Das Konzept der Europäischen Zellforschungsbank bringt neue Dimensionen in die Kryokonservierung von Zellen. Die Anzahl der Zellproben bewegt sich in Größenordnungen, die erhebliche Anforderungen an die Logistik stellen. Ein hoher Automatisierungsgrad reduziert die Lagerkosten je Probe und eröffnet Möglichkeiten für das Anlegen neuartiger Sammlungen, für die bisher eine Kryolagerung zu unwirtschaftlich erschien.

Einige Techniken und Prozesse stammen aus dem klinischen Bereich und der Forschung. Sie sind aber sehr personalintensiv und damit nicht geeignet für hohe Probenraten. Die Verfügbarkeit von Automatisierungslösungen in diesem Bereich stellt somit die Basistechnologie für eine Vielzahl neuer Geschäftsmodelle in der Tieftemperatur-Biotechnologie dar.

Die Basis für die Lösung dieser Aufgaben bilden die Erkenntnisse der Tieftemperatur-Biophysik. Dabei sind die (inter)nationalen gesetzlichen Vorgaben wie Medizinproduktegesetz und FDA-Normen zu beachten. Kryoequipment schlägt technologisch die Brücke zwischen den biophysikalischen Grundlagen und der produktiven Bank. Angefangen von Einfriergeräten mit hohem Probendurchsatz bis hin zu einem hoch automatisierten Entnahmeturm reicht die Palette an Entwicklungen, die für einen wirtschaftlichen Betrieb einer Zellbank notwendig sind. Prozeduren und Geräte müssen unter Temperaturen funktionieren, die bisher allenfalls für seltene Anwendungsfälle wie Supraleitung oder Satellitentechnik eine Herausforderung waren. Heute am Markt verfügbare Technologie im Bereich Robotik oder Automatisierung ist für Temperaturen unterhalb –130°C nicht einsetzbar und muss an entscheidenden Stellen von Grund auf neu entwickelt werden. Besondere Rahmenbedingungen sind hierbei zum Beispiel der völlige Verzicht auf flüssige Schmierung oder die unterschiedlichen physikalischen und elastischen Eigenschaften von Stoffen wie Ausdehnungskoeffizient und Versprödung. Personalintensives Arbeiten mit den Proben ist aufwendig und risikoreich. Roboter und Automation verhindern in einer kalten Stickstoffatmosphäre kritische Erwärmung und Kontamination und stellen eine neue Qualität der Prozesse im Umgang mit den Proben sicher.

Lösungselemente

• Neuartige Präzisions Einfrierautomaten mit genauer Einhaltung der zeitlichen Temperaturgradienten (Abweichung kleiner 0,5 °C) zur Optimierung der biologischen Einfrier- und Auftauprozesse,
• Befüllsysteme wie Pipettierer, Pelletierer für Zellsuspension in unterschiedliche Substratformen (Schlauch, Töpfchen,...),
• Kryosubstrate zur Probenaufnahme aus unterschiedlichen Materialien wie Silizium und geeigneten Kunststoffen,
• Vereinzelungssysteme für die Probenseparierung aus den Substraten,
• Kryotankequipment wie Schleusensysteme oder Entnahmeturm zur Aufnahme und Bearbeitung der Probensubstrate in der kalten Gasphase des inerten Stickstoffgases,
• Intelligente Storagesysteme zum sicheren Transport der Probe mit Flüssigstickstoffkühlung in House aber auch zum Versand mit öffentlichen Verkehrsmitteln und Speditionen / Paketdiensten,
• Roboter, Automaten und Steuerungen zur Prozessautomatisierung,
• IT-Systeme zur Datenkommunikation mit den Tieftemperatur festen Speicherchip.s

Über der interdisziplinären Beantwortung aller ingenieurwissenschaftlichen und physikalischen Fragestellungen stehen die biologischen Anforderungen und damit das Ziel, die Zellen mit optimalen Überlebensraten an unsere Kunden zu übergeben.

Wir bieten unseren Kunden Erfahrung und Kompetenz in den Bereichen Kryoprozesstechnik und Kryoequipment (selbstverständlich auch über den Einsatz in der Europäischen Zellforschungsbank hinaus):

• Entwicklung kryotechnologischer Prozesse im Temperaturbereich – 196 ° C bis – 130 °C,
• Entwicklung von Kryoequipment im Temperaturbereich – 196 ° C bis – 130 °C,
• Entwicklung von Sensorik zur Prozessüberwachung (Temperatur, Luftfeuchtigkeit,...) im Temperaturbereich – 196 ° C bis – 130 °C,
• Prozessentwicklung für Probenlogistik,
• IT-Systeme zur Ablage und Kontrolle der Probendaten.

Unsere Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen:

• 160 m² Laborräume,
• Stickstoffanlagentechnik,
• CAD-Konstruktion,
• Informationstechnologie- und Softwareentwicklung

In unserer Projektdurchführung sind wir ein eingespieltes Team in der Einbindung leistungsfähiger interner Instituts-Arbeitsgruppen wie:

• Elektronikentwicklung,
• Werkstatt mit durchgängiger CAD/CAM-Struktur,
• Entwicklung eines mobilen Diagnostiklabors der biologischen Sicherheitsstufe 3.

Das weltweit erste mobile Labor des Fraunhofer IBMT der Sicherheitsstufe 3 ist für eine Patientenbehandlung mit angeschlossenem Analyselabor konzipiert. Das Labor kann frei stehend im Feld betrieben werden und benötigt keinerlei weitere Versorgungsleitungen wie Strom- Wasser- oder Abwasseranschluss. An Bord sorgt ein 65 kW Dieselaggregat mit 1000 l Dieseltank für elektrische Energie. Hydraulische Hubstützen ermöglichen eine horizontale Ausrichtung des Fahrzeugs auf vielen Freiflächen. Die für einen sicheren Betrieb wesentlichen Komponenten wurden durch Redundanz oder Diversifikation ausfallsicher gestaltet.

Ein Aufnahme- und Behandlungsraum mit medizinischer Ausstattung bietet einem Arzt eine komfortable Umgebung zur Behandlung von Patienten. Die gewonnen Proben werden dann in einem Labor der biologischen Sicherheitsstufe 3 analysiert, das durch eine Personenschleuse zu erreichen ist.

Die Erstausstattung des Labors ist für die Behandlung von HIV- und TB-Patienten ausgelegt. Die Installationen der Systeme sind flexibel gestaltet, um je nach Bedarf Systeme nachzurüsten oder schnell auszutauschen.

Zur generellen Ausstattung des Labors gehören zwei Sterilwerkbänke HERAsafe KSP09 ebenso wie ein Durchreiche-Autoklav mit Vakuumdampfsterilisation für die zuverlässige und sichere Vernichtung von Keimen. Mit bis zu 300 l Flüssigstoff gekühlte Behälter an Bord machen das Labor außerdem zu einem fahrenden Kryolager.

 

Der flexible Aufbau des Labors ermöglich einen Einsatz für unterschiedliche Anwendungsfälle in vielen Ländern und Regionen weltweit. Das standardisierte Sattelauflegerformat erlaubt ein Versenden des Labors als Seefracht zu günstigen Konditionen. Das Fahrzeug ist unabhängig von der Zugmaschine, die vor Ort für die Weiterfahrt angemietet werden kann. Für den internationalen Einsatz als Hochsicherheitslabor und natürlich auch für den Normalbetrieb wurde bei der Ausstattung auf verfügbare Serviceunterstützung in den meisten Ländern der Welt geachtet. Die eingebauten Kommunikationsmittel (z. B. Satellitentelefon) gewährleisten zudem eine Fernüberwachung und Steuerung des Aufliegers. Auf die gewonnen Daten kann online zugegriffen werden.