Le applicazioni criogeniche comprendono materiali e processi in grado di mantenere una temperatura elevata o di ridurre il volume di un oggetto. Il raffreddamento criogenico e i tunnel di congelamento sono esempi di tali applicazioni. Le soluzioni di tenuta criogeniche possono essere utilizzate per mantenere i materiali in uno stato inerte e prevenire la corrosione.
Raffreddamento criogenico
Il raffreddamento criogenico può essere vantaggioso in diverse applicazioni industriali. Ad esempio, in un processo di lavorazione meccanica, un fluido di raffreddamento freddo può aumentare la forza di taglio e la rottura del truciolo. Inoltre le basse temperature riducono l’attrito, diminuendo la forza necessaria per l’avanzamento di un pezzo in lavorazione. Tuttavia il raffreddamento criogenico non è sempre economicamente conveniente e ci sono diversi errori comuni da evitare.
Oltre a essere più efficiente dal punto di vista energetico, il raffreddamento criogenico ha anche un costo inferiore rispetto ai metodi di raffreddamento meccanici. È inoltre più rapido e consente processi ininterrotti. Inoltre i sistemi criogenici sono più facili da mantenere e da pulire. Questo li rende una scelta migliore per molte applicazioni. Di seguito sono riportati solo alcuni dei numerosi vantaggi del raffreddamento criogenico nelle applicazioni:
In primo luogo, un sistema di raffreddamento criogenico deve essere in grado di mantenere temperature costanti. Il liquido criogenico è estremamente denso e tende ad assorbire calore. Pertanto è importante utilizzare tubazioni isolate sottovuoto di alta qualità per ridurre la probabilità di un assorbimento di calore significativo. In secondo luogo, il liquido criogenico può creare flussi bifase, che comportano una riduzione della portata massica e vibrazioni delle tubazioni.
I sistemi di raffreddamento criogenici devono avere una configurazione a circuito chiuso che tenga conto di diverse considerazioni progettuali. Queste considerazioni comprendono la produzione di freddo, lo scambio termico, la resistenza al flusso e i costi. Queste configurazioni sono spesso iterative e richiedono l’ottimizzazione di una serie di parametri. I punti di partenza di questo processo di progettazione sono la potenza frigorifera richiesta nell’applicazione del cliente, il delta T ottenibile nell’applicazione e la pressione di esercizio del fluido di raffreddamento.
Sebbene il raffreddamento criogenico sia una tecnica utile per raffreddare materiali delicati, è anche un processo rischioso. L’anidride carbonica liquida e l’azoto non sono tossici per l’uomo, ma la loro bassa temperatura può spostare l’ossigeno respirabile in un locale. Se inalati in alte concentrazioni, possono causare sintomi di nausea, vertigini e mal di testa. Ciò significa che è importante utilizzare locali ben ventilati e un monitor dell’ossigeno quando si utilizza il raffreddamento criogenico.
Combustibili criogenici
I combustibili criogenici possono essere utilizzati per diversi scopi. Alcuni combustibili criogenici sono utilizzati nella saldatura di precisione. Altri sono utilizzati a fini medici. Alcuni dei combustibili criogenici più comuni sono argon, azoto e ossigeno. Ad esempio, l’azoto viene utilizzato per mantenere fredda l’area del giunto di saldatura.
I liquidi e i gas criogenici sono in genere conservati in contenitori speciali. Si chiamano recipienti Dewar, dal nome del loro inventore, James Dewar. Questi contenitori sono a doppia parete e presentano un vuoto isolante tra le due pareti. Ciò aiuta a evitare l’accumulo di pressione dovuto all’ebollizione del gas, che potrebbe portare a un’esplosione. Questi liquidi criogenici richiedono inoltre sensori e attrezzature speciali per monitorarne le temperature. In generale, per le applicazioni criogeniche sono preferiti i rilevatori di temperatura a resistenza. Per le temperature più basse si utilizzano speciali diodi al silicio.
I combustibili criogenici sono utilizzati per lo più nei settori manifatturieri. Si prevede che questo segmento rappresenti una quota rilevante dell’intero mercato. Questo segmento è trainato dalla crescita dell’industria manifatturiera nelle economie emergenti, che ha alimentato la domanda di combustibili criogenici. Oltre che nella produzione, i combustibili criogenici sono utilizzati nella ricerca medica e biomedica.
I combustibili criogenici possono essere utilizzati per produrre combustibili liquidi ad alta energia. Questi combustibili possono essere prodotti in grandi quantità e possono anche essere conservati per lunghi periodi. Inoltre sono sicuri per l’ambiente. Uno dei più promettenti è l’idrogeno liquido. L’iniezione di combustibile ad alta pressione criogenica e il condizionamento del combustibile sono importanti per i motori a idrogeno.
I progressi della criogenia iniziarono durante la seconda guerra mondiale, quando i metalli congelati risultarono più resistenti all’usura. La criogenia fu introdotta anche in ambito industriale alla fine degli anni 1960. La prima azienda commerciale di trattamento criogenico fu fondata da Ed Busch, che proveniva dal settore del trattamento termico. Era interessato anche a utilizzare la criogenia per migliorare la durata degli utensili metallici.
Tunnel di congelamento criogenici
I tunnel di congelamento criogenici per applicazioni sono un tipo di congelatore che utilizza basse temperature per conservare e lavorare liquidi o neve. La temperatura del prodotto può essere regolata controllando il flusso di anidride carbonica. Questi congelatori possono gestire un apporto di criogeno maggiore rispetto ad altri tipi di congelatori.
I tunnel di congelamento criogenici sono un’ottima opzione per lavorare grandi volumi di prodotti mantenendo un ingombro ridotto. Aumentano la resa dei prodotti conservandone la consistenza e riducendo al minimo la disidratazione. Questi congelatori sono dotati di nastri trasportatori, ventole di circolazione e sistemi di scarico per contribuire a mantenere l’umidità dei prodotti.
Le principali differenze tra i tunnel di congelamento tradizionali e i congelatori criogenici riguardano il modo in cui i criogeni vengono pompati al loro interno. A differenza dell’azoto liquido, la CO2 liquida viene convogliata nel tunnel ad alta pressione e si espande in una miscela di gas e particelle solide di ghiaccio secco. Queste particelle solide, comunemente note come neve di ghiaccio secco, vengono poi sublimate dal calore del prodotto alimentare. Ciò fa sì che la CO2 assorba il calore, creando un effetto di raffreddamento. Il calore latente di sublimazione è di circa 120 BTU per lb di CO2 solida.
I tunnel di congelamento criogenici sono ampiamente utilizzati nell’industria alimentare. Presentano molti vantaggi, tra cui la capacità di raffreddare rapidamente grandi quantità di alimenti. Questi congelatori possono essere realizzati con un sistema a co-corrente o a controcorrente. Ciò consente di raffreddare il prodotto in modo sicuro e uniforme.
Un tunnel di congelamento criogenico può essere utilizzato per molti tipi diversi di applicazioni. Il vantaggio principale di questo congelatore è che richiede poco spazio e può essere installato in un fine settimana. I tunnel di congelamento criogenici utilizzano azoto liquido per mantenere la temperatura desiderata. L’uso di azoto liquido per raffreddare i prodotti caseari liquidi elimina la necessità di ventole di scarico, che possono essere pericolose. I tunnel di congelamento criogenici sono inoltre economici da acquistare e da mantenere e possono essere installati in modo semplice.
Soluzioni di tenuta criogeniche
Le soluzioni di tenuta criogeniche richiedono una combinazione di materiali in grado di resistere a pressioni e temperature estreme. L’ossigeno liquido è uno dei mezzi più comunemente utilizzati. Queste applicazioni possono avere temperature di esercizio comprese tra -420F e 500F. Per resistere a temperature estreme, le guarnizioni criogeniche devono essere realizzate con i migliori materiali e progettate tenendo conto della massima efficienza. Oltre a scegliere i materiali giusti, è fondamentale anche scegliere il produttore giusto.
I liquidi criogenici vengono utilizzati per stabilizzare e rallentare le reazioni chimiche, garantendo misurazioni e trasporti accurati. In genere consegnati con carri ferroviari o camion, i fluidi criogenici richiedono tenute speciali per un trasporto e una manipolazione sicuri. L’ambiente ostile di questi liquidi può comportare pericoli letali se manipolati in modo scorretto. Sono inoltre altamente infiammabili e possono esplodere a causa della loro rapida espansione.
La tenuta criogenica con azoto liquido è un processo difficile. Pressione e temperatura devono essere controllate con precisione. Inoltre nelle guarnizioni non è consentito l’uso di lubrificanti, che potrebbero causare guasti. Il PTFE è un materiale preferito per le applicazioni criogeniche. La compatibilità chimica, le utili proprietà termiche e la stabilità dimensionale del materiale ne fanno una buona scelta per le guarnizioni criogeniche.
Le soluzioni di tenuta criogeniche possono essere utilizzate in una varietà di applicazioni. La tenuta criogenica statica ad alta pressione può essere ottenuta con guarnizioni metalliche rivestite ad azionamento per flessione. Inoltre, nelle applicazioni di tenuta criogenica statica ad alta pressione possono essere utilizzati progetti prudenti dei giunti a flangia. Le soluzioni di tenuta criogeniche sono state impiegate nel Space Shuttle Main Engine, nel serbatoio esterno e nel Saturn I. Tuttavia sono utili anche per una varietà di altre applicazioni e sistemi.
I polimeri sono un altro materiale utilizzato nelle applicazioni criogeniche. Questi materiali sono rinomati per i loro elevati rapporti resistenza-peso. I polimeri hanno inoltre una bassa conducibilità termica e un’elevata resilienza, il che li rende adatti a un’ampia gamma di applicazioni.
Biobanking criogenico
Il biobanking criogenico è una risorsa estremamente preziosa per i laboratori di ricerca di tutto il mondo. Preserva l’integrità di beni di alto valore mantenendo l’accessibilità e la tracciabilità dei campioni. Con l’aiuto di un sistema software appositamente sviluppato, CryoSMART, i processi nello stoccaggio criogenico vengono monitorati e gestiti. Il software comprende un database con le informazioni sui campioni e un sistema di tracciabilità delle condizioni di conservazione.
Si prevede che il mercato dei servizi di biobanking criogenico crescerà negli anni a venire, grazie alla crescente domanda di campioni biologici. Si prevede inoltre che la domanda di servizi di biobanking criogenico aumenterà con il crescente numero di progetti di ricerca scientifica. Tra i fattori che contribuiscono alla crescita del mercato figurano i maggiori investimenti delle aziende farmaceutiche, la crescente adozione della conservazione del sangue cordonale e l’introduzione di nuove strutture di biopreservazione criogenica.
Il mercato dei servizi di biobanking criogenico è segmentato per regione. Il Nord America è il più grande mercato dei servizi di biobanking criogenico. L’Europa è la seconda regione per dimensioni. Si prevede che il mercato dei servizi di biobanking criogenico raggiungerà USD XX milioni entro il 2029. I servizi di biobanking criogenico vengono utilizzati per conservare biospecimen per la ricerca e lo sviluppo di nuovi farmaci. L’Asia-Pacifico è uno dei mercati emergenti per i servizi di biobanking criogenico.
La crescente importanza del biobanking nella ricerca e sviluppo sta guidando una varietà di tecnologie e strategie per renderli più sostenibili. L’uso dell’azoto gassoso offre numerosi vantaggi. Abbassa la temperatura, riduce il rischio di contaminazione ed è ecologico. Il processo riduce inoltre al minimo i costi e i tempi di manutenzione. È possibile raccogliere biospecimen dalla popolazione generale così come da pazienti esclusivamente a fini di ricerca. Per avviare una biobanca, l’istituzione deve disporre di finanziamenti adeguati per coprire i costi.
L’uso della tecnologia di biobanking criogenico è una parte fondamentale della ricerca clinica. Questi campioni possono aiutare i medici a valutare l’efficacia di nuovi trattamenti e a stabilire se funzionano o meno.
