Was sind Ultra-Gefrierschränke und wie funktionieren sie?

Für Batterie- und Speichertests entdecken Sie die FDM-Batterietestkammer, die für Tests unter kontrollierten Bedingungen entwickelt wurde.

Ultra-Gefrierschrank FDM, 650 Liter Fassungsvermögen, 30 Boxen
(23x23x20cm)

Was ist ein Ultra-Gefrierschrank?

DerUltraschallgefrierschrank ist eines der wichtigsten Geräte in Forschungslaboren. Er dient dem Schutz biologischer Proben, die für die Laborforschung unerlässlich sind, indem er sie bei extrem niedrigen Temperaturen lagert.

Die Betriebstemperatur kann zwischen -45 °C und -89 °C. Zahlreiche Merkmale machen einen Ultratiefkühlschrank zu einem äußerst zuverlässigen Gerät für die wissenschaftliche Forschung.

Dank unserer jahrelangen Erfahrung auf diesem Gebiet und der fortlaufenden Zusammenarbeit mit einigen der wichtigsten wissenschaftlichen Forscher der Welt fassen wir sie im Folgenden zusammen.

Typen

Es ist in der Regel in zwei Ausführungen erhältlich: als vertikaler Schrank und als horizontaler Schacht mit Zugriff von oben. Die vertikale Ausführung ist am beliebtesten, da Labore zunehmend Platz sparen und die Mobilität verbessern möchten.

Bände

Tiefkühltruhen variieren im Innenraumvolumen. Die Spanne reicht von 200 Litern bis maximal 800 Litern. Einige Hersteller, wie beispielsweise FDM, bieten auf Anfrage auch kundenspezifische Ausführungen an.

Struktur

DerUltra-Gefrierschrank ist mit internen Regalbödenzur Lagerung von Forschungsproben ausgestattet. Jeder Regalboden ist durch eine Innentür verschlossen, um eine gleichmäßige Temperatur auch dann zu gewährleisten, wenn keine Proben entnommen oder eingelagert werden.

Isolierung

Die Isolierung ist ein wesentlicher Bestandteil des Ultra-Gefrierschranks. Um die Kälte im Inneren zu erhalten, wird zwischen den Außen- und Innenwänden eine hochwärmedämmende, ungiftige Polyurethanisolierung verwendet, die es ermöglicht, die gewünschte Temperatur zu erreichen und zu halten.

Dichtung

Ein weiteres Schlüsselelement für das Erreichen der richtigen Temperatur ist die Dichtung, die sich entlang des gesamten Umfangs der Hauptzugangstür erstreckt. Am effektivsten sind Dichtungen mit einer vierfachen Silikondichtung.

Zugangstür

Die Haupteingangstür , die ebenfalls mit Polyurethan isoliert ist, gewährleistet maximale Kältespeicherung und wird durch ein Außenschloss mit Sicherheitsschlüssel verschlossen.

Schwenkräder

Die praktischsten Laborgefrierschränke sind mit Schwenkrädern am Sockel ausgestattet, was das Umstellen im Labor erleichtert.

Controller

Die Gefrierschränke sind mit elektronischen SPS-Steuerungen und einem Display zur Anzeige der Gefrierparameter ausgestattet. Das gesamte Steuerungssystem ist in der Regel durch eine Batterie abgesichert, sodass die digitale Temperaturanzeige und die Alarme auch bei Stromausfall funktionieren. 

Wie funktioniert der Kühlkreislauf eines Ultra-Gefrierschranks?

Kälteanlagen können einen einzelnen Kompressor oder zwei kaskadierte Kompressoren (zweistufige Systeme). Im letzteren Fall existieren zwei Kältekreisläufe, die so miteinander verbunden sind, dass der Verdampfer des einen den Kondensator des anderen kühlt und so die Kondensation des komprimierten Gases im ersten Kreislauf ermöglicht.

Luftgekühlte Kondensatoren werden üblicherweise in Laborkühlsystemen eingesetzt. Diese Kondensatoren bestehen aus Rohrschlangen (aus Kupfer oder Kupfer-Aluminium), die so angeordnet sind, dass sie eine maximale Wärmeaustauschfläche bieten. In Ultratiefkühlschränken wird die Kühlluft durch einen motorbetriebenen Ventilator umgewälzt, und das Kältemittel wird mithilfe von Kapillarrohren entspannt.

Die Verdunstung erfolgt entweder durch Stahlplattenwärmetauscher im Inneren des Gefrierraums oder durch eine Verdampferschlange. Bei Gefriertruhen verläuft die-Verdampferschlange entlang der Wände und des Bodens, bei Gefrierschränken hingegen entlang der Wände und der Oberseite. Die im Gefrierraum befindliche Verdampferschlange beseitigt die bei Gefrierschränken mit Verdampferschlange im Isolierraum auftretenden Probleme mit der Wärmeaustauscheffizienz.

Kältemittel, die in Ultratiefkühltruhen verwendet werden

Als Kältemittel werden gasförmige chemische Verbindungen ausgewählt, die sich leicht verflüssigen lassen und durch bestimmte Eigenschaften wie hohe kritische Temperatur und niedriger kritischer Druck sowie geringe Gefährdung und Toxizität charakterisiert sind. 

Sie werden durch den Buchstaben R gefolgt von einer Zahl gekennzeichnet, die sich auf die Atome im Molekül bezieht.

Jedes Kältesystem muss hermetisch abgedichtet sein und umweltfreundliche HFKW- die frei von FCKW und H-FCKWsind und weder giftig, noch explosiv oder entzündlich sind. 

Die effizientesten und umweltfreundlichsten Kältemittel, die in Ultratiefkühltruhen eingesetzt werden, sind typischerweise R170 und R449A.

Gemäß der neuen europäischen Verordnung EU 517/2014müssen Hersteller von Ultratiefkühlgeräten die Richtlinien befolgen, um deren Einsatz auch nach 2030 zu ermöglichen. Daher müssen sie umweltfreundliche Kältemittel:

R717 (Ammoniak)

R744 (Kohlendioxid)

R170 (Ethan)

R290 (CARE 40) Propan

R600a (CARE 10) Isobutan

R1150 (Ethylen) R1270 (CARE 45) Propylen

R449A (zeotropes HFO)

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Welches Zubehör kann ein Ultra-Gefrierschrank haben?

Üblicherweise wird folgendes Zubehör mitgeliefert: 

ein Notfall-CO2- und/oder LN2-System (jeweils mit unabhängiger Stromversorgung, Sonde und Batterie). 

Zur Überwachung der Temperatur im Kühlraum können Gefrierschränke außerdem mit einem wöchentlichen Temperaturrekorder mit grafischen Datenträgern ausgestattet werden, die heute jedoch fast vollständig durch digitale Rekorder ersetzt wurden.

Gemäß den geltenden internationalen Standardsist der Schreiber für Gefrierschränke bei -45°C und -86°C, die zur Lagerung von Blutprodukten bestimmt sind, obligatorisch. 

Zum weiteren Zubehör gehören: Behälter, Schubladen und verschiedene Arten von Stahlgestellen zur Aufbewahrung von Kryoboxen, Mikrotiterplatten, Blutbeuteln und Reagenzgläsern, die für die Lagerung bei niedrigen und sehr niedrigen Temperaturen ausgelegt sind. 

Bei Arbeiten in Ultratiefkühllagern ist es notwendig, geeignete Schutzkleidung zu tragen: Kopfschutz, Lederhandschuhe zum Schutz der Hände sowie Overalls und Kittel zum Schutz des Körpers.

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Referenzstandards

• ISO 15189 – Medizinische Laboratorien – Anforderungen an Qualität und Kompetenz
• CLSI GP44-A4 — Verfahren für die Handhabung und Verarbeitung von Blutproben
• WHO TRS 961 Anhang 9 — Lagerung und Transport von zeit- und temperaturempfindlichen Produkten
• EU GDP 2013/C 343/01 — Gute Vertriebspraxis
• EN 60086-1 — Primärbatterien — Allgemeiner Teil (Hinweis auf Batteriespeicherung)
• NFPA 55 — Code für komprimierte Gase und kryogene Flüssigkeiten (für Ultrakongenit bei LN₂)

Autoritative Quellen

• WHO – Impfstoffe und Biologika.
• CLSI – Institut für klinische und Laborstandards.
• NIST-Standards für Biorepositorien.

Häufig gestellte Fragen zu Ultratiefkühlschränken

Wozu wird ein -80°C-Ultratiefkühlschrank verwendet?

Temperaturen unter -70 °C blockieren die Enzymaktivität und hemmen das mikrobielle Wachstum dauerhaft. Anwendungsgebiete: Biobanking (DNA/RNA-Proben, Zelllinien, Plasma), mRNA-Impfstoffe (Pfizer-BioNTech benötigt -80/-60 °C für den Langzeittransport), Enzyme und Proteine ​​sowie präoperatives Gewebe . Unterhalb von -130 °C (Kryogefrierschränke mit flüssigem Stickstoff) wird auch die intrazelluläre Wasserrekristallisation verhindert, wodurch die Konservierung lebender Zellen über Jahrzehnte möglich ist.

Worin besteht der Unterschied zwischen einem mechanischen und einem kryogenen Ultratiefkühlschrank?

Mechanisch -80 °C: Zweistufiger Kaskadenkompressor (R-449A + R-508B/R-170), kein kryogenes Gas, einfacher, aber auf -86 °C begrenzt. Kryogen LN₂ -150/-196 °C: Flüssigstickstofftank mit Dampfphasenregler (Proben oberhalb von LN₂) oder Flüssigphasenregler (Eintauchen). Deutlich geringerer Betriebsbereich, erfordert jedoch LN₂-Logistik (wöchentliches Nachfüllen, Erstickungsgefahr in geschlossenen Räumen, NFPA-55-Zertifizierung). Für mRNA-Impfstoffe ist mechanisch -80 °C ausreichend; für Stammzellen ist kryogene Kühlung erforderlich.

Welche Alarm- und Überwachungssysteme sind vorgeschrieben?

Für GLP/GxP- und Biobanking- Anwendungen : (1) Datenlogger gemäß 21 CFR Part 11 mit Audit-Trail; (2) ACCREDIA-kalibrierte PT100-Sonde der Klasse A ; (3) Alarme mit mehreren Schwellenwerten (Warnung -70 °C / kritisch -65 °C) mit SMS-/E-Mail-Benachrichtigung; (4) CO₂- oder LN₂-Backup zur Verzögerung des Temperaturanstiegs bei Stromausfall; (5) USV für 15-30 Minuten Kompressor-Autonomie; (6) 24/7-Überwachung mit Intervention innerhalb von 15 Minuten.

Typischer Stromverbrauch eines ULT -80°C?

Ein Standard-Ultratiefkühlschrank mit 500–800 Litern Fassungsvermögen verbraucht 15–25 kWh/Tag (ca. 5.500–9.000 kWh/Jahr). Energy Star-zertifizierte Modelle reduzieren den Verbrauch dank drehzahlvariabler Kompressoren, natürlicher Kältemittel wie R-290/R-170 und Vakuumisolationspaneelen auf 8–12 kWh/Tag (50 % weniger Verbrauch). Eine Biobank mit 50 Ultratiefkühlschränken verbraucht so viel Energie wie 100 Haushalte – deshalb fördern Universitäten wie Harvard und Stanford sogenannte „Gefrierschrank-Wettbewerbe“, um die Kühlleistung von -80 °C auf -70 °C zu senken und dabei 30–40 % Energie einzusparen, ohne dabei wissenschaftliche Kompromisse einzugehen.