Kühlelemente

In der Welt der Wellpappverpackungen spielen Kühlelemente eine zentrale Rolle. Ihr Einsatz trägt dazu bei, die Frische und Qualität von transportierten Produkten über die gesamte Lieferkette hinweg zu sichern. Insbesondere bei temperaturempfindlichen Waren wie Lebensmitteln, medizinischen Produkten oder Chemikalien sind sie unverzichtbar. Die Wellstar-Packaging GmbH bietet in ihrem Sortiment verschiedene Arten von Kühlelementen an, die optimal auf Wellpappverpackungen abgestimmt sind. Entscheidend für die Leistung sind die korrekte Vorkonditionierung der Elemente, die Platzierung im Packgut, die Isolationswirkung der Umverpackung sowie die zu erwartenden Umgebungsbedingungen. In Kombination mit geeigneten Kartonagen, Isoliereinlagen und einem passenden Verschluss lassen sich definierte Temperaturbereiche über festgelegte Laufzeiten stabil halten. Ergänzend wirkt sich ein gut geplantes Packmuster, die Minimierung von Leerräumen und die Auswahl geeigneter Füll- und Barrierewerkstoffe positiv auf die Temperaturführung und die Integrität der Wellpappverpackung aus. Durch die systematische Abstimmung von Kühlelementen, Isolationsaufbau und Versandprozessen wird die Kühlkette zuverlässiger und reproduzierbar.

Definition: Was versteht man unter Kühlelementen?

Das Wort „Kühlelemente“ beschreibt Vorrichtungen oder Geräte, die dazu dienen, eine konstante, kühle Temperatur aufrechtzuerhalten. Sie können aus unterschiedlichen Materialien bestehen und in verschiedenen Formen und Größen erhältlich sein. Zumeist werden sie für den Transport von verderblichen Waren verwendet, um eine angemessene Kühlung zu gewährleisten. Die Kombination aus Kühlelementen und Wellpappe ermöglicht eine effektive und sichere Isolierung. Technisch kommen häufig sogenannte Phase-Change-Materialien (PCM) zum Einsatz, die beim Phasenwechsel Wärme aufnehmen oder abgeben und so eine Zieltemperatur stabilisieren. Gängige Schmelz- bzw. Zielbereiche sind etwa -21 °C (tiefgekühlt), 0 °C, +2 bis +8 °C (Kühlware) oder +15 bis +25 °C (Temperaturschutz für sensible Güter). Die Umhüllung besteht meist aus PE/PA-Folien, Blistern oder HDPE-Behältern, die mit Wasser, Gel oder Salz-Hydraten befüllt werden. Kühlelemente existieren als wiederverwendbare Varianten und als Einweg-Lösungen; für Anwendungen mit Lebensmittelkontakt kommen migrationsarme Materialien zum Einsatz. Entscheidend ist die nutzbare Kältekapazität (Latentwärme plus sensible Wärme), die in Relation zur Wärmelast der Umverpackung und der Umgebungstemperatur steht. Zusätzlich beeinflussen Formfaktor, Dichtigkeit der Schweißnähte, Oberflächenbeschaffenheit sowie die Leistungsdaten der Vorkonditionierung (Temperatur, Dauer) die Stabilität des Zielbereichs.

Temperaturbereiche und Laufzeiten

Die Leistungsdauer von Kühlelementen hängt von mehreren Faktoren ab: Masse und Anzahl der Elemente, Temperaturdifferenz zur Umgebung, Isolationsgrad der Umverpackung, Masse und spezifische Wärmekapazität des Packguts sowie der verfügbare Luftraum im Paket. In der Praxis werden Zielbereiche wie 2–8 °C oder 15–25 °C durch geeignete PCM-Kombinationen und eine definierte Anordnung im Karton erreicht. Sommer- und Winterprofile (unterschiedliche Außentemperaturen) erfordern gegebenenfalls angepasste Set-ups. Für eine belastbare Planung werden die Wärmelasten (leitungs- und konvektive Anteile, Infiltration durch Öffnungen, Produktstarttemperatur) abgeschätzt und der Kältevorrat (Latentwärme der PCM plus sensibler Anteil) entsprechend dimensioniert. Eine Validierung über reale Profile (z. B. Tag-/Nachtwechsel, Wartezeiten beim Umschlag) erhöht die Aussagekraft gegenüber reinen Laborwerten.

Arten von Kühlelementen in der Wellpappeverpackung

Zu den gängigen Typen von Kühlelementen gehören Kühlakkus, Trockeneis oder auch gelbasierte Kühlpads. Kühlakkus sind wiederbefüllbare Behältnisse, die eine Kühllösung enthalten und im Gefrierschrank vorgekühlt werden. Sie sind nachhaltig und wiederverwendbar. Trockeneis hingegen kann extrem niedrige Temperaturen erreichen und wird oft zum Transport von medizinischen Proben oder Chemikalien verwendet. Gelpads bieten eine flexible Option, da sie eine Vielzahl von Formen annehmen können, um sich an die Verpackung anzupassen. Ergänzend werden eutektische Platten (Plates), flexible PCM-Matten und wasserbasierte Eis-Packs eingesetzt, um Zwischenräume zu füllen oder gezielte Kältepunkte zu setzen. Je nach Einsatzfall spielen auch Aspekte wie Wiederverwendung, Rückführung, Reinigung, Leckageschutz, Kondensationsmanagement und mechanische Beständigkeit (z. B. gegen Quetschung im Paketstrom) eine Rolle.

• Kühlakkus / eutektische Platten: robust, wiederverwendbar, definierte Schmelzpunkte; benötigen ausreichend Vorkühlzeit und Platz. In Wellpappverpackungen eignen sie sich für Deckel- und Seitenlagen sowie für Sandwich-Aufbauten, sofern die Flächenlast gleichmäßig verteilt wird und keine punktuellen Druckspitzen auf die Wellstruktur wirken.
• Gelpads / Eis-Packs: flexibel, passen sich der Kontur des Produkts an; können Kondenswasser bilden, benötigen geeignete Barrieren. Vorteilhaft sind dichte Sekundärhüllen oder Leckschutzbeutel, um die Feuchte fernzuhalten und die Wellpappe vor Aufweichen zu schützen.
• Trockeneis (CO₂, fest): sehr niedrige Temperatur, hohe Kälteleistung; erfordert Entlüftung, geeignete Kennzeichnung und besondere Handhabung. Für thermisch empfindliche Oberflächen sollten Abstandshalter und isolierende Zwischenlagen verwendet werden, um extremen Kälteschock zu vermeiden.
• Flexible PCM-Matten: flächige Temperaturstabilisierung; gut für seitliche Auskleidung und Lagenstapelung geeignet. Sie reduzieren lokale Hotspots und unterstützen eine homogene Temperaturführung im Nutzraum.

Trockeneis: Besonderheiten bei Lagerung und Handling

Trockeneis sublimiert zu CO₂-Gas, weshalb eine ausreichende Belüftung und eine nicht luftdicht versiegelte Umverpackung notwendig sind. Direkter Kontakt mit frostempfindlichen Produkten ist zu vermeiden; häufig werden Zwischenlagen, Einsteckhüllen oder Abdeckfolien genutzt. Zudem ist die Kennzeichnung und Einhaltung einschlägiger Transportvorschriften zu beachten. Aufgrund der Gasentwicklung sind Druckentlastungswege vorzusehen; perforierte Einsätze oder konstruktive Entlüftungen in Kombination mit geeigneten Isoliereinlagen verhindern Überdruck und schützen die Wellpappstruktur vor Feuchte durch Kondensation. Für Zwischenlagerung gilt: in isolierten, gut belüfteten Bereichen aufbewahren, Berührung mit ungeschützten Händen vermeiden und nur mit geeigneten Hilfsmitteln dosieren.

Anwendung von Kühlelementen in der Verpackungsindustrie

Kühlelemente werden in der Verpackungsindustrie in erster Linie verwendet, um die Temperatur von Produkten während des Transports zu kontrollieren. Ob Lebensmittel, Medikamente, Blumen oder empfindliche Elektronik – ohne die richtige Kühlung würden viele Produkte ihre Qualität und ihren Wert verlieren. Wellpappverpackungen mit integrierten Kühlelementen können die Temperatur für bestimmte Zeiträume konstant halten und somit die Produktqualität sicherstellen. Sie sind eine kosteneffiziente und umweltfreundliche Lösung für den Versand von temperaturempfindlichen Produkten. In der Praxis umfasst der Prozess die Vorkonditionierung der Kühlelemente, die Vorbereitung der Umverpackung, die korrekte Platzierung (Boden, Seiten, Deckel) und die abschließende Kontrolle des Verschlusses. Für den hygienischen Versand von Lebensmitteln werden häufig Auskleidungen oder Leckschutzbeutel verwendet, um Kondenswasser und Feuchtigkeit von der Umverpackung fernzuhalten. Bei pharmazeutischen Sendungen sind kalibrierte Temperaturlogger und definierte Packmuster verbreitet. Zusätzlich unterstützen standardisierte Packanweisungen, Etiketten zur Temperaturführung und Hinweise zur Handhabung (z. B. „Kühl lagern“) die Prozesssicherheit entlang der Kühlkette.

Platzierung und Packmuster

Die Anordnung der Kühlelemente beeinflusst die Temperaturverteilung wesentlich. Seitliche Platzierung kombiniert mit Deckelelementen sorgt für eine gleichmäßigere Konvektion als eine reine Bodenlage. Öffnungen und Hohlräume sollten so gewählt werden, dass eine kontrollierte Luftzirkulation möglich bleibt, ohne die Isolationsleistung zu beeinträchtigen. Eine definierte Reihenfolge beim Packen (z. B. Bodenlage – Produkt – seitliche Elemente – Deckellage) erhöht die Reproduzierbarkeit. Bewährt haben sich symmetrische Set-ups sowie Abstands- und Polsterelemente, die Kältebrücken vermeiden und den direkten Kontakt mit frostempfindlichen Oberflächen verhindern. Für 2–8 °C werden häufig Deckel- und Seitenlagen mit PCM verwendet („Cold-Top“-Strategie), während Sandwich-Aufbauten bei hohen Außentemperaturen die Stabilität weiter verbessern.

Vorkonditionierung und Lagerung der Kühlelemente

Die Vorkonditionierung ist ein zentraler Stellhebel. Kühlelemente sollten gleichmäßig, ausreichend lange und ohne Überstapelung vorkonditioniert werden, damit der Ziel-Phasenbereich vollständig erreicht wird. Für eutektische Platten gilt: je nach Schmelzpunkt mehrere Stunden bis Tage bei definierter Temperatur temperieren, Temperaturfühler oder Proben zur Kontrolle nutzen. Lagergeräte dürfen nicht überfüllt werden; Luftzirkulation und Abstand zwischen den Elementen verbessern die Homogenität. Nach der Entnahme sind die Elemente zügig zu verpacken, um Aufwärmprozesse zu minimieren. Feuchte Oberflächen werden vor dem Einlegen abgewischt, um die Wellpappe vor Aufweichen zu schützen.

Isolationsmaterialien und Wellpappqualitäten

Die Umverpackung beeinflusst die thermische Performance. Doppel- oder Tripelwellpappqualitäten erhöhen die Wandstärke und reduzieren den Wärmedurchgang. Zusätzliche Isoliereinlagen aus papierbasierten Vliesen, Zellulose, Fasermatten oder Schäumen senken den effektiven U-Wert. Kanten, Stöße und Deckelbereiche sind potenzielle Wärmebrücken; dichte Verschlüsse und passgenaue Inlays verringern Verluste. Feuchtigkeitsmanagement (Barrierebeutel, Einsätze, Abtropfeinlagen) schützt die Wellpappe und erhält die Stabilität während des Transports.

Auswahl und Dimensionierung

Die passende Auswahl von Kühlelementen richtet sich nach Zieltemperatur, Laufzeit, Transportweg, Jahreszeit sowie dem thermischen Verhalten des Packguts. Relevante Kriterien sind:

• Zielbereich (z. B. 2–8 °C, 15–25 °C) und zulässige Toleranzen.
• Vorkonditionierung (Zeit, Temperatur, Kapazität der Kühlgeräte).
• Isolationsgrad und Wandaufbau der Umverpackung.
• Masse/Volumen von Produkt und Nutzlast, freie Luftvolumenanteile.
• Validierung unter Sommer-/Winterprofilen und Worst-Case-Szenarien.

Für die Auslegung sind neben dem Isolationsaufbau insbesondere relevante Abmessungen für den Kühlversand des Packguts und das resultierende Nutzvolumen maßgeblich, da sie die Anzahl und Größe der benötigten Kühlelemente bestimmen. Eine praxisnahe Dimensionierung berücksichtigt die Wärmelast (U·A·ΔT·t), interne Wärmequellen (Produkttemperatur, Vorwärme der Luft) sowie den Kältevorrat der PCM (Latentwärme plus sensible Anteile ober- und unterhalb des Schmelzpunktes). Toleranzeinflüsse wie Undichtigkeiten, häufiges Öffnen, Umwegzeiten in Umschlagpunkten oder Verzögerungen im Zustellprozess werden als Sicherheitszuschläge kalkuliert. Messprogramme mit Datenloggern und wiederholten Testläufen erhöhen die Reproduzierbarkeit und helfen, Set-ups zu standardisieren.

Vor- und Nachteile von Kühlelementen

Kühlelemente bringen viele Vorteile mit sich, aber auch einige Nachteile. Sie ermöglichen den sicheren Versand von verderblichen Produkten und sind oft wiederverwendbar, was sowohl umweltfreundlich als auch kosteneffizient ist. Zudem sind sie in verschiedenen Ausführungen erhältlich, was eine Anpassung an individuelle Verpackungsbedürfnisse ermöglicht. Ein Nachteil von Kühlelementen ist, dass sie Vorbereitung und Pflege erfordern – sie müssen vorgekühlt und nach Gebrauch gereinigt werden. Zudem kann ihre Hinzufügung zur Verpackung das Gesamtgewicht erhöhen, was zu höheren Versandkosten führt. Trotz dieser Herausforderungen sind die Vorteile von Kühlelementen klar erkennbar, insbesondere wenn es um die Aufrechterhaltung der Produktqualität geht. Zusätzlich ist zu beachten, dass Kondenswasserbildung und Feuchteeintrag die Umverpackung beeinflussen können; geeignete Barrieren und Einlagen reduzieren dieses Risiko. Bei unsachgemäßer Anwendung kann es zu Unter- oder Überkühlung kommen; eine dokumentierte Packreihenfolge und die Schulung des Personals minimieren diese Risiken.

• Vorteile: Temperaturstabilität, Schutz der Produktqualität, flexible Formen und Größen, wiederverwendbare Optionen, planbare Laufzeiten, netzunabhängige Kühlung und gute Skalierbarkeit für unterschiedliche Sendungsgrößen.
• Nachteile: zusätzlicher Platz- und Gewichtsbedarf, Vorkonditionierungsaufwand, potenzielle Kondensation, bei Trockeneis besondere Sicherheitsanforderungen, zusätzlicher Energiebedarf für das Vorkühlen sowie Rückführungslogistik bei Mehrweg-Systemen.

Handhabung und Sicherheit

Eine sachgerechte Handhabung erhöht die Prozesssicherheit und Reproduzierbarkeit:

• Vorkonditionierung gemäß Herstellerangabe (ausreichend lange, gleichmäßig, ohne Überstapelung im Gefriergerät).
• Verwendung sauberer, trockener Einlagen oder Beutel, um Feuchte in der Umverpackung zu minimieren.
• Direkten Kontakt zu frostempfindlichen Produkten vermeiden; Zwischenlagen einsetzen.
• Bei Trockeneis: Schutzhandschuhe nutzen, gute Belüftung sicherstellen, geeignete Kennzeichnung beachten.
• Paket nach dem Befüllen zügig verschließen, um Wärmeaufnahme zu begrenzen.

Umweltaspekte und Entsorgung

Wiederverwendbare Kühlelemente reduzieren Abfall, erfordern jedoch Rückführungs- oder Mehrwegkonzepte. Wasserbasierte Kühlmedien können in der Regel über den Hausmüll entsorgt werden, sofern lokale Vorgaben eingehalten werden; Salz-Hydrate und Gelmedien sind gemäß den jeweiligen Hinweisen zu behandeln. Trockeneis sublimiert rückstandsfrei, birgt jedoch aufgrund der CO₂-Freisetzung besondere Anforderungen an die Belüftung. Zusätzlich spielen Materialauswahl (Rezyklatanteile, papierbasierte Inlays), Reparierbarkeit und Reinigbarkeit der Kühlelemente sowie die Optimierung von Volumengewichten eine Rolle, um Ressourcen zu schonen und die Recyclingfähigkeit der Wellpappverpackung zu erhalten.

Validierung und Dokumentation

Für sensitive Lieferketten werden Packmuster validiert und mittels Temperaturlogging überwacht. Typisch sind Leistungsnachweise unter Sommer- und Winterprofilen, um die Einhaltung des Zielbereichs über die definierte Laufzeit zu belegen. Standardisierte Prozesse (Packanweisungen, Checklisten) erleichtern die reproduzierbare Anwendung im Alltag. Ergänzend werden Alarmgrenzen definiert, Logger regelmäßig kalibriert und Grenzfälle (z. B. verlängerte Zustellfenster) simuliert. Ergebnisberichte enthalten Packmuster, Vorkonditionierungsparameter, Loggerpositionen, Profile und Auswertungen, um die Vergleichbarkeit zwischen Chargen und Sendungen sicherzustellen.

Zusammenfassung:

• Kühlelemente sind nützliche Werkzeuge in der Logistik, die dazu dienen, temperaturempfindliche Produkte während des Transports kühl zu halten.
• Sie können perfekt mit Wellpappenverpackungen kombiniert werden, um eine effiziente Isolierung zu gewährleisten und so die Qualität der Produkte zu erhalten.
• Es gibt unterschiedliche Arten von Kühlelementen, wie Kühlpads, Kühlpäckchen oder Kühlgel, die nach Bedarf ausgewählt und in den Verpackungsprozess integriert werden können.
• Leistung und Laufzeit hängen von Vorkonditionierung, Isolationsgrad, Packmuster und Umgebungsbedingungen ab.
• Eine sorgfältige Handhabung sowie Validierung der Set-ups verbessert die Temperaturstabilität und erhöht die Transportsicherheit.
• Die korrekte Dimensionierung berücksichtigt Wärmelasten, Kältevorrat und relevante Abmessungen des Nutzraums, um Zielbereiche über definierte Laufzeiten zuverlässig zu halten.