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Ultratiefkühlschrank Ein wird zur Langzeitlagerung kritischer biologischer Proben wie Desoxyribonukleinsäure DNS Ribonuk

Ultratiefkühlschrank

Ein Ultratiefkühlschrank wird zur Langzeitlagerung kritischer biologischer Proben wie Desoxyribonukleinsäure (DNS), Ribonukleinsäure (RNS), 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.

Ultratiefkühlschrank

Prinzip Bearbeiten

In der biologischen Forschung ist es häufig erforderlich, Proben zu sammeln und zur späteren Untersuchung und Analyse aufzubewahren. Wenn der Prozess ihrer Lagerung nicht effektiv ist, also die Kühlkette nicht korrekt eingehalten wird, können beispielsweise biologische 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 (−196 °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

Der Temperaturverlauf im Kühlraum wird aufgezeichnet, so dass nachvollzogen werden kann, ob eine ausreichende Kühlung jederzeit gewährleistet war.

Kaskadenkühlsystem Bearbeiten

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 Bearbeiten

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.

Ultratiefkühlschränke nach DIN 13277 Bearbeiten

Mit Einführung der DIN 13277 im Mai 2022 werden erstmalig technische Eigenschaften von Ultratiefkühlschränken in einem DIN-Standard definiert. Durch die Standardisierung soll die Beschaffung von Equipment vereinfacht werden.

Die DIN 13277 gilt für alle Ultratiefkühlschränke, die mit einer Einrichtung zur Kälteerzeugung ausgerüstet sind und zur Lagerung von tiefgefrorenen Produkten für den Arzneimittel- und Labor-Bereich in einem Sollwert-Temperaturbereich von −90 °C bis −20 °C eingesetzt werden.

Technische Anforderungen Ultratiefkühlschränke nach DIN 13277:

  • Max. Temperatur-Abweichung zur Soll-Temperatur −80 °C max. ±5 K
  • Einsetzbar bei Umgebungs-Temperaturen von +10 °C bis 32 °C
  • Geräuschemission max. 60 dB(A)
  • Optische und akustische Warnvorrichtung für zu hohe und zu niedrige Temperaturen
  • Schnittstellen zur Aufzeichnung der Betriebstemperatur
  • Netzausfall-Alarm – optisch und akustisch – für mind. 12 h (Stromausfall-Alarm)
  • Mechanische Belastungsfähigkeit der Einbauten mind. 100 kg/m²
  • Abschließbare Tür
  • Gerätespezifische Informationen zu Energieverbrauch, Temperaturhomogenität und -konstanz sowie Temperaturanstieg bei Netzausfall

Kältemittel Bearbeiten

Zum Erreichen der notwendigen Temperaturen beim Ultratiefkühlschrank muss dem Lagergut und dem Geräteinnenraum Wärme entzogen werden. Dazu macht man sich die Eigenschaft von Flüssigkeiten zunutze, die unter dem Einfluss von Wärme verdampfen, d. h. in den gasförmigen Zustand übergehen. Die in Kühl- und Gefriergeräten eingesetzten Flüssigkeiten verdampfen bei niedrigen Temperaturen und werden daher als „Kältemittel“ bezeichnet.

In den 80er Jahren wurden die heute als konventionelle Kältemittel bekannten Fluor-Kohlenwasserstoffe (FKW) als innovativste Weiterentwicklung gefeiert. Im Gegensatz zu den bis zu diesem Zeitpunkt eingesetzten Fluorchlor-Kohlenwasserstoffen (FCKW) waren diese Kältemittel ungefährlich für die Ozonschicht. FKW Kältemittel wurden daher jahrzehntelang forciert um den Ozonabbau zu stoppen, allerdings auf Kosten eines großen Treibhauspotentials GWP.

Der bisher als Kältemittel bevorzugte Fluorkohlenwasserstoff R-508B, unterliegt seit 1. Januar 2022 mit Inkrafttreten der nächsten Stufe der F-Gas Verordnung innerhalb der EU einem Inverkehrbringungsverbot für fluorierte Kältemittel mit GWP höher als 150. Als Alternative setzt man daher auf umweltfreundlichere Kältemittel wie R-290 (Propan) oder R-170 (Ethan).

Impfstoffe Bearbeiten

Der 2020 neu entwickelte mRNA-Impfstoff (Comirnaty) von BioNTech / Pfizer, der weltweit im Kampf gegen die COVID-19-Erkrankung eingesetzt wird, muss bei sehr niedrigen Temperaturen transportiert und gelagert werden. Um die Sicherheit und Wirkung zu gewährleisten, darf die Temperatur dabei −60 °C nicht überschreiten. Der Transport erfolgt daher mit Trockeneis gekühlt bei ca. −75 °C. Für die Langzeitlagerung von bis zu 9 Monaten müssen entsprechende Ultratiefkühlschränke (Temperaturbereich −70 °C bis −86 °C) vorhanden sein. Anbieter wie beispielsweise Va-Q-tec, Liebherr oder Binder sind auf solche entsprechende Ultratiefkühlschränke spezialisiert.

Luftfracht Bearbeiten

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 wärmegedämmten 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 und die entsprechenden Vorsichtsmaßnahmen. Als Alternative verwendet DHL die Kapselcontainer von Cryoport, 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. Solche aktiven Transportbehälter sind für Versand bei −20 °C, teilweise sogar bis −80 °C verfügbar. Dennoch ist der Versand gefrorener und ultratiefgefrorener Substanzen in Trockeneisboxen heutzutage immer noch Standard.

Quellen Bearbeiten

  • 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 Bearbeiten

Commons: Ultratiefkühlschränke – Sammlung von Bildern

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. DIN 13277:2022-05. Abgerufen am 10. Mai 2022.
  2. Nina Rest: Umwelteinwirkung durch Kältemittel. In: https://med-depot.at. LUMA Handels KG, 8. November 2021, abgerufen am 5. Januar 2022.
  3. David Berchowitz, Yongrak Kwon, Environmental Profiles of Stirling-Cooled and Cascade-Cooled Ultra-Low Temperature Freezers, 2012, Sustainability, Band 4, Ausgabe 11, S. 2838–2851, doi:10.3390/su4112838
  4. Nina Rest: Kältemittel und F-Gas Verordnung. In: MED-Depot.at. LUMA Handels KG, 30. Dezember 2021, abgerufen am 5. Januar 2022.
  5. Ultratiefkühlschränke mit klimaneutralen Kältemitteln, Binder. Abgerufen am 25. November 2020.
  6. Nina Rest: Comirnaty Impfstoff richtig lagern. In: MED-Depot.at. LUMA Handels KG, 1. Januar 2021, abgerufen am 5. Januar 2022.
  7. Gesundheitsminister beschließen Impfstrategie, Tagesschau, 7. November 2020. Abgerufen am 9. November 2020.
  8. Va-Q-tec: Hauptsache, cool bleiben Zeit.de, 2. Dezember 2020
  9. Alison Sider und Peter Loftus: United Begins Flying Pfizer’s Covid-19 Vaccine. In: Wall Street Journal. 27. November 2020, abgerufen am 22. Dezember 2020 (englisch).
  10. Airlines scramble to prepare for ultra-cold COVID-19 vaccine distribution, Reuters, 18. November 2020. Abgerufen am 21. Dezember 2020.
  11. Delivering pandemic resilience, DHL, September 2020. Abgerufen am 23. November 2020.
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Veröffentlichungsdatum:
Ein Ultratiefkuhlschrank wird zur Langzeitlagerung kritischer biologischer Proben wie Desoxyribonukleinsaure DNS Ribonukleinsaure RNS Proteine Impfstoffe Zellextrakte oder Reagenzien in molekularbiologischen oder Life Science Laboren verwendet Diese Proben mussen bei extrem niedrigen Temperaturen von 80 C bis 85 C gelagert werden um das Risiko einer Beschadigung der Inhaltsstoffe zu vermeiden Ultratiefkuhlschrank Inhaltsverzeichnis 1 Prinzip 2 Kaskadenkuhlsystem 3 Funktionsweise 4 Ultratiefkuhlschranke nach DIN 13277 5 Kaltemittel 6 Impfstoffe 7 Luftfracht 8 Quellen 9 Weblinks 10 EinzelnachweisePrinzip BearbeitenIn der biologischen Forschung ist es haufig erforderlich Proben zu sammeln und zur spateren Untersuchung und Analyse aufzubewahren Wenn der Prozess ihrer Lagerung nicht effektiv ist also die Kuhlkette nicht korrekt eingehalten wird konnen beispielsweise biologische Proben wahrend des Zeitraums in dem eine Probe entnommen und analysiert wurde beschadigt werden Diese Proben werden normalerweise bei niedrigen Temperaturen gelagert einschliesslich Kuhlung 40 C Gefriergeraten 50 C bis 80 C und flussigem Stickstoff 196 C Das geht uber die kurzfristige Probenlagerung mit Standardkuhlschranken 4 C oder Gefriergeraten 20 C weit hinaus Sie konnen 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 Krankenhausern Universitatslabors und Militarunternehmen verwendetDer Temperaturverlauf im Kuhlraum wird aufgezeichnet so dass nachvollzogen werden kann ob eine ausreichende Kuhlung jederzeit gewahrleistet war Kaskadenkuhlsystem Bearbeiten nbsp Schematische Darstellung eines Kaskadenkuhlprozesses mit zwei ZyklenUltratiefkuhlschranke verwenden ein Kaskadenkuhlsystem um effektive Kuhlbedingungen fur die Sicherheit der gelagerten Proben bereitzustellen Jedes Kuhlteil wird von einem eigenen Mikroprozessor Controller verwaltet Falls eines der Systeme ausfallt gibt ein internes Kontrollsystem einen audiovisuellen Alarm aus und das beschadigte System wird gestoppt Dann schaltet sich das zweite System ein um die Innentemperatur aufrechtzuerhalten Das System verwendet zwei Kompressoren Niedertemperatur Laborgefriergerate die im Allgemeinen bei etwa 40 C betrieben werden verwenden einen einzelnen Kompressor Um die Kuhlkammer unter diesen Punkt auf 80 C abzukuhlen ist ein zweiter Kompressor erforderlich Die Energieeffizienz und die langere Lebensdauer der Kompressoren konnen erreicht werden indem der Niedrigstufenkompressor automatisch ausgeschaltet wird wenn die Solltemperatur gewunschte Temperatur erreicht ist wahrend der Hochtemperaturstufenkompressor kontinuierlich eingeschaltet bleibt Funktionsweise BearbeitenIm Betrieb wird die Warmeaustauschspule gekuhlt wenn der Kompressor der ersten Stufe Hochtemperatur startet Wenn dann ein Kompressor der zweiten Ebene niedrige Temperatur arbeitet kondensiert sein Kuhlsystem in der Warmetauscherspule der ersten und der zweiten Ebene Das System reduziert die Temperatur des Kuhlschranks auf unter 80 C oder 90 C Wenn die Stromversorgung eingeschaltet wird ist die Anzeigetemperatur hoher als die eingestellte Temperatur Das fuhrt dazu dass der Kompressor der ersten Stufe gestartet wird um das Kuhlsystem zu betreiben Dadurch sinkt die Temperatur am Kondensator des Kuhlsystems der zweiten Stufe und die Kaltemitteltemperatur der zweiten Stufe In dieser Phase beginnt das Kuhlsystem der zweiten Stufe zu arbeiten Ultratiefkuhlschranke nach DIN 13277 BearbeitenMit Einfuhrung der DIN 13277 im Mai 2022 werden erstmalig technische Eigenschaften von Ultratiefkuhlschranken in einem DIN Standard definiert Durch die Standardisierung soll die Beschaffung von Equipment vereinfacht werden Die DIN 13277 gilt fur alle Ultratiefkuhlschranke die mit einer Einrichtung zur Kalteerzeugung ausgerustet sind und zur Lagerung von tiefgefrorenen Produkten fur den Arzneimittel und Labor Bereich in einem Sollwert Temperaturbereich von 90 C bis 20 C eingesetzt werden Technische Anforderungen Ultratiefkuhlschranke nach DIN 13277 1 Max Temperatur Abweichung zur Soll Temperatur 80 C max 5 K Einsetzbar bei Umgebungs Temperaturen von 10 C bis 32 C Gerauschemission max 60 dB A Optische und akustische Warnvorrichtung fur zu hohe und zu niedrige Temperaturen Schnittstellen zur Aufzeichnung der Betriebstemperatur Netzausfall Alarm optisch und akustisch fur mind 12 h Stromausfall Alarm Mechanische Belastungsfahigkeit der Einbauten mind 100 kg m Abschliessbare Tur Geratespezifische Informationen zu Energieverbrauch Temperaturhomogenitat und konstanz sowie Temperaturanstieg bei NetzausfallKaltemittel BearbeitenZum Erreichen der notwendigen Temperaturen beim Ultratiefkuhlschrank muss dem Lagergut und dem Gerateinnenraum Warme entzogen werden Dazu macht man sich die Eigenschaft von Flussigkeiten zunutze die unter dem Einfluss von Warme verdampfen d h in den gasformigen Zustand ubergehen Die in Kuhl und Gefriergeraten eingesetzten Flussigkeiten verdampfen bei niedrigen Temperaturen und werden daher als Kaltemittel bezeichnet 2 In den 80er Jahren wurden die heute als konventionelle Kaltemittel bekannten Fluor Kohlenwasserstoffe FKW als innovativste Weiterentwicklung gefeiert Im Gegensatz zu den bis zu diesem Zeitpunkt eingesetzten Fluorchlor Kohlenwasserstoffen FCKW waren diese Kaltemittel ungefahrlich fur die Ozonschicht FKW Kaltemittel wurden daher jahrzehntelang forciert um den Ozonabbau zu stoppen allerdings auf Kosten eines grossen Treibhauspotentials GWP Der bisher als Kaltemittel bevorzugte Fluorkohlenwasserstoff R 508B 3 unterliegt seit 1 Januar 2022 mit Inkrafttreten der nachsten Stufe der F Gas Verordnung innerhalb der EU einem Inverkehrbringungsverbot fur fluorierte Kaltemittel mit GWP hoher als 150 4 Als Alternative setzt man daher auf umweltfreundlichere Kaltemittel wie R 290 Propan oder R 170 Ethan 5 Impfstoffe BearbeitenDer 2020 neu entwickelte mRNA Impfstoff Comirnaty von BioNTech Pfizer der weltweit im Kampf gegen die COVID 19 Erkrankung eingesetzt wird muss bei sehr niedrigen Temperaturen transportiert und gelagert werden Um die Sicherheit und Wirkung zu gewahrleisten darf die Temperatur dabei 60 C nicht uberschreiten Der Transport erfolgt daher mit Trockeneis gekuhlt bei ca 75 C 6 Fur die Langzeitlagerung von bis zu 9 Monaten mussen entsprechende Ultratiefkuhlschranke Temperaturbereich 70 C bis 86 C vorhanden sein 7 Anbieter wie beispielsweise Va Q tec 8 Liebherr oder Binder sind auf solche entsprechende Ultratiefkuhlschranke spezialisiert Luftfracht BearbeitenEine Schwierigkeit beim Transport von Impfstoffen besteht darin dass Flugzeuge nur eine begrenzte Menge Trockeneis transportieren durfen da es im Laufe der Zeit zu Gas sublimiert und die atembare Luft in der Kabine verdrangt auch wenn die Kabine stets von aussen mit frischer Luft versorgt wird Laut einem DHL Whitepaper zum Impfstofftransport konnen alle Grossraumflugzeuge maximal eine Tonne Trockeneis in gekuhlten und warmegedammten Behaltern transportieren Die FAA hat es wahrend der COVID 19 Pandemie den Fluggesellschaften erlaubt in den Kuhlcontainern bis zu 6800 kg Trockeneis pro Flugzeug mitzufuhren Bedingung dafur war unter anderem eine Information der Besatzungen uber die Symptome von Kohlendioxidvergiftungen und die entsprechenden Vorsichtsmassnahmen 9 Als Alternative verwendet DHL die Kapselcontainer von Cryoport die Flussigstickstoff verwenden um Waren bis zu 10 Tage lang bis zu 150 C kuhl zu halten Demgegenuber stehen sogenannte aktive Container wie Envirotainer die Elektromotoren zur Kuhlung ihres Inhalts verwenden 10 Solche aktiven Transportbehalter sind fur Versand bei 20 C teilweise sogar bis 80 C verfugbar Dennoch ist der Versand gefrorener und ultratiefgefrorener Substanzen in Trockeneisboxen heutzutage immer noch Standard 11 Quellen BearbeitenLeo 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 amp Sons 2020 ISBN 978 1 119 28812 1 S 694 697 google com Weblinks Bearbeiten nbsp Commons Ultratiefkuhlschranke Sammlung von Bildern 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 Einzelnachweise 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Dezember 2020 englisch Airlines scramble to prepare for ultra cold COVID 19 vaccine distribution Reuters 18 November 2020 Abgerufen am 21 Dezember 2020 Delivering pandemic resilience DHL September 2020 Abgerufen am 23 November 2020 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Ultratiefkuhlschrank amp oldid 234867342