圧は１．０３ｍｂａｒよりもはっきりと小さいものでなければならず、例えば０．５ｍｂａｒである必要がある。したがってこの圧力値よりも小さい圧力、例えば０．１５ｍｂａｒを選ぶことが有利である。フリーズドライは通常は、調温可能な設置面が存在し、排気装置、例えば真空ポンプと組合わされた氷凝縮器が弁を介して接続されている室内で行なわれる。
【０００３】
フリーズドライプロセスの経過にとって特徴的であることは、２つの乾燥時期である。結晶化した（凍結した）水がまだ生産物内に存在する間は、この乾燥区分は主又は昇華乾燥と呼ばれる。主乾燥の間は生産物の温度は、生産物の品質及び／又は特性を妨げないためにはたいてい０℃を大きく下回った所定の値を越えてはならない。乾燥が進行するに連れて生産物内の氷核は次第に小さくなる。氷の形での水がもはや存在しないと、残った水は乾燥生産物にて吸収されるか又は多かれ少なかれ固定的に結合される。この水の除去は後乾燥又は脱着乾燥の間に行なわれる。この時期に脱着可能な水量は生産物の温度、水結合の形式及びまだ存在している水量に関連する。後乾燥はドライプロセスの経過を決定する物理的な条件の別の変化によって導入される。
【０００４】
フリーズドライプロセスの経過を、乾燥経過の間測定されるサーモダイナミックデータを介してドキュメント化しかつ制御することが公知である（Ｇｅｏｒｇ−Ｗｉｌｈｅｌｍ  Ｏｅｔｊｅｎ，Ｐｅｔｅｒ  Ｈａｓｅｌｅｙ"Ｆｒｅｅｚｅ−Ｄｒｙｉｎｇ"ページ２７３ｆｆ、Ｗｉｌｅｙ出版、Ｗｅｉｎｈｅｉｍ、２００４参照）。
【０００５】
さらに公知技術には国際公開ＷＯ９８／５０７４４号の内容も属している。この文献には昇華フロントにおける温度もしくは乾燥しようとする物質に閉じ込められた氷の温度を主乾燥の制御と主乾燥から後乾燥への移行の制御とに利用できることが開示されている。
【０００６】
主乾燥の間、氷温度の測定は、フリーズドライ室と排気装置との間の弁が短時間（数秒間）遮断されることで行なわれる。この時期にフリーズドライ室内には、支配している氷温度に相当する平衡水蒸気圧が形成される。圧力上昇から氷温度を直接的に推し量ることができる。氷温度を測定するこの方法は「バロメータ式温度測定」の概念で公知でありかつＤＥ−ＰＳ１０３８９８８号に開示されている。
【０００７】
氷温度の記述した測定は、技術的にかつ時間的に費用がかかる。この測定はフリーズドライ室と排気装置との間の弁の存在を前提条件としている。弁閉鎖時間はフリーズドライプロセス自体を延長するだけではなく、それは生産物を危険に晒すことに継がる。すなわち、遮断時間の間に氷を含有する物質に許容されない温度上昇が生じ、この結果、生産物の品質が低下する。公知の氷温度の測定は飽和蒸気圧の正しい認識に関連する。これは室容積あたり氷の最小量を前提条件とするので大きな乾燥室における小さい氷量では測定は不正確であるか又は不可能である。
【０００８】
本発明の課題はフリーズドライプロセスの経過をそのドキュメンテーションに関して改善し、同時に該方法を実施するために適した装置における技術的な費用を減少させることである。
【０００９】
この課題は本発明によれば特許請求の範囲の特徴によって解決された。
【００１０】
本発明によっては簡単な形式で、フリーズドライプロセスが経過する間のどの時点でも、どの水量が凝縮器に達するかもしくはどの水量がまだ生産物に存在するかが認識されることが達成された。前提条件は生産物に含まれた水量がフリーズドライプロセスの開始にあたって判っていることである。この前提条件は常に充たされている。
【００１１】
有利には生産物と凝縮器との間の水蒸気流は、連続的な水蒸気分圧の測定（例えば１０〜１００回／秒）と、設置面と凝縮器との間の水蒸気の流動抵抗とから求められる。水蒸気分圧は例えば赤外線分析器を用いて正確に測定される。飽和蒸気圧の正しい認知、つまり室容積あたりの氷の最小量とは前記測定は無関係である。
【００１２】
さらに特に有利であるのは、氷温度がもはや測定される必要がなくなることである。記述した、氷温度の測定と関連した時間的及び技術的な費用は省略される。ドライプロセスはすでに搬出された水量又はまだ存在する水量によってドキュメント化されかつ制御される。本発明の方法を実施する装置ではフリーズドライ室と排気室との間にあって１ｍまでの直径を有する弁は省略することができる。さらに生産物−設置面と排気装置とは１つの室に配置されていることができる。
【００１３】
本発明の更なる利点と詳細とは図１と図２とに概略的に示したフリーズドライを実施する装置に基づき説明する。
【００１４】
図１は１つの室とそれに接続された凝縮器とを有するフリーズドライ装置を示した図。
【００１５】
図２は設置面の他に凝縮器も存在している１つの室を有するフリーズドライ装置を示した図。
【００１６】
図１に示されたフリーズドライ装置は設置面２を有する室１と該室１に接続された凝縮器３とを有している。凝縮器３は室４と凝縮面５とを備えている。設置面２の上にはフリーズドライしようとする生産物を有する容器（壜６）が設置されている。設置面２は調温可能である。この設置面２は詳細には示されていない冷凍機と搬送ポンプとを有する調温循環系の構成部分である。加熱期の間、冷凍機は遮断され、冷却／加熱媒体が電気的に加熱される。室１の内部でかつ乾燥後に実施する壜６の閉鎖に用いられる装置は全体として符号７で示され、押圧板８と作動装置９とを有している。
【００１７】
フリーズドライ室１と凝縮器室４との間には凝縮器側に配置された弁１１で閉鎖可能な開口１０がある。弁１１はフリーズドライ室１に向かって彎曲させられた弁皿１２と駆動装置１３とを有している。
【００１８】
壜６内にある凍結した生産物を乾燥させるためにはまず室１において必要な負圧が生ぜしめられかつ設置面２が調温される。弁１１が開いた状態で生産物から発生する水蒸気は凝縮器３の凝縮面５に向かって流れる。次第に、生産物内に存在する水量は減少する。
【００１９】
どのような水量がまだ生産物に存在するか又はいかなる水量が既に搬出されたかをドキュメント化するためには、本発明によれば、室１内で水蒸気分圧を連続的に測出する装置が用いられている。該装置は図面においては単にブロックとして示されかつ符号１５で示されている。これは水蒸気分圧を正確にかつできるだけ遅れなしで測定し、しかも１ｍｂａｒと１０−３ｍｂａｒとの間で約１％の再現性で測定する装置である。有利には赤外スペクトル領域における水蒸気吸収帯を利用する装置が使用される。この種の装置は水蒸気における温度変動に敏感である。したがって装置１５の温度を所定の値に調節するために有利には調温可能なでかつ当該装置１５を取囲む遮蔽板１６が示されている。さらにフリーズドライ設備内には残留空気（例えば５〜１０％）が存在しかつ場合によっては薬剤の製造からの微量の溶剤又は食料品の製造からの微量のガス（コーヒー顆粒におけるＣＯ２）が存在する。赤外線スペクトロスコピーは水と他の帯域との間に干渉が発生しないような波長を見つけ出すか又はこれが例外的に可能でないとしたら吸着スペクトルが干渉なしで見えるように吸着スペクトルを数学的に分析することを許す。又、質量スペクトロメータが使用されることもできる。しかし、フリーズドライ室において水蒸気分圧を測定するために質量スペクトロメータを使用することは現時点では高い技術的費用でしか可能ではない。
【００２０】
測定装置１５はできるだけ頻繁に、有利には１秒あたり１０から１００回、それぞれ室１内を支配する水蒸気分圧に相応する電気的な信号を送信する。この信号は計算機１７に供給され、この計算機１７で、既に搬出された水量が計算され、例えばディスプレー１８に表示されることができる。さらに計算機１７は、室１内を支配している圧力及び／又は温度（例えば設置面温度）についての情報を、水蒸気流を検出する間に圧力を考慮できるためであれ、このような情報を必要とする制御方法を指示するためであれ必要とする。情報を室から計算機１７に伝達するセンサと導線は詳細には示されていない。
【００２１】
測定個所において水蒸気における温度変動が他の構成部分、例えば乾燥室のドア及び壁の温度により影響されずかつ測定個所において水蒸気の流速が音速に対して小さいという前提条件のもとで、水蒸気分圧は赤外線測定装置で連続的にきわめて正確に測定されることができる。送信された測定値と、その都度の室−凝縮器配置のために前もって、種々の圧力で複数回測定されかつ計算機１７に記録された既知の流動抵抗とから連続的に、蒸気流が求められかつ時間的な積分を介して搬出された水量が算出される。
【００２２】
書籍Ｄｉｅｌｓ／Ｊａｅｃｋｅｌ，Ｌｅｙｂｏｌｄ  Ｖａｋｕｕｍ−Ｔａｓｃｈｅｎｂｕｃｈ，２版、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ出版社、１９６２ページ２０／２１から、真空におけるガス、例えば水蒸気の流過量Ｇには次式：
Ｇ＝１０３ｏ／Ｗ
ｏ＝ガス密度
Ｗ＝流動抵抗
が当嵌まり、流動抵抗には次式：
Ｗ＝１２Ｄ／ｐ１＋ｐ２
Ｄ＝設備特性
ｐ１＝乾燥室における水蒸気分圧
ｐ２＝凝縮器室における水蒸気分圧
が当嵌まる。
【００２３】
Ｄはガスの搬送路長さとその横断面とによってかつガスの摩擦係数によって決定される。上記前提条件のもとで既知の圧力での摩擦係数を一定であると見なすと、Ｇはｐ１とｐ２とに関連して算出され得る。ｐ２がフリーズドライで一般的であるようにｐ１に較べて小さいと、Ｇのために正確な値を得るためにはｐ１の正確な測定で十分である。フリーズドライの開始から各測定点までの時点のＧに関する積分はそれぞれこの時点で搬出された水量をもたらす。
【００２４】
フリーズドライ室における流動抵抗に関連した水蒸気流の測定は上記書籍"Ｆｒｅｅｚｅ−Ｄｒｙｉｎｇ"のページ１２９，１３０に記載されている。この水蒸気流の測定は水蒸気分圧に強く依存し、したがって摩擦係数のために多くの圧力で測定されなければならない。
【００２５】
計算機に記憶された前記方法で、主乾燥（昇華乾燥）の間と後乾燥（脱着乾燥）の間とのフリーズドライプロセスがすでに搬出された水量もしくはまだ存在する水量によってドキュメント化されることが可能である。例えば設置板温度の上昇と室における圧力の低下と関連する主乾燥から後乾燥への切換わりは、生産物特性に関連した水量が、例えば９８％搬出されるか又は−固体物質に対して−固体物質のパーセントで表わした所定の含水量、例えば８％をまだ有していると行なわれる。又、後乾燥の終了点−例えば０．８％であらかじめ規定されている−も直接的に測定可能である。
【００２６】
計算機１７には制御装置１９が後置されている。
【００２７】
計算機から送られた結果に関連して制御装置の助けで、フリーズドライプロセスの全経過、例えば室１における圧力、設置面温度、弁１１の作動、主乾燥から後乾燥への切換え等が制御される。このような制御方法のために必要な構成部分、弁、センサ等は詳細には示されていない。
【００２８】
さらに装置１５を用いた水蒸気分圧の連続的な正確な測定のために上記した前提条件は当該装置１５がどのような形式で乾燥室１の内部に配置されるかに対し影響を持つ。遮蔽板１６は、当該装置１５の場所での温度変動が小さいという効果をすでに持つ。さらに設置面と側方の室内面との間には別の遮蔽体２１が存在している。この形式の遮蔽体２１は国際特許公開ＷＯ０３／０１２３５５号に開示されている。遮蔽体は有利には調温可能、設置面とは無関係にも調温可能であり、室壁温度が壜６内にある生産物に、ひいては測定装置１５にも有害な影響を及ぼすことを回避する。凝縮器３への開口１０の領域には高い速度を有する水蒸気流が期待されるので装置１５は有利には室１の上部領域に位置している。
【００２９】
図１の実施例では、凝縮器３はフリーズドライ室１の開口１０に接続されている。弁１１で閉鎖可能な開口１０は凝縮器３へ水蒸気を搬送するための最狭個所としたい。したがって弁皿１２の開放位置での弁皿１２の位置を、弁によって解放されたリングギャップが開口１０よりも大きくなるように選択することが合目的的である。
【００３０】
弁１１の駆動装置１３は凝縮器３の、前記開口１０とは反対側に位置している。駆動装置１３と弁皿１２との間の結合部材２２は同心的に巻かれかつ軸方向に配置された、凝縮表面５を形成する蛇管を貫通している。結合部材２２は円錐状の押除け体２３を保持しており、押除け体２３の直径は蒸気流動方向で増大している。押除け体２３の増大する直径は蒸気容量の減少に相応している。
【００３１】
凝縮器３の下側には排水部２４が設けられている。排水部２４は結露した水蒸気の滴下の間、開放される。排気接続部は符号２５で示されている。凝縮器室４の内部に配置された導管２６はガス流入開口を凝縮器３の下部領域に配置するために役立つ。
【００３２】
図２に示された構成では、管束２８から成る凝縮器の凝縮面５は同様に室１内にある。
【００３３】
図１の凝縮器３の場合のように、排水部２４と排気接続部２５，２６とが設けられている。
【００３４】
水蒸気分析装置１５には遮蔽体１６が存在しない。その代り設置面２の側方の遮蔽体２１だけではなく、設置面２の上側と管束２８の下側にも別の遮蔽体２９が設けられている。これらの遮蔽体２９は生産物の領域での不均等な温度分布を回避するためだけではなく、装置１５の変らない温度のためにも役立つ。
【００３５】
前記処置が装置１５の変らない温度の達成のために不十分であると、装置１５の温度依存性を検出し、計算機１７に記憶させ、送られた測定値をその都度コンスタントな温度に換算する一般的な可能性も更に存在する。
【００３６】
図２の実施例では側方の遮蔽体２１によって決定された下側の開口が水蒸気流にとって重要である。この開口は十分に大きくすることができる。例えば遮蔽体の内部の乾燥室を幅１．５ｍ、高さ２ｍ、深さ１．５ｍであると仮定すると、約２５ｃｍの自由な通過開口で水蒸気のために約５ｑｍの搬送面が達成される。技術的にはほぼ最大である弁である１．２ｍの自由な直径を有する弁の場合には約１，１ｑｍの搬送面が生じる。
【００３７】
図２に示された配置は低い圧力のもとでのフリーズドライにとって特に有利である。既に何度も記述した書籍"Ｆｒｅｅｚｅ−Ｄｒｙｉｎｇ"の２８８，２８９ページに記述されているように約４．５ｍの乾燥室内には約２０．０００本の壜を配置することができる。主乾燥の間は−４２℃よりも小さく氷温度がたもたれなければならないと、このために必要な圧力は約０．０６ｍｂａｒとなる。この場合には約１ｍの直径を有する弁が必要であるものと想われる。
【００３８】
氷温度が低い設備と数多くの壜、例えば３０から７００００の壜とのためには弁を用いた解決は技術的にもはや実施可能ではない。その代りに円形の開口だけではなく、先きに述べた計算で示したように細長い、スリット状の開口を設けることができる。
【００３９】
要約すれば本発明によっては以下の利点が達成される。
【００４０】
−弁を有する既存の設備の変更が可能である。
【００４１】
−技術的に最大である弁の大きさ−例えば１ｍを越える−は蒸気の搬送を、特に低い圧力（例えば０．０８ｍｂａｒよりも小さい）の場合に制限することはなくなる。室と凝縮器とは１つの空間に配置することができる。
【００４２】
−室と凝縮器との間の弁は省略できる。これは生産設備と大きな弁との場合には運転確実性に関しても（省略した弁は故障を起さない）著しい費用ファクタである。
【００４３】
−圧力上昇測定なしで、導かれた値がプロセス制御に利用される論拠はもはや存在しない。搬送された水量が測定される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】１つの室と該室に接続された凝縮器とを有するフリーズドライ装置を示した図。
【図２】設置面の他に凝縮器も存在している室を有するフリーズドライ装置を示した図。
【符号の説明】
【００４５】
１  室
２  設置面
３  凝縮器
４  室
５  凝縮面
６  壜
７  閉鎖装置
８  押圧プレート
９  作動装置
１０  開口
１１  弁
１２  弁皿
１３  駆動装置
１５  ブロック
１６  遮蔽板
１７  計算機
１８  ディスプレー
１９  制御装置
２１  遮蔽体
２２  結合部材
２３  押除け体
２４  排水部
２５  排気部
２６  導管
２８  管束
【図１】
2007524066.tif 000003
【図２】
2007524066.tif 000004
【国際調査報告】
2007524066.tif 000005
2007524066.tif 000006
2007524066.tif 000007
2007524066.tif 000008
2007524066.tif 000009
2007524066.tif 000010
2007524066.tif 000011
2007524066.tif 000012