Ultratiefkühlschrank: Welches Gerät kaufen, mieten oder leasen?

Diese kühlen Proben auf unter minus 80 Grad Celsius und sorgen mit einem ausgereiften Sicherheitskonzept dafür, dass die Kühlkette zu keinem Zeitpunkt unterbricht. Deutsche-Thermo informiert über die Funktionsweise und die Arten von Ultratiefkühlschränken. Wir zeigen, wie viel die Technik kostet und welche Hersteller Geräte im Angebot haben.

Die Themen im Überblick

Was ist ein Ultratiefkühlschrank und welche Aufgabe hat er?

Ein Ultratiefkühlschrank ist ein Gerät zur Lagerung temperaturkritischer Waren. Es hält eine Innentemperatur von unter minus 80 Grad Celsius sicher aufrecht und sorgt dafür, dass sich Proben für längere Zeit stabil lagern lassen. Möglich ist das durch eine energiesparende Isolierung und einen zumeist zweistufigen Kälteprozess, welcher durch erprobte Sicherheitskonzepte besonders zuverlässig funktioniert.

Wer einen Ultratiefkühlschrank kaufen oder mieten möchte, hat heute eine große Auswahl. Diese betrifft sowohl den Temperaturbereich wie auch die Größe. So gibt es die Geräte in verschiedenen Kühlstufen mit einem Fassungsvermögen von 10 bis zu rund 1.000 Litern.

Einsatzbereiche und Temperaturniveaus der Kühltechnik

Ob Arztpraxis, Labor oder Forschungseinrichtung: Immer dann, wenn organische Proben für längere Zeit einzulagern sind, kommen Ultratiefkühlschränke zum Einsatz. Das erforderliche Temperaturniveau hängt dabei von den zu bevorratenden Waren ab, wie die folgende Tabelle zeigt.

Temperaturniveau	Einsatzbereich
unter – 60 Grad Celsius	Plasma, biologisches Material, diverse Impfstoffe, chemische Stoffe
unter – 80 Grad Celsius	Seren, diverse Impfstoffe, DNA, mRNA, Gewebeproben, Sperma, Eizellen, Bakterien
unter – 100 Grad Celsius	Seren, DNA, mRNA, Bakterien, Viren, biologische Proben, Sperma, Eizellen, Bakterien, Zellen

Typische Einsatzbereiche sind dabei Arztpraxen, Labore, Forschungseinrichtungen, Krankenhäuser, Blutbanken sowie militärische Einrichtungen.

Diese Alternativen zum Ultratiefkühlschrank sind verfügbar

Neben Ultratiefkühlschränken gibt es weitere Möglichkeiten, biologische Proben lange stabil zu lagern. Beispiele dafür sind die Kryokonservierung mit flüssigem Stickstoff oder die Trockeneis-Kühlung. Außerdem stehen Absorptionskältemaschinen und sogenannte Stirlingkühler zur Auswahl. Die folgende Übersicht zeigt, was die Lösungen auszeichnet:

• Kühlung mit flüssigem Stickstoff: Hierbei lagern Proben in isolierten Behältern, die regelmäßig mit flüssigem Stickstoff (LIN) befüllt werden. Das tiefkalt verflüssigte Gas hat eine Temperatur von -196 Grad Celsius und nimmt viel Wärme aus seiner Umgebung auf. Zum Einsatz kommt die Technik bei der Kryokonservierung ohne zusätzliche Kälteanlagen. Das tiefkalt verflüssigte Gas liefern Gasanbieter.
• Kühlung mit Trockeneis: Bei Trockeneis handelt es sich um festes Kohlendioxid. Der Stoff hat eine Temperatur von -78 Grad Celsius und sublimiert beim Erwärmen. Aus dem Eis wird direkt Gas, welches aus der Anlage entweicht. Die Kühlung mit Trockeneis ist eine Alternative zum Ultratiefkühlschrank, wenn es um den Transport und die Kurzzeitlagerung geht. Sie lässt sich ohne Kälteanlagen nutzen, hat aber auch einen Nachteil. So sind die Transportkapazitäten durch das beim Sublimieren entstehende Kohlendioxidgas häufig begrenzt.
• Stirlingkühler für Tiefkälte: Kommen technische Anlagen zum Einsatz, sind sogenannte Stirlingkühler eine Alternative zu Ultratiefkühlschränken. Hierbei nimmt ein Arbeitsgas Wärme aus der Umgebung auf, bevor es durch einen motorisch angetriebenen Kolben verdichtet wird. Die Gastemperatur steigt und Wärme lässt sich nach außen abführen. Das Arbeitsgas entspannt sich dabei. Seine Temperatur sinkt und es kann erneut Wärme aufnehmen. Insgesamt lassen sich auf diese Weise Temperaturen von bis zu -230 Grad Celsius realisieren, um beispielsweise eine medizinische Kältekammer zu betreiben.
• Absorptionskältemaschinen: Absorptionskältemaschinen sind eine Alternative zum Ultratiefkühlschrank, wenn es bei industriellen Anwendungen um Temperaturniveaus von -20 bis -60 Grad Celsius geht. Diese entstehen durch ein Kältemittel, welches Energie aus seiner Umgebung aufnimmt. Es wird anschließend thermisch verdichtet und erhitzt, sodass es Wärme abgeben kann. Das Medium entspannt sich daraufhin und der Kreislauf beginnt von vorn. Vorteilhaft ist der Einsatz von Abwärme oder Umweltwärme im thermischen Verdichter, durch den die Technik energieeffizient und sparsam arbeitet.

Konventionelle Ultratiefkühlschränke setzen in aller Regel auf eine Kompressionskältemaschine, um die besonders niedrigen Temperaturniveaus zu erreichen. Die Technik gilt als erprobt, sicher und zuverlässig.

Zwei Kompressoren sorgen für die sichere Ultratiefkühlung

Kompressionskältemaschinen bestehen im Kern aus vier Komponenten, die einen immer wieder ablaufenden Prozess zum Erreichen niedriger Temperaturen nutzen. Möglich ist das mit einem Kältemittel, welches unter den vorherrschenden Bedingungen bereits bei sehr niedrigen Temperaturen verdampft. Dieser Phasenwechsel findet im sogenannten Verdampfer statt und ermöglicht es, viel Wärme aus der Umgebung aufzunehmen. Das dampfförmige Kältemittel strömt daraufhin zu einem Verdichter (auch Kompressor), der mit dem Druck auch die Temperatur des Mediums anhebt. Letzteres kann daraufhin Wärme abgeben, wodurch es allmählich verflüssigt. Der Vorgang findet im sogenannten Verflüssiger statt und sorgt für die Abgabe thermischer Energie aus dem Prozess. Das Kältemittel strömt anschließend über ein Expansionsventil, entspannt sich vollständig und gelangt erneut zum Verdampfer.

Ultratiefkühlschränke arbeiten mit zwei Kältekreisläufen

Während Temperaturniveaus von bis zu -40 Grad Celsius mit einstufigen Kältekreisläufen realisierbar sind, kommen in Ultratiefkühlschränken für niedrigere Temperaturen in der Regel zweistufige Systeme zum Einsatz. Der beschriebene Ablauf findet dabei zweimal hintereinander statt, wobei der Verdampfer der ersten Stufe mit dem Verflüssiger der zweiten Stufe gekoppelt ist. Das heißt: Genügt die Leistung der ersten Stufe nicht, realisiert die zweite Stufe eine zusätzliche Kühlung.

Hohe Energieeffizienz durch bedarfsgerechte Steuerung

Erreicht ein Ultratiefkühlschrank die gewünschte Temperatur, schaltet die Regelung die zweite Stufe (auch Tieftemperaturstufe) ab. Das senkt den Energieverbrauch und schont die Technik, sodass sich die Lebensdauer verlängern lässt. Genügt die Leistung nicht mehr, nimmt die Regelung die Tieftemperaturstufe wieder in Betrieb.

Natürliche Kältemittel ermöglichen die Ultratiefkühlung

Wie in vielen anderen Bereichen zur Erzeugung von Tiefkälte kommen auch im Ultratiefkühlschrank Treibhausgase als Kältemittel zum Einsatz. Da diese ein hohes Treibhauspotential (Global Warming Potential oder GWP) aufweisen, setzen Hersteller vermehrt auf natürliche Kältemittel (low GWP-Kältemittel). Beispiele dafür sind Propan (R-290) und Ethan (R-170). Die folgende Übersicht zeigt, was die Medien auszeichnet:

• Propan (R-290): Propan ist ein natürliches Kältemittel mit einem niedrigen GWP von 3. Es ermöglicht einen effizienten Betrieb von Ultratiefkühlschränken und ist durch seine niedrige Verdampfungstemperatur für Tiefkühlanwendungen geeignet.
• Ethan (R-170): Auch Ethan ist ein natürliches Kältemittel mit einem sehr niedrigen GWP. Der Wert liegt bei 6, was einen umwelt- und klimafreundlichen Einsatz ermöglicht. Geeignet ist das Medium dabei vor allem für Tieftemperaturanwendungen. Als Partner von Propan arbeitet es dabei in der Tieftemperaturstufe.

Konventionelle Ultratiefkühlschränke arbeiten häufig mit R 417a in der ersten und R508a/R508b in der zweiten Stufe. Die GWP-Werte liegen bei 2.346 sowie 13.214/13.396 und fallen damit theoretisch in den Geltungsbereich der EU-F-Gase-Verordnung. Auch wenn der Einsatz in Ultratiefkühlschränken explizit ausgenommen ist, lohnt es sich im Sinne des Umwelt- und Klimaschutzes dennoch, auf Alternativen wie Propan und Ethan zu setzen. Durch den niedrigen GWP-Wert sind diese außerdem zukunftsfähig.

Hocheffiziente Vakuum-Dämmung mit minimaler Stärke

Geht es um die Energieeffizienz, sind die Wärmeeinträge aus der Umgebung auf ein Minimum zu reduzieren. Möglich ist das durch eine spezielle Vakuumdämmung. Diese unterbindet die Wärmeleitung nahezu komplett und sorgt auch bei sehr schlanken Schichten für einen optimalen Wärmeschutz. Ultratiefkühlschränke lassen sich dadurch kompakter ausführen, ohne viel Füllraum zu verlieren.

Besonders schnelle Abkühlung im Ultratiefkühlschrank

Die effiziente Kühltechnik und die wirkungsvolle Dämmung sorgen dafür, dass sich biologische Proben binnen weniger Stunden von 20 auf unter -80 Grad Celsius abkühlen lassen. Moderne Geräte benötigen dazu etwa 4 Stunden. Sie halten Bioproben stabil und sorgen dafür, dass es auch in der Abkühlphase nicht zu Schäden kommt.

Sicherheitskonzept schützt vor einem Verlust von Proben

Die Waren im Ultratiefkühlschrank sind nicht nur sensibel, sie sind häufig auch besonders wertvoll. Aus diesem Grund ist es wichtig, die Kühlkette sicher aufrechtzuerhalten. Realisieren lässt sich das mit ausgereiften Sicherheitskonzepten, die unter anderem auf folgenden Punkten basieren:

• Sensoren zum sicheren Verschließen der Türen
• Dichtungen für das Vermeiden von Eisbildung
• optisches und akustisches Störungs-Warnsystem
• zuverlässige Steuerung der beiden Kühlkreise
• Datenlogger zum Aufzeichnen der Temperaturen
• Zugriffskontrolle mit Schlüssel oder Passwort

Außerdem erfolgt im Störfall eine Notkühlung durch das Einspritzen von CO2. Bei dem Vorgang entsteht Trockeneis, welches die Waren auf einer Temperatur von etwa -76 Grad Celsius hält und Schäden verhindert. Das Besondere dabei: Das feste CO2 sublimiert und entweicht als Gas. Es bleiben also keine Fremdstoffe zurück und die Proben erleiden keine Schäden.

Namhafte Hersteller der Kühlschränke für tiefe Temperaturen

Wer einen Ultratiefkühlschrank kaufen, mieten oder leasen möchte, greift am besten zu Geräten namhafter Hersteller. Diese versprechen ein hohes Maß an Qualität und Zuverlässigkeit. Zu den bekanntesten Herstellern gehören:

• allectric GmbH
• Axon Labortechnik GmbH
• Binder Ultratiefkühlschränke
• CARLO ERBA Reagents GmbH
• Eppendorf SE
• EWALD Innovationstechnik GmbH
• FRYKA-Kältetechnik GmbH
• K+T world of cooling systems GmbH
• Liebherr-Hausgeräte GmbH
• Philipp Kirsch GmbH
• Thermo Fisher Scientific GmbH
• tritec® Gesellschaft für Labortechnik und Umweltsimulation m. b. H.

Ultratiefkühlschrank: Arten, Größen und Stromverbräuche

Ultratiefkühlschrank: Arten, Größen und Stromverbräuche
Kühllösungen für ultratiefe Temperaturen sind in verschiedenen Ausführungen erhältlich. So gibt es von oben zu beladene Truhen oder Ultratiefkühlschränke in Untertischgröße. Kommt es auf ein großes Volumen an, kommen hingegen freistehende Kühlschränke zum Einsatz. Die folgende Tabelle zeigt exemplarisch verfügbare Gerätegrößen sowie deren Stromverbräuche.

Ultratiefkühlschrank: Volumen	Maße (H x B x T ca.)	Stromverbrauch (ca.)
10 Liter	700 x 500 x 700 mm	4 kWh/24h
50 Liter	800 x 700 x 800 mm	6 kWh/24h
120 Liter	1.300 x 750 x 750 mm	7 kWh/24h
250 Liter	1.800 x 750 x 750 mm	8 kWh/24h
360 Liter	2.000 x 750 x 900 mm	9 kWh/24h
500 Liter	2.000 x 900 x 900 mm	11 kWh/24h
600 Liter	2.000 x 1.000 x 900 mm	12 kWh/24h
750 Liter	2.000 x 1.200 x 900 mm	13 kWh/24h
1.000 Liter	2.000 x 1.300 x 1.000 mm	15 kWh/24h

Je nach Ausführung und Hersteller weichen die Maße sowie Stromverbräuche der Ultratiefkühlschränke teilweise ab. Eine zuverlässige Information erhalten Interessenten daher nur aus dem Katalog eines Anbieters. Dabei sind häufig auch Sonder- sowie Zwischengrößen zu finden.

Ultratiefkühlschrank: Preise für die Kühltechnik

Wie hoch bei einem Ultratiefkühlschrank der Preis ausfällt, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Relevante Größen sind beispielsweise der Temperaturbereich und die Größe. Da Einrichtungen bis zu einer Temperatur von etwa -40 Grad Celsius ohne zweistufige Kaskaden-Kompressionskältemaschine aus kommen, sind diese häufig günstiger. Gleiches gilt für das Volumen, wobei die Preise mit zunehmender Größe steigen. Preisentscheidend ist darüber hinaus auch der Funktionsumfang. Sollen Ultratiefkühlschränke mit Passwort vor unberechtigtem Zugriff schützen, ist das genau wie die Möglichkeit der Fernsteuerung oder Fernüberwachung der Mietkälteanlagen in der Regel mit höheren Kosten verbunden. Die folgende Tabelle zeigt grobe Richtwerte für die Preise der Ultratiefkühlschränke.

Größe des Ultratiefkühlschranks	Preis
10 Liter	6.000 Euro
50 Liter	7.500 Euro
120 Liter	10.000 Euro
250 Liter	12.500 Euro
500 Liter	15.000 Euro
750 Liter	17.000 Euro
1.000 Liter	18.000 Euro

Detaillierte Preisauskünfte erhalten Interessenten mit dem Angebot eines Herstellers. Unser Tipp: Neben den Kosten sollten sie dabei immer auch die angebotenen Funktionen vergleichen.

Kaufen, Mieten oder Leasen: Was lohnt sich wann?

Ultratiefkühlschränke sind mit hohen Preisen verbunden. So lohnt es sich vor allem bei kurzzeitigen Einsätzen kaum, die Geräte auf Dauer zu kaufen. Benötigen Arztpraxen oder mobile Impfzentren die Kühltechnik nur vorübergehend, sind sie mit Miet- oder Leasingangeboten häufig günstiger. Die Preise liegen je nach Größe bei etwa 125 bis 300 Euro pro Monat (Beispiel für 6 Monate Mietdauer) und sind damit deutlich niedriger als bei vergleichbaren Kaufangeboten. Der Vorteil, wenn Kunden einen Ultratiefkühlschrank mieten, liegt allerdings nicht nur im Preis, wie die folgende Übersicht zeigt.

Benötigen Arztpraxen, Labore oder Forschungseinrichtungen die Technik dauerhaft, lohnt sich oft der Kauf. Eine fundierte Entscheidungsgrundlage bietet aber auch hier nur der Angebotsvergleich. So kann es sein, dass Ultratiefkühlschränke zur Langzeitmiete günstiger sind, als Kaufgeräte.

FAQ: Häufige Fragen und Antworten

Was ist ein Ultratiefkühlschrank und wann kommt er zum Einsatz?

Bei der Technik handelt es sich um Kühl- bzw. Gefrierschränke, die Temperaturniveaus von -80 Grad Celsius oder weniger dauerhaft aufrechterhalten können. Sie arbeiten meist mit einer zweistufigen Kaskaden-Kompressionskältemaschine, sind wirksam isoliert und kommen in verschiedenen Bereichen zum Einsatz. So zum Beispiel in Arztpraxen, Labors, Chemieunternehmen oder Forschungseinrichtungen. Erforderliche sind die Lösungen, um Impfstoffe, Seren, Blut, Gewebeproben, Bakterien, Viren oder andere biologische Stoffe dauerhaft zu lagern.

Wie halten Ultratiefkühlschränke die Temperatur bei einer Störung?

Zum einen schützt eine starke Isolierung aus Vakuum-Dämmplatten davor, dass sich das Innere schnell aufheizt. Darüber hinaus sind viele Systeme mit einer CO2-Einspritzung ausgestattet. Diese kommt beim Ausfall der Kühltechnik zum Tragen und sorgt für Temperaturen von etwa -76 Grad Celsius. Grundlage ist die Entstehung von Trockeneis bei der schlagartigen Entspannung von flüssigem CO2.

Wie hoch ist bei Ultratiefkühlschränken der Stromverbrauch?

Der Stromverbrauch hängt von der Größe, der Gestaltung des Kälteprozesses und der Wirksamkeit der Isolierung ab. Üblich sind Werte von etwa 4 bis 10 kWh/24h bei kleinen sowie mittleren und 10 bis 20 kWh/24h bei mittleren sowie großen Ultratiefkühlschränken.

Wie hoch sind die Preise und wann lohnt sich Miete oder Leasing?

Die Preise liegen je nach Größe und Ausstattung zwischen 5.000 und 20.000 Euro. Wer die Geräte nur vorübergehend nutzt, etwa zur Impfstofflagerung im Rahmen der Corona-Pandemie, kann Anlagen ab 125 bis 300 Euro im Monat mieten.