Beim Gefrieren von Proben an Hochschulen und Forschungseinrichtungen liegt das Problem oft nicht darin, dass „die Temperatur nicht niedrig genug ist", sondern dass dieselbe Charge Proben an verschiedenen Positionen im Schrank unterschiedlich schnell abkühlt oder dass der Gefrierprozess diesmal nicht mit dem letzten übereinstimmt. Das Vorgehen gliedert sich in drei Schritte: Proben nach Form gruppieren, Füllmenge und Positionierung festlegen, den Abkühlprozess als wiederverwendbares Programm speichern. Als Gerät wird ein Schrank-Flüssigstickstoff-Schnellgefrierschrank gewählt, keine Tunnelanlage.
Warum Labore auf „Konsistenz" statt auf „Durchsatz" achten
Fabriken rechnen in Kilogramm pro Stunde, Labore rechnen damit, ob zwei Datenreihen in einem Diagramm vergleichbar sind. Temperaturunterschiede zwischen Proben und Abkühlunterschiede zwischen zwei Versuchen schlagen sich letztlich in den Messergebnissen nieder. In der Produktbeschreibung von Corning zu Probenkühlsystemen steht ein klarer Satz: Temperaturunterschiede zwischen Proben können zu irreführenden Analyseergebnissen führen und damit Forschungsergebnisse beeinträchtigen (Corning-Website, Seite Probenkühl- und -heizsysteme, abgerufen 2026-11).
Dieser Satz stellt zwei Anforderungen an das Gerät. Die Temperaturen an verschiedenen Positionen im Schrank müssen in einem engen Bereich liegen – das ist die Temperaturgleichmäßigkeit; der Abkühlverlauf bei gleicher Einstellung muss von Lauf zu Lauf ähnlich sein – das ist die Temperaturregelgenauigkeit und Programmwiederholbarkeit. Ultra-Tiefkühlschränke kühlen über natürliche Konvektion, bei jedem Öffnen zum Entnehmen oder Einlegen steigt die Temperatur an, und zwischen den Ebenen bestehen große Temperaturunterschiede, sodass bei Vergleichsversuchen zu viele Variablen im Spiel sind. Der Flüssigstickstoffschrank arbeitet mit Zwangsumwälzung und Sprühverdampfung, die Abkühlung wird über die Verdampfungsmenge gesteuert, sodass eine Charge Proben in einem kurzen Zeitfenster den Gefrierprozess durchläuft.
Vier Probentypen, unterschiedliche Füllmengen und Anordnungen
Was Labore in den Schrank geben, unterscheidet sich stark in der Form. Die folgenden vier Kategorien sind gängige Gruppierungen; die Füllmenge richtet sich stets nach den tatsächlichen Behälterabmessungen, es gibt keine allgemeingültigen Zahlen.
| Probenform | Behandlung vor dem Einlegen | Anordnung und Füllmenge | Worauf beim Gefrieren zu achten ist |
|---|---|---|---|
| Gewebeblöcke, Organe, Muskelproben | Zuschneiden, Portionieren, Etikettieren, Oberflächenfeuchtigkeit abtupfen | Einlagig flach auf 400×600 mm Tabletts auslegen, Abstand zwischen den Blöcken lassen | Rate, mit der die Kerntemperatur -1℃～-5℃ durchläuft; Blockgröße muss einheitlich sein |
| Homogenate, Extrakte, Kulturmedien | In Zentrifugenröhrchen oder Kryoboxen füllen, dicht verschließen | Kryoboxen aufrecht stellen, Boxen gleicher Spezifikation in derselben Ebene | Füllvolumen einheitlich, Reifbildung an der Röhrchenwand und Verkleben vermeiden |
| Zell- und Stammsuspensionen | Nach jeweiligem Kryoprotokoll Schutzmittel zugeben, in Kryoröhrchen aliquotieren | Kryoröhrchen aufrecht im Gestell, kein direkter Kontakt mit dem Tablett | Diese Proben durchlaufen programmiertes Abkühlen und Flüssigstickstoff-Kryokonservierung; der Schrank übernimmt nur die vorgelagerte schnelle Abkühlung |
| Lebensmittelentwicklungsmuster (Teig, Fruchtmark, Fleischbrät, Füllungsmischungen) | Nach Rezeptur portionieren, wiegen und dokumentieren | Proben gleichen Gewichts auf demselben Tablett in derselben Ebene | Rezepturcharge und Gefriercharge einander zuordnen und dokumentieren |
Eines sei klargestellt: Kryoröhrchen für Zellen und Stämme werden üblicherweise mit einem programmierbaren Kryostaten mit einer Rate von ein bis zwei Grad pro Minute langsam eingefroren; die Abkühlrate eines Schrank-Flüssigstickstoff-Schnellgefrierschranks ist deutlich höher und kann das programmierte Abkühlen nicht ersetzen. Seine Rolle liegt im vorgelagerten Schritt – die Temperatur nach der Probenentnahme schnell abzusenken, um Enzymaktivität und mikrobielle Aktivität zu bremsen, danach folgt das jeweilige Konservierungsprotokoll.
Auswahl des Schrankgeräts: Parameter der drei Modelle
Der Chargenumfang in Forschungsszenarien liegt meist bei einigen Dutzend bis einigen Hundert Kilogramm, ein Schrankgerät reicht aus. Die öffentlichen Parameter der drei Schrank-Flüssigstickstoff-Schnellgefrierschränke von Kunning Cryo lauten wie folgt:
| Position | DKN-LFC-300 | DKN-LFC-600 | DKN-LFC-1500 |
|---|---|---|---|
| Innenraummaße | 900×1320×1800 mm | in technischen Unterlagen nicht angegeben | 1300×1700×1800 mm × 2 Zonen |
| Außenmaße | 1740×1730×2220 mm | 2900×1700×2450 mm | 3800×2500×2300 mm |
| Arbeitstemperatur | -150℃～Raumtemperatur | -150℃～Raumtemperatur | -150℃～Raumtemperatur |
| Temperaturregelgenauigkeit | ±1℃ | ±1℃ | ±2℃ |
| Temperaturgleichmäßigkeit | ±3℃ | ±3℃ | in technischen Unterlagen nicht angegeben |
| Abkühlgeschwindigkeit ohne Beladung | nicht unter 20℃/Minute, einstellbar | nicht unter 20℃/Minute, einstellbar | in technischen Unterlagen mit Größenordnung 50℃/Minute angegeben, einstellbar |
| Gesamtleistung | 2.5 kW | 5 kW | 5 kW |
| Flüssigstickstoffdruck | 5-8 bar | 5-8 bar | 6-8 bar |
| Durchsatz | 300 kg/h | 600 kg/h | 1500 kg/Charge |
| Gestell und Tabletts | Gestell 1600×605×807 mm, 40 Tabletts pro Durchgang; Tabletts 400×600×25 mm | nach Auftrag bestätigen | zwei Zonen unabhängig beladbar |
| Sauerstoffkonzentrationsmessung | je nach Konfiguration | je nach Konfiguration | Einstellwert 19.5%～21.5% |
Die Abwägung zwischen den drei Modellen ist klar. Für Arbeitsgruppen mit einigen Dutzend Kilogramm pro Charge, vielen Probentypen und häufigem Wechsel der Spezies eignet sich der DKN-LFC-300 mit 1740×1730 mm Stellfläche, einem Gestell mit 40 Tabletts, sodass eine Charge Proben in einem Durchgang in den Schrank kommt, ohne dass zeitlich gestückelt werden muss. Für Zentrallabore mittlerer Institute oder Pilotlinien passt die Stufe mit 600 kg/h besser, das Gehäuse ist auf 2900 mm verlängert und nimmt mehr Tabletts auf einmal auf. Wer chargenweise ganze Paletten ein- und ausfahren möchte, sieht sich den DKN-LFC-1500 an, zwei Zonen unabhängig beladbar, 1500 kg/Charge, Gehäusebreite bis 3800 mm – vorher Türöffnung und Durchgang ausmessen.
Der Durchsatzwert ändert sich mit Feuchtegehalt der Probe, Stückgewicht und Verpackungsart; die technischen Unterlagen vermerken selbst, dass „je nach Produkt und Verpackungsart Unterschiede bestehen". Vor Inbetriebnahme eine Vollastmessung mit eigenen Proben durchführen und die tatsächliche Abkühlkurve aufzeichnen – das ist nützlicher als die Nennwerte.
Wie das Gefrierprogramm aufgebaut wird
Die Steuerung der drei Schrankmodelle folgt derselben Logik: Eingabe über Touchscreen, PLC-Steuerung, automatische PID-Regelung, Abkühlen und Halten in zehn Schritten, nach Programmende automatischer Alarm und Abschaltung; 7-Zoll-Farbdisplay, manuelle Bedienung möglich, verschiedene Gefrierprozesse lassen sich speichern und per Tastendruck abrufen. Die Temperaturmessung erfolgt mit PT100-Platinwiderstandsfühlern der Klasse A, Messbereich 200℃～-200℃.
Wie die zehn Schritte genutzt werden, hängt von der Probe ab. Bewährt ist folgende Aufteilung:
- Die ersten beiden Schritte fahren schnelles Abkühlen, um Schranktemperatur und Probenoberflächentemperatur gemeinsam abzusenken, damit die Probe schnell in den Bereich unter -18℃ gelangt.
- Die mittleren Schritte werden entsprechend Dicke und Füllmenge der Probe verlangsamt; dicke Blöcke verweilen hier länger, damit die Oberfläche nicht hart gefriert, während der Kern noch weich ist.
- Die letzten zwei bis drei Schritte dienen dem Halten, damit die Kerntemperatur der Probe die Schranktemperatur angleicht und die äußere Schicht beim Entnehmen nicht wieder erweicht.
- Temperatur und Dauer jedes Schritts werden im Versuchsprotokoll festgehalten und für die nächste Charge direkt abgerufen – das ist die Voraussetzung für Vergleichbarkeit zwischen Chargen.
Die Abkühlrate im Programm sollte nicht höher eingestellt werden als die Geräteleistung. 20℃/Minute ohne Beladung ist der Nennwert von LFC-300 und 600; unter Vollast wird es zwangsläufig langsamer – Parameter nach der gemessenen Vollastkurve einzustellen ist stabiler.
Einspannen, Dokumentation und Vergleichbarkeit zwischen Chargen
Die Umwälzung im Schrank erfolgt über drei kältetaugliche Motoren, die außen sitzen und die Kraft über verlängerte Edelstahlwellen in den Innenraum übertragen, kombiniert mit Leitblechen und mehrflügeligen Axialventilatoren, drehzahlgeregelt, das Strömungsfeld ist simulationsgestützt ausgelegt, gleichmäßige Luftgeschwindigkeit 10 m/s. Die Luft wird zwangsgeführt, daher hat die Positionierung großen Einfluss auf das Ergebnis – Tabletts vor dem Luftkanal und am Rand kühlen anders ab.
Drei Dinge festlegen, dann sind die Daten vergleichbar: erstens die Füllmenge pro Tablett nach einheitlichem Standard, gleiche Spezies gleiches Gewicht; zweitens die Positionierung des Gestells fixieren und in der Arbeitsanweisung festhalten, was in welche Ebene gehört; drittens pro Charge Einlegetemperatur, Entnahmezeit, Schranktemperaturkurve und Kerntemperatur der Probe dokumentieren. Die Etiketten der Proben müssen der Tablettposition zugeordnet werden können; nach der Entnahme geht es direkt in die Kryokonservierung oder Analytik, ohne Zwischenumschichten.
Zum Aufbau des Gehäuses: Innen- und Außenkammer sind aus SUS304-Edelstahlblech geschnitten, gekantet und verschweißt, Dämmung 150 mm, integrierter eingebetteter Schaltschrank, Entlüftungsöffnungen an der Geräterückseite, damit Kondenswasser nicht auf die Tabletts tropft. Für Labore bedeutet das, dass der Innenraum gemäß Reinheitsanforderungen abgewischt werden kann und sich Restflüssigkeit nicht am Boden des Innenraums sammelt.
Standortbedingungen: Strom, Flüssigstickstoff, Abluft
Strom. Die drei Schrankmodelle werden mit 380V/50Hz versorgt, Gesamtleistung 2.5 kW bis 5 kW, eine Stufe niedriger als kompressorbasierte Kältegeräte gleicher Kapazität, die Laborverteilung reicht in der Regel aus. Bei Standorten von Hochschulen oder Partnern im Ausland mit 60Hz sind Motoren und elektrische Komponenten gesondert zu prüfen; nicht einfach die Inlandskonfiguration versenden.
Flüssigstickstoff. Das Gerät bringt keine Flüssigstickstoffquelle mit; die Versorgung erfolgt aus dem Flüssigstickstofftank des Nutzers über Kryoleitungen, Eingangsdruck 5-8 bar (LFC-1500: 6-8 bar). Für Labore ist die Berechnung des Verbrauchs pro Charge genauer als pro Tag, da der Verbrauch direkt von Probenmenge, Einlegetemperatur und Füllmenge abhängt.
Abluft und Sauerstoffkonzentration. Flüssigstickstoff verdampft zu Stickstoff, der in geschlossenen Räumen die Luft verdrängt. Die technischen Unterlagen des DKN-LFC-1500 geben an, dass ein Sauerstoffkonzentrationsmessgerät mit Einstellwert 19.5%～21.5% vorhanden ist, verriegelt mit dem Gerät; bei kleineren Schränken richtet sich die Messkonfiguration nach den Standortbedingungen und dem Auftrag. Die Abluftöffnung nicht über dem Bedienplatz anordnen; nach dem Öffnen zum Einlegen oder Entnehmen warten, bis die Konzentration wieder im sicheren Bereich liegt, bevor man sich nähert.
Häufige Fragen
Reicht bei geringer Probenmenge nicht auch ein Ultra-Tiefkühlschrank?
Gefrieren ist möglich, aber für Vergleichsversuche ungeeignet. Der Kühlschrank arbeitet mit natürlicher Konvektion, kühlt langsam, zwischen den Ebenen bestehen Temperaturunterschiede, bei jedem Öffnen steigt die Temperatur, sodass dieselbe Charge Proben an verschiedenen Positionen und zu verschiedenen Zeiten unterschiedlich gefriert. Der Flüssigstickstoffschrank arbeitet mit Zwangsumwälzung und Sprühung, kühlt schnell und die Rate ist einstellbar, Programme lassen sich speichern und reproduzieren.
Wie viele Proben passen in einen DKN-LFC-300 auf einmal?
Der Schrank hat ein Gestell mit 1600 mm lichter Höhe, 605 mm Breite und 807 mm Tiefe, Standard-Ebenenabstand 75 mm, 40 Tabletts pro Durchgang, Tablettformat 400×600×25 mm. Wie viele Proben tatsächlich hineinpassen, hängt von Behälterabmessungen und Stückgewicht ab; nach Tablettbelegung berechnen, nicht nach Volumen schätzen.
Wie groß ist der Temperaturunterschied zwischen verschiedenen Positionen im Schrank?
Die Temperaturgleichmäßigkeit von DKN-LFC-300 und DKN-LFC-600 ist mit ±3℃ angegeben, die Temperaturregelgenauigkeit mit ±1℃; der DKN-LFC-1500 hat eine Temperaturregelgenauigkeit von ±2℃. Dieser Bereich reicht für die Vorbehandlung der meisten Proben, dennoch sollten tote Winkel im Strömungsfeld beim Positionieren gemieden werden; Proben an Rand- und Mittelpositionen sollten auf getrennten Tabletts markiert werden.
Woher kommt der Flüssigstickstoff, hat das Gerät einen eigenen Tank?
Nein. Das Gerät wird aus einem externen Flüssigstickstofftank über Kryoleitungen versorgt, Eingangsdruck 5-8 bar, beim LFC-1500 6-8 bar. Tank, Leitungen und Raumabluft werden vom Betreiber nach den Standortbedingungen eingerichtet.
Muss während des Programmlaufs jemand anwesend sein?
Die Steuerung löst nach Programmende automatisch Alarm aus und schaltet ab; eine durchgehende Beaufsichtigung ist nicht erforderlich. Das Öffnen zum Einlegen oder Entnehmen muss jedoch vor Ort erfolgen; zuerst prüfen, dass die Sauerstoffkonzentration wieder im Bereich 19.5%～21.5% liegt, dann bedienen; entnommene Proben nach dem jeweiligen Konservierungsprotokoll weiterführen.
Bei der Beschaffung solcher Geräte durch Hochschulen ist die Parametertabelle nur der Anfang. Erst wenn Probenform, Chargengewicht, Zielkerntemperatur, Standortstromversorgung und Türöffnungsmaße vollständig vorliegen, lassen sich Modell und Konfiguration festlegen. Zum Gefriermechanismus siehe Gefrierkurve und Eisbildungszone, dokumentierte Prozesse vergleichbarer Labore finden sich in Fallbeispiel Flüssigstickstoff-Schnellgefrierschrank für Hochschulforschungsteams, die Parameter der Schrankgeräteserie unter Flüssigstickstoff-Schnellgefrierschrank. Bei konkreten Proben zur Konfiguration kontaktieren Sie uns – wir erstellen ein Konzept nach Parametern.