Wirtschaftliche Alternative zu 50 Tiefkühlschränken

Autor Burkhard Rüßmann Geschäftsführer, L&R Kältetechnik

Tiefkühlschränke sind in der Pharmaforschung „state of the art“, wenn es sich um die Lagerung von sensiblen Produkten bei niedrigen Temperaturen handelt. In vielen Produktionsstätten verwendet man ebenfalls diese kompakten Schränke, die in etwa die Größe von Gefriertruhen haben. Das bedeutet, dass oftmals viele Tiefkühlschränke in einem Raum untergebracht sind. Diese Art der Kältetechnik ist aus energetischer Sicht nicht optimal. Denn jeder Tiefkühlschrank hat eine eigene Kälteerzeugung, sodass in Summe 20, 30 oder auch 50 kleine Kältemaschinen in Betrieb sind, die aufgrund der „economy of scale“ längst nicht so effektiv arbeiten wie eine große Anlage es tun würde. Außerdem müssen nicht nur die Schränke, sondern auch der gesamte Raum gekühlt werden, weil jede der Kälteanlagen Wärme an die Umgebung abgibt.

Ein namhafter deutscher Pharmahersteller suchte nach einer effizienteren Lösung für die Lagerung von Vorprodukten eines neuen Medikamentes. Konkret sollten hier 50 Tiefkühlschränke mit einem Fassungsvermögen von je 560 l ersetzt werden, und die Temperatur von -75 °C durfte nicht überschritten werden. Außerdem musste für jeden möglichen Ausfall Redundanz gewährleistet sein, damit eine Überschreitung der Maximal-Tiefsttemperatur zuverlässig ausgeschlossen ist.

Mit diesem Anforderungsprofil wandte sich der Pharmahersteller an die L&R Kältetechnik, die als Spezialist für kundenspezifische Industriekälteanlagen Erfahrung mit derartigen Projekten hat. Das Unternehmen schloss sich für dieses Projekt mit der Fima Teledoor zusammen, die entsprechende Kühlzellen baut, und plante eine kompakte Tiefstkühlzelle, in der eine garantierte Höchsttemperatur von -75 °C herrscht. Kompetenz dafür hatte sich L&R bereits beim Bau einer ähnlichen Anlage zur GMP-konformen Tiefkühllagerung von Blutplasma erworben.

Herzstück der Anlage, die inzwischen ihren Betrieb aufgenommen hat, ist eine begehbare Tiefstkühlzelle, in die ein Lagersystem aus einem Edelstahl-Schubladensystem nach dem Prinzip der Apothekerschränke eingebaut ist. Die offenen Regale sind so gestaltet, dass die gezielte Luftführung eine homogene Temperaturverteilung gewährleistet. Ein Vorkühlraum mit -20 °C Temperatur ermöglicht es dem Bedienpersonal, sich an die extreme Kälte zu gewöhnen und reduziert auch den Gesamtenergiebedarf für die Kälteerzeugung in der Zelle. Dieser Raum wird über eine separate, ebenfalls vollständig redundant ausgeführte Anlage mit Kälte versorgt.

Die komplette Technik für die Kälteerzeugung ist in einem Container im Außenbereich untergebracht. So spart man Platz in der Produktion und nutzt den Raum, der für die Tiefstkühlzelle zur Verfügung steht, bestmöglich aus. Die Kälte wird von zwei luftgekühlten, zweistufigen Tieftemperatur-Kaskaden erzeugt, die mit leistungsgeregelten Hubkolbenverdichtern ausgestattet sind. Die beiden Kältemittel, die in der ersten und der zweiten Stufe verwendet werden, sind ausgesprochen umweltfreundlich, denn sie besitzen ein Ozonabbaupotenzial von Null.

Die gesamte Kälteerzeugung – einschließlich der Luftkühler in den Kühlräumen – ist vollständig redundant ausgeführt. Es kann jeweils eine Kälteanlage oder auch ein Luftkühler ausfallen bzw. gewartet werden, ohne dass die Kälteversorgung und die Unterschreitung des maximalen Temperaturniveaus gefährdet sind. Die beiden Kältemaschinen sind über eine SPS als übergeordnete Steuerung miteinander verbunden. Die SPS übernimmt nicht nur die bedarfsgerechte Regelung der Anlagenkomponenten und trägt damit zur hohen Energieeffizienz bei. Sie registriert auch, wenn eine Maschine ausfallen sollte, und schaltet dann entsprechend auf die andere Anlage um. Das gleiche gilt für die Zeiträume, in denen einer der Luftwärmetauscher abgetaut wird. Eine Grundlast-Wechselschaltung sorgt dafür, dass beide Anlagen ähnliche Laufzeiten erreichen. Als Mensch-Maschine-Schnittstelle kommt ein Touch Panel zum Einsatz, das in der Nähe der Eingangstür angebracht ist und den aktuellen Maschinenzustand visualisiert.

Mit all diesen Maßnahmen kann ein unplanmäßiger Ausfall der Kältetechnik zuverlässig ausgeschlossen werden. Dies ist wichtig, weil das Vorprodukt, das bei maximal -75 °C gelagert wird, zwingend erforderlich ist für die Produktion eines weltweit gefragten neuen Medikamentes. Zugleich ist eine hohe Energieeffizienz der Kälteanlagen gewährleistet. Außerdem vereinfacht sich für den Pharmahersteller die jährlich fällige Überprüfung der Kälteanlagen nach den GMP-Grundlagen: Bislang mussten rund 50 Kälteanlagen jedes Jahr einzeln validiert werden, jetzt ist es nur noch eine.

Viele weitere Details dieser Tiefstkälteanlage zeigen, dass bei der Planung und beim Bau solcher Anlagen Spezial-Know-how erforderlich ist. Zudem ist die exakte Abstimmung zwischen dem Hersteller der Zelle und der Kälteanlagen sinnvoll. Wichtig ist unter anderem eine kältebrückenfreie Ausführung aller Isolierelemente sowie ein ausreichender Abstand der Zelle zu begrenzenden Wänden. Die Zelle und die Abführung des Kondensates wurden so gestaltet, dass eine maschinelle Umlüftung der Zellenaußenwände nicht erforderlich ist. Das spart Energie. Ebenso kann man auf eine Unterlüftung des Zellenbodens verzichten. Als weiteres Sicherheitselement wurde eine Unterfrierschutzheizung installiert, die den Taupunkt unterhalb der Zelle überwacht.

Die Tiefstkühlzelle ist inzwischen in Betrieb, und der Betreiber ist sowohl mit ihrer Zuverlässigkeit als auch mit der Energieeffizienz vollkommen zufrieden. Bester Beweis dafür: Das Medikament soll künftig auch an einem weiteren Standort außerhalb Europas gefertigt werden. Für diesen Standort plant L&R – wiederum gemeinsam mit Teledoor – eine ähnlich redundant ausgeführte Tiefstkühlzelle.

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