Ultratiefkühlschrank

Ultratiefkühlschrank

Ein Ultratiefkühlschrank (englisch Ultra-Low-Temperature Freezer, ULT) wird zur Langzeitlagerung kritischer biologischer Proben wie Desoxyribonukleinsäure (DNA), Ribonukleinsäure (RNA), Proteine, Impfstoffe, Zellextrakte oder Reagenzien in molekularbiologischen oder Life-Science-Laboren verwendet. Diese Proben müssen bei extrem niedrigen Temperaturen von −80 °C bis −85 °C gelagert werden, um das Risiko einer Beschädigung der Inhaltsstoffe zu vermeiden.

Prinzip

In der biologischen Forschung ist es häufig erforderlich, Proben zu sammeln und zur späteren Untersuchung und Analyse aufzubewahren. Wenn der Prozess ihrer Lagerung nicht effizient ist, können die biologischen Proben während des Zeitraums, in dem eine Probe entnommen und analysiert wurde, beschädigt werden. Diese Proben werden normalerweise bei niedrigen Temperaturen gelagert, einschließlich Kühlung (−40 °C), Gefriergeräten (−50 °C bis −80 °C) und flüssigem Stickstoff (−170 °C). Das geht über die kurzfristige Probenlagerung mit Standardkühlschränken (+4 °C) oder Gefriergeräten (−20 °C) weit hinaus. Sie können basierend auf dem Temperaturbereich ihres Betriebs wie folgt in drei Typen eingeteilt werden:

• Gefrierschrank bei −60 °C: Zur Lagerung von Plasma, biologischem Material, Impfstoffen und Reagenzien
• Gefrierschrank bei −86 °C: Zur Lagerung von biologischen Produkten, Serum, Impfstoffen, Bakterien und biologischen Proben wie der Kryokonservierung
• Gefrierschrank mit −105 °C bis −150 °C: wird normalerweise in Forschungsinstituten, in der Biotechnologie, in Blutbanken, Krankenhäusern, Universitätslabors und Militärunternehmen verwendet

Kaskadenkühlsystem

Schematische Darstellung eines Kaskadenkühlprozesses mit zwei Zyklen

Ultratiefkühlschränke verwenden ein Kaskadenkühlsystem, um effektive Kühlbedingungen für die Sicherheit der gelagerten Proben bereitzustellen. Jedes Kühlteil wird von einem eigenen Mikroprozessor-Controller verwaltet. Falls eines der Systeme ausfällt, gibt ein internes Kontrollsystem einen audiovisuellen Alarm aus und das beschädigte System wird gestoppt. Dann schaltet sich das zweite System ein, um die Innentemperatur aufrechtzuerhalten. Das System verwendet zwei Kompressoren. Niedertemperatur-Laborgefriergeräte, die im Allgemeinen bei etwa −40 °C betrieben werden, verwenden einen einzelnen Kompressor. Um die Kühlkammer unter diesen Punkt auf −80 °C abzukühlen, ist ein zweiter Kompressor erforderlich. Die Energieeffizienz und die längere Lebensdauer der Kompressoren können erreicht werden, indem der Niedrigstufenkompressor automatisch ausgeschaltet wird, wenn die Solltemperatur (gewünschte Temperatur) erreicht ist, während der Hochtemperaturstufenkompressor kontinuierlich eingeschaltet bleibt.

Funktionsweise

Im Betrieb wird die Wärmeaustauschspule gekühlt, wenn der Kompressor der ersten Stufe (Hochtemperatur) startet. Wenn dann ein Kompressor der zweiten Ebene (niedrige Temperatur) arbeitet, kondensiert sein Kühlsystem in der Wärmetauscherspule der ersten und der zweiten Ebene. Das System reduziert die Temperatur des Kühlschranks auf unter −80 °C oder −90 °C. Wenn die Stromversorgung eingeschaltet wird, ist die Anzeigetemperatur höher als die eingestellte Temperatur. Das führt dazu, dass der Kompressor der ersten Stufe gestartet wird, um das Kühlsystem zu betreiben. Dadurch sinkt die Temperatur am Kondensator des Kühlsystems der zweiten Stufe und die Kältemitteltemperatur der zweiten Stufe. In dieser Phase beginnt das Kühlsystem der zweiten Stufe zu arbeiten.

Kühlmittel

Als Kühlmittel wurden ehemals Treibhausgase verwendet, bevorzugt Fluorkohlenwasserstoff R-508B, inzwischen umweltfreundliche Kältemittel wie R-290 (Propan) oder R-170 (Ethan). Neuerdings ist der Versand gefrorener und ultratiefgefrorener Substanzen in Trockeneisboxen der Standard. Für Versände bei −20 °C gibt es inzwischen auch Transportbehälter (englisch shipper) mit geregelter Kühlung für Temperaturen von −80 °C.

Impfstoffe

Einige der Impfstoffe gegen die COVID-19-Erkrankung – hervorgerufen durch das Virus SARS-CoV-2 –, die derzeit entwickelt werden, müssen bei −70 °C tiefgekühlt transportiert und gelagert werden. Dafür müssen entsprechende Ultratiefkühlschränke vorhanden sein.

Luftfracht

Eine Schwierigkeit beim Transport von Impfstoffen besteht darin, dass Flugzeuge nur eine begrenzte Menge Trockeneis transportieren dürfen, da es im Laufe der Zeit zu Gas sublimiert und die atembare Luft in der Kabine verdrängt – auch wenn die Kabine stets von aussen mit frischer Luft versorgt wird. Laut einem DHL-Whitepaper zum Impfstofftransport können alle Großraumflugzeuge maximal eine Tonne Trockeneis in gekühlten und isolierten Behältern transportieren. Die FAA hat es während der Covid-19-Pandemie den Fluggesellschaften erlaubt, in den Kühlcontainern bis zu 6800 kg Trockeneis pro Flugzeug mitzuführen. Bedingung dafür war unter anderem eine Information der Besatzungen über die Symptome von Kohlendioxidvergiftungen. Als Alternative verwendet DHL der Deutschen Post die Kapselcontainer von Cyroport, die Flüssigstickstoff verwenden, um Waren bis zu 10 Tage lang bis zu −150 °C kühl zu halten. Demgegenüber stehen sogenannte aktive Container, wie Envirotainer, die Elektromotoren zur Kühlung ihres Inhalts verwenden.

Quellen

• Leo Angelo M. Gumapas, Glenn Simons: Factors affecting the performance, energy consumption, and carbon footprint for ultra low temperature freezers: Case study at the National Institutes of Health. In: World Review of Science, Technology and Sustainable Development. 10. Jahrgang, 2013, S. 129, doi:10.1504/WRSTSD.2013.050786. 
• Raghbir Singh Khandpur: Compendium of Biomedical Instrumentation, 3 Volume Set. John Wiley & Sons, 2020, ISBN 978-1-119-28812-1, S. 694–697 (google.com). 

Weblinks

• Catherine Leffert, UPS Readies Freezer Farms to Ship Virus Vaccine — If We Get One, Bloomberg, 3. August 2020. Abgerufen am 19. November 2020.
• Julia Kollewe, Pfizer and BioNTech’s vaccine poses global logistics challenge, The Guardian, 10. November 2020. Abgerufen am 19. November 2020.