In diesem Blog beantworten wir die Frage "Was ist Ultratiefkühlung?" und erklären, wie sie funktioniert. Wir beantworten auch andere Fragen, wie z. B. "Welche Arten von Ultratiefkühlgeräten gibt es?" und zählen ihre Vor- und Nachteile auf. Außerdem klären wir falsche Vorstellungen über das Ultratiefkühlverfahren auf und zeigen bewährte Praktiken für die Langzeitlagerung bei extrem niedrigen Temperaturen auf.

Was ist Gefrieren bei extrem niedrigen Temperaturen?

Die Ultratiefkühltechnologie (ULT) wird häufig als Teil eines Verfahrens benötigt, mit dem biologische Materialien wie Zellen, Gewebe, Organe und Arzneimittel oder Biopharmazeutika bei extrem niedrigen Temperaturen konserviert werden. Diese Technologie gewinnt zunehmend an Bedeutung, da Forscher und Hersteller nach Möglichkeiten suchen, diese Materialien für den Einsatz in der Produktion, Forschung und in den Biowissenschaften zu lagern und zu transportieren. ULT-Gefriergeräte werden häufig von Organisationen eingesetzt, die mit temperaturempfindlichen Proben, Therapien oder mRNA-Impfstoffen arbeiten. Diese Kältespeicher halten die Kühlkette für Branchen wie Pharmazeutik, Biotechnologie, Biowissenschaften und Gesundheitswesen aufrecht. Da mRNA-basierte COVID-19-Impfstoffe neuerdings ultrakalte Temperaturen erfordern, ist die Tiefkühllagerung ein wichtiger Schwerpunkt für die Lagerung von Massenimpfstoffen und den kommerziellen Vertrieb.

Ultra-Niedrigtemperatur-Kühllagerung bezieht sich in der Regel auf die Lagerung bei oder unter -20°C bis -80°C. Ultra-Tiefkühltruhen, die üblicherweise in biowissenschaftlichen Anwendungen eingesetzt werden, können diese Temperaturen nur schwer aufrechterhalten und wertvolle biologische Proben über lange Zeiträume konservieren. Herkömmliche ULT-Gefriergeräte können Temperaturbereiche von -40°C bis -86°C aufweisen, wobei einige Anbieter über Tage oder Wochen hinweg bis zu -80°C erreichen. Einige Modelle bieten je nach Konfiguration einen "aufrechten Temperaturbereich". Diese ultrakalten Temperaturen schützen biologische Materialien - wie Zellen und Gewebe - und Biomoleküle wie Proteine, Oligonukleotide und mRNA vor Hitzeschäden und Denaturierung. ULT-Gefriergeräte gibt es als Stand-, Truhen-, Untertheken-/Tischgeräte, tragbare und konfigurierbare Modelle.

Vorteile von Ultra-Niedrigtemperatur-Gefriergeräten

Einer der Hauptvorteile der Ultratiefkühltechnologie ist ihre Fähigkeit, biologische Materialien über lange Zeiträume hinweg zu konservieren. Herkömmliche Konservierungsmethoden, wie Kühlung oder Einfrieren bei höheren Temperaturen, verlangsamen oder stoppen die biologische Aktivität nicht ausreichend, was zu Schäden oder Verderb führt. Das Ultratiefkühlverfahren hingegen kann den Zellstoffwechsel verlangsamen, so dass biologisches Material über längere Zeiträume gelagert werden kann, ohne dass es sich wesentlich verschlechtert.

Ein weiterer wichtiger Vorteil der Ultratiefkühltechnologie ist die Möglichkeit, biologische Materialien über große Entfernungen zu transportieren. Herkömmliche Konservierungsmethoden sind für diesen Zweck oft ungeeignet, da sie keine genauen Temperaturen einhalten können. Temperaturschwankungen können die Materialien während des Transports beschädigen. Mit Ultratiefkühlung kann biologisches Material über große Entfernungen transportiert werden, was die gemeinsame Nutzung von Ressourcen und die Zusammenarbeit bei Forschungsprojekten auf der ganzen Welt ermöglicht. Im Vergleich zu Alternativen wie Trockeneis oder Flüssigstickstoff bieten Ultratiefkühlgeräte oft eine präzise und zuverlässige Temperaturkontrolle, einen einfachen Zugang zu den Proben, eine optimierte Lagerung und eine gleichmäßige Temperaturverteilung der gelagerten Proben. Ultratiefkühlgeräte sind der optimale Weg, um die Integrität der Kühlkette zu bewahren und sind viel einfacher zu warten als Flüssigstickstoff, der verdampft und teuer zu lagern ist.

Die Konvektionskühlung ist eine fortschrittliche Technologie für das Gefrieren bei ultratiefen Temperaturen, die die Temperaturgleichmäßigkeit, die Zuverlässigkeit und die Temperaturerholung verbessert hat. Älteren Ultratiefkühlgeräten (ULT), auch bekannt als "Cold Wall"-Gefriergeräte, fehlt die eingebaute Redundanz und Gleichmäßigkeit der neueren konvektionsbasierten Modelle. Bei der Konvektionstechnologie wird auf die Zieltemperatur temperierte Luft durch eine Kammer gepresst. Diese Technologie zielt darauf ab, ein ausreichendes Luftvolumen gleichmäßig durch die Kammer zu drücken, um eine gleichmäßige und wiederholbare Kühlung im gesamten Kammergehäuse zu gewährleisten. Diese Technologie ist vor allem für die Schüttgutbefüllung in der kommerziellen Arzneimittelherstellung von Bedeutung, da die gleichmäßigere Gefrierprofilierung die Belastung des Kompressors verringert und die Lebensdauer der Anlage verlängert.

Wichtige Überlegungen für die Auswahl von Ultra-Tiefkühlgeräten

Beim Kauf eines neuen Ultratiefkühlgeräts ist es wichtig, die Technologie zu verstehen, um eine optimale Leistung zu gewährleisten. Weitere Faktoren, die es zu berücksichtigen gilt, sind der Temperatursollwertbereich, die Energieeffizienz, die maximale Lagerkapazität, die Tragbarkeit, die integrierte Temperaturüberwachung, Backup-Systeme, die Rückgewinnung bei offener Tür und die Gleichmäßigkeit des Gefrierens. Darüber hinaus sind Arbeitsabläufe und Prozesse von Bedeutung. Am besten ist es, zu wissen, ob das Lagersystem alle Behältertypen aufnehmen kann oder ob es auf einen bestimmten Typ von Lagersystem beschränkt ist.

Bei der Bewertung des Kältebedarfs für ein bevorstehendes Projekt oder eine Installation oder bei der Entwicklung der Benutzeranforderungsspezifikation sollten Sie den Einsatz von Umluftkühlung in Erwägung ziehen, wenn die folgenden Überlegungen zutreffen:

• Größere Lasten
• Breite Palette möglicher Belastungsszenarien
• Enge Temperaturgleichmäßigkeit innerhalb der Kammer
• Hochwertige Materialien
• Häufige Türöffnungen
• Einzigartige Lösungen für den Materialtransport, einschließlich Transportwagen für komplette Chargen

Für das Einfrieren von Materialien haben einige Hersteller Ultratiefkühlgeräte entwickelt, die mit Plattengefrieren arbeiten. Wie nicht anders zu erwarten, werden bei diesem Gefrierverfahren zwei sehr kalte Platten verwendet, zwischen denen eine Probe eingefroren wird. Dieses Verfahren ist zwar besser als Flüssigstickstoff oder Trockeneis, beschränkt aber die Lagermöglichkeiten auf Beutel. Kaltwandgefriergeräte und konvektionsbasierte Kühlkammern ermöglichen dagegen Modularität und individuelle Anpassung durch den Endbenutzer.

Die Kommerzialisierung der Kühllagerung von Biologika und deren Bulk-Arzneimitteln hat dazu geführt, dass ULT-Kaltwandtechnologien in Anwendungen eingesetzt werden müssen, für die sie nicht konzipiert oder vorgesehen waren. Die Industrie betrachtet herkömmliche ULT-Kühlwände zunehmend als "Verbrauchsmaterial", obwohl die Nachhaltigkeit und der Betrieb durch Ausfälle von Anlagen vor ihrer erwarteten Lebensdauer beeinträchtigt werden.

Vereinfacht gesagt, ist die herkömmliche Kaltwandtechnologie, wie sie in allen ULT-Tiefkühltruhen eingesetzt wird, darauf ausgelegt, die Kühlung durch die Expansion eines Kältemittels durch eine Reihe von Kapillaren in der Kammerwand zu fördern. Diese Technologie konzentriert sich darauf, die ULT-Hülle so kalt wie möglich zu machen, da das Zentrum des ULTs schließlich die Zieltemperatur mit minimalen Türöffnungen und warmen Lasten erreichen würde.

Anwendungsfälle für Ultratiefkühltruhen

Ultratiefkühlschränke werden häufig in der Forschung und Herstellung von Arzneimitteln eingesetzt. Pharmazeutische Hersteller, einschließlich Auftragshersteller (CMOs) und Auftragsentwickler und -hersteller (CDMOs), verwenden Ultratiefkühlgeräte für die Lagerung temperaturempfindlicher Produkte wie Impfstoffe, Biopharmazeutika und andere medizinische Produkte, die bei extrem niedrigen Temperaturen gelagert werden müssen, um ihre Wirksamkeit zu erhalten. Diese Ultratiefkühlgeräte müssen oft Temperaturen von bis zu -80 °C erreichen, was für die Erhaltung der Stabilität der gelagerten Produkte im Laufe der Zeit entscheidend ist und dazu beiträgt, eine Verschlechterung zu verhindern. Darüber hinaus sind Ultratiefkühlschränke mit fortschrittlichen Funktionen wie Alarmen, Temperaturüberwachungssystemen und Notstromversorgungen ausgestattet, die den Erhalt der gelagerten Produkte bei Stromausfällen, Naturkatastrophen oder anderen unerwarteten Ereignissen gewährleisten sollen.

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Verschiedene Arten von Ultratiefkühltruhen

ULT-Gefriergeräte werden in der pharmazeutischen und biomedizinischen Industrie eingesetzt, um temperaturempfindliche Präzisionsmaterialien wie Impfstoffe, biologisches Material, Zelllinien und Gewebeproben bei ultratiefen Temperaturen (-20 bis -80 °C) zu lagern. Zu den Arten von Ultratiefkühlschränken gehören:

• Ultratiefkühltruhen (Gefriertruhen) - werden in der Regel nicht in Produktionsbetrieben, sondern eher in Labors verwendet.
• Tragbare Ultratiefkühltruhen - werden in der Regel für den Transport von Bioproben verwendet.
• Kühlwandlager (aufrechtes ULT-Gefriergerät) - traditionelle Gefriertechnik; langsamere Erholungszeiten und Kühlzyklus.
• Modelle auf Konvektionsbasis - die effizienteste und gleichmäßigste Option für die Langzeitlagerung bei extrem niedrigen Temperaturen.
  

Ultra-Tiefkühltruhen und COVID-19

Bei FARRAR werden wir oft gefragt, welche Überlegungen zum Einfrieren bei extremen Temperaturen für COVID-19-Impfstoffe gelten und welche bewährten Verfahren für die Lagerung dieser Arzneimittel angewandt werden sollten. Hier sind unsere Empfehlungen für die Lagerung von mRNA-Impfstoffen:

1. Wählen Sie einen Ultratiefkühlschrank mit dem breitesten Temperatursollwertbereich, um die ultrakalte Lagerung aller mRNA-Impfstoffkandidaten und ihrer Bulk-Arzneimittelsubstanzen oder Active Pharmaceutical Ingredients (AIPs) zu optimieren.  
2. Entscheiden Sie sich für Gefrierschränke mit der kleinsten Stellfläche, der größten Lagerkapazität und der besten Tragbarkeit für optimale Flexibilität im Einsatzbereich.
3. Wählen Sie ULT-Modelle mit integrierten oder cloudbasierten Temperaturüberwachungsdiensten und Analysen, um Probleme zu erkennen und zu vermeiden, bevor sie zu einer Temperaturüberschreitung führen.  
4. Sorgen Sie für eine modulare Innenausstattung, die praktisch unbegrenzte Stauraumkonfigurationen bietet.
5. Redundanz ist der Schlüssel. Die besten ULT-Systeme sollten über integrierte Backup-Kühl- und Steuerungssysteme verfügen.
6. Überprüfen Sie den Temperaturbereich. Erlaubt das Modell die Lagerung bei -80°C?
7. Ist der ULT-Gefrierschrank für die Langzeitlagerung ausgelegt?
8. Die Abkühlzeit von der Umgebungstemperatur auf -80 °C gibt oft Aufschluss über die Kühlkapazität des Gefriergeräts und seine Fähigkeit, sich von einer Türöffnung zu erholen.  
   

Abschließende Überlegungen

Das Tiefsttemperaturgefrieren ist eine wichtige Technologie zur Konservierung von biologischen Materialien wie Zellen, Gewebe, Organen und Arzneimitteln. Sie bietet Vorteile gegenüber herkömmlichen Methoden, wie z. B. den Erhalt der Unversehrtheit biologischer Materialien über längere Zeiträume, den sicheren Transport von Materialien über große Entfernungen sowie eine präzise Temperaturkontrolle, Temperaturgleichmäßigkeit und eine Maximierung des Lagerraums. Es ist wichtig zu erkennen, dass die heutigen Entwicklungs- und Herstellungsprozesse für biologische Arzneimittel eine Leistung erfordern, die nicht von verschiedenen Arten von Gefrierschränken geboten wird. Bei der Auswahl des besten Modells für Ihren Prozess sollten Sie berücksichtigen, wie der Gefrierschrank genutzt werden soll - von der Häufigkeit des Türöffnens über das Einfrieren von Materialien bis hin zur Größe der Probe.