Corona als Booster für die Kältetechnik

Wirksame Kühlketten für Impfstoffe

Wir hoffen alle, dass wir möglichst bald aus der Corona-Situation zu unserem normalen Alltag zurückkehren können, was aber nur gelingt, wenn möglichst schnell wirksame Impfstoffe und die dazugehörigen Infrastrukturen, die auch eine wirksame Kühlkette beinhalten müssen, zur Verfügung stehen. Die dafür erforderlichen Temperaturen werden mit -20 °C und überraschend niedrigen -70 °C angegeben. Hier stellt sich die Frage, ob das umsetzbar ist und was das bedeutet, zumal dies weltweit erfolgen muss. Der DKV ist hierzu von der KKA um eine Stellungnahme gebeten worden.

Corona-Impfstoffe

Es gibt mehrere Strategien für Corona-Impfstoffe. Zum einen können Impfstoffe aus abgetöteten oder abgeschwächten Erregern gewonnen werden, oder es werden Gene von Corona-Viren über ungefährliche Viren eingeschleust. Eine der Strategien für die Corona-Impfstoffe, auf die große Hoffnungen gesetzt wird, basiert auf den mRNA. Bisher ist dieses Prinzip in der Tumortherapie und in Tierversuchen erprobt worden. Damit diese mRNA-Vakzine wohlbehalten in den Körperzellen ankommen, können sie in Lipid-basierte Nanopartikel verpackt werden. Die RNA sind als einsträngige, fadenartige Strukturen vorstellbar. Diese sind temperaturempfindlich und können aufbrechen und damit ihre Wirksamkeit verlieren. Zur Vorbeugung dagegen müssen die Impfstoffe gekühlt gelagert und transportiert werden.

Impfstoffkühlung

Es ist bekannt, dass einige Medikamente und insbesondere Impfstoffe stets gekühlt werden müssen. Auch in Entwicklungsländern ohne hinreichende Infrastruktur, insbesondere ohne stabile elektrische Versorgungsnetze, müssen solche Impfstoffe bereitgestellt, gelagert und gekühlt werden. Das hat z.B. zur Entwicklung solarbetriebener Impfstoffkühler geführt und dann im weiteren Schritt dazu, dass die WHO Spezifikationen für diese solar betriebenen Impfstoffkühler aufgestellt hat. Eine der Anforderungen ist, dass eine Temperaturhaltung über 72 Stunden ohne solare Leistung sichergestellt werden muss. Der Temperaturbereich, der mit diesen Geräten gehalten werden muss, liegt zwischen 2 °C und 8 °C /2, 3/. Bei den Corona-Impfstoffen geht es jetzt aber um den Aufbau globaler Kühlketten mit Temperatur­bereichen bei -20 °C und -70 °C. Ziel ist die Versorgung von Impfzentren mit großen Impfstoff­mengen, wie wohl auch von nieder­gelassenen Ärzten in kleinen Mengen. Darüber hinaus wird von den großen Logistik­unter­neh­men ein funktionsfähiger Lufttransport auch für den interkontinentalen Austausch mit Schwerpunkten auf Flughäfen wie Frankfurt, München, Köln oder Leipzig vorbereitet. Eine wirklich flächendeckende Versorgung auch abgelegener Regionen in wenig entwickelten Bereichen ist dagegen erst einmal nur bedingt vorstellbar.

Kühlkette bei -20 °C

Die Logistik für Impfstoffe, die bei -20 °C gelagert und transportiert werden, sollte gegeben sein. Es ist der gleiche Temperaturbereich, bei dem Gefriergut gelagert und verteilt wird. Labortiefkühl-Lagerschränke, Kühlcontainer und Kühlfahrzeuge, die für den Transport von Tiefkühlprodukten im Temperaturbereich unter -20 °C ver­wendet werden, könnten ebenso eingesetzt werden wie im einfachsten Fall Haushaltsgefriergeräte. Eine entsprechende Infra­struktur besteht somit zumindest in entwickelten Regionen. Wichtige zusätzliche Maßnahmen zur Qualitätssicherung und Überwachung dürften hierbei leicht erstellbar sein. Die präzise Überwachung von Produkttem­pe­raturen, auch im interkontinentalen Warenverkehr, kann als Stand der Technik bezeichnet wer­den. Qualitätssteigerungen und -kontrollen sollten somit hoffentlich schnell genug umsetzbar sein.

Kühlkette bei -70 °C

Der Transport und die Lagerung bei Temperaturen von -70 °C erfordert allerdings größere Anstren­gungen. Kältemaschinen für den Bereich unter -70 °C sind bekannt und Stand der Technik. Labor-Ultratiefkühlschränke sind auf dem Markt erhältlich. Sie werden offensichtlich auch in Impfzentren bereitgestellt, wie man den Nachrichtenbildern entnehmen kann. Es gibt für den Bereich unter -70 °C Einsatzfälle im großen industriellen Maßstab und vor allen Dingen Einsatzbereiche bei kleineren Leistungen. Zu nennen sind hier z.B. Umweltsimulationskammern, Badther­mo­state oder Zen­trifugen. Auch sind Fälle für den Transport und die Lagerung wertvoller Güter bekannt, für die solche Temperaturen benötigt werden. Eine dieser Anwendungen ist die Lagerung hochqualitativen Thunfischs, wobei die Lagerhäuser dann mit Lufttem­peraturen um -80 °C beschickt werden /4/.

Im allerersten Ansatz kann zur Kühlung auf die Verwendung von Trockeneis (CO2) zurückgegriffen werden, das bei Umgebungsdruck mit einer Sublimationstemperatur von -78,5 °C Kälte bei hinreichend tiefen Temperaturen bereitstellen kann. Der Einsatz von CO2 als Trockeneis ist bekannt. Schon für die Kühlung von Speisen in den Trolleys in Flugzeugen wird Trockeneis verwendet. Erst in neueren Flugzeugen werden dann auch für diese Anwendung entsprechend kleine Kältemaschinen eingesetzt werden. Auch für die Luftfracht von zu kühlenden Gütern werden spezielle Container eingesetzt, bei denen CO2-Trockeneis zum Einsatz kommt. Die Verwendung von Trockeneis für die per Luftfracht zu transportierenden Impfstoffe ist vorgesehen. Wie immer im Umgang mit CO2 ist dessen Anteil in der Luft aus Sicherheitsgründen zu überwachen. Tragische Unglücksfälle sind bekannt. Daher dürfte auch die zulässige Menge des Trockeneises im Flugzeug und anderswo begrenzt sein.

Gerade im Zusammenhang mit Verschleißprozessen, wie denen mit CO2-Trockeneis, kommt der besonders effektiven Isolierung der Transportbehälter und -container eine hohe Bedeutung zu. Hier bietet sich der Einsatz von Vakuumisolationen an. Es ist dabei auf einen robusten Aufbau zu achten, damit die Vakuumisolierung nicht beschädigt wird und ihre hohe Isolationswirkung schlagartig einbüßt. Es ist der Tagespresse bereits zu entnehmen, dass entsprechende logistische Vorbereitungen auf Basis von Kühlcontainern mit Vakuumisolierung eingeleitet sind.

Grundsätzlich werden jedoch Kältemaschinen zum Einsatz kommen müssen. Diese sind dann vorrangig Kaltdampfkompressionsmaschinen in Kaskadenbauweise, es können aber auch andere Verfahren wie etwa der Kaltluft-Prozess oder Stirlingmaschinen zum Einsatz kommen.

Bei den Kaskadenanlagen wird bisher im Tieftemperatur-Kreislauf zumeist das Kältemittel R23 verwendet. Wegen fehlender Alternativen ist es nach der F-Gase-Verordnung trotz des extrem hohen Treibhauspotentials weiterhin auch noch zulässig. In der Erwartung, dass sich dieses in Zukunft ändert, wird bereits seit einigen Jahren an verschiedenen Möglichkeiten zum Ersatz des R23 gearbeitet. In Frage kommen hierbei der Einsatz von Ethan oder Ethen (R170 und R1150), wenn Füllmengen sehr klein sind, oder brennbare Kältemittel bei der gegebenen Aufstellung akzeptabel sind. Dagegen ermöglicht der Einsatz von Kältemittelgemischen auf Basis von CO2 (R744) mit Beimischungen anderer Kältemittel, die den Erstarrungspunkt auf unter -70 °C verschieben /5/, die Verwendung als A1-Kältemittel. Prozesse mit Kältemitteln, deren Verdampfung bei sehr niedrigen Temperaturen im Unterdruck stattfindet, sind ebenfalls möglich. Dann jedoch sollten ausschließlich nicht brennbare Kältemittel und gut hermetisierte Aufbauten verwendet werden. Weitere Optionen bieten der Stirlingprozess, der Kaltluftprozess und Prozesse mit brennbaren Kältemittel aber zusätzlichem Argon-Kreislauf.

Für den Einsatz eines neuen A1-Tieftemperaturkältemittels auf Basis von Gemischen mit CO2, dem R469A, sind dann über die letzten Jahre auch Geräte unterschiedlicher Leistung entwickelt worden. Mindestens ein weiteres Gemisch auf dieser Basis ist kürzlich von Seiten der chemischen Industrie mit vorgestellt worden /6/.

Es könnte geprüft werden, ob vor dem Hintergrund, dass sich die Automobilindustrie in einer Umstrukturierung befindet, vorteilhaft freie Kapazitäten bei den Herstellern von Umweltsimulationskammern bestehen, die dann für den zügigen Aufbau von Impfstoffkühlern genutzt werden können. Hinweise dazu können der Presse entnommen werden.

Fazit

Eine Problematik ist die große Menge von Impfdosen, die in alle Welt verschickt werden muss. Für das strenge Szenario bestehen viele Probleme, den Impfstoff bis zur sogenannten letzten Meile zu bringen. Selbst beim konventionellen Szenario wären vor allem außerhalb der Industrienationen noch große Investitionen in Kühltechnik bei Zwischenlagern notwendig.

Der schnelle Aufbau von Kühlketten, insbesondere im Temperaturbereich von -70 °C, wird eine Herausforderung sein. Es dürfte zu erwarten sein, dass alle verfügbaren Kapazitäten hierfür eingesetzt werden müssen. Bestehende Kompetenzen und Fertigungskapazitäten für den Aufbau von Kälteanlagen, Containern und auch die Trockeneisinfrastrukturen sind gefordert. Zur Verfügbarkeit des R23 zeigte sich die chemische Industrie in den Diskussionen bei der letzten DKV-Tagung recht entspannt. Dennoch kann sich hieraus ein starker Initiator für den Einsatz alternativer Arbeitsstoffe und Technologien im Bereich von -70 °C ergeben.

Quellen

/1/ WHO: Solar direct-drive vaccine refrigerators and freezers; WHO/IVB/17.01

/2/ Nosbers R. et al.: Experimentelle Untersuchung solar betriebener Impfstoffkühler im Feld; DKV-Tagung, Nov. 2019, Ulm

/3/ WHO, „PQS Performance Specifications: Refrigerator or combined refrigerator and water-pack freezer: Solar direct drive without battery storage“. Patent WHO/PQS/E003/RF05.5, 02 Februar 2018.

/4/ Delforge E.: Cold Air Cycle in Special Applications; Innovationstag Kältetechnik, TU Dresden, 26. Sept. 2015

/5/ Göpfert T.: Survey on Nonflammable Low GWP Refrigerant Mixtures Based on Carbon Dioxide for Applications Below 220 K; ICR 2015, August 16 - 22 - Yokohama, Japan

/6/ K. Schwennesen K., et al.: Besser als R-744! Konzepte für weitere Einsatzgrenzen und höhere Effizienz; DKV-Tagung, Nov. 2020

/7/ Information Firma BINDER GmbH

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