¿Cuál es la temperatura de una criocámara?

La palabra "criogenia" evoca escenarios de ciencia ficción comunes en libros y películas, como cuerpos que se congelan para viajes espaciales de un año luz o para ser despertados en un futuro lejano. 

Una imaginería que ha generado mucha confusión en torno a la realidad científica de la criogenia y la cámara criogénica, difundiendo opiniones muy polarizadas como: podemos hacerlo como en las películas / todo es una tontería.

En realidad, la criogenia es una tecnología que existe y se aplica en numerosos sectores, desde la medicina hasta la investigación científica, aunque todavía está lejos de su representación en la ficción.

Hoy veremos qué es una criocámara, qué temperatura alcanza y cuáles son sus aplicaciones.

¿Qué es una criocámara?

La criogenia proviene del griego y significa "generación de frío". Por eso es el nombre que usamos para todas aquellas tecnologías diseñadas para producir temperaturas extremadamente bajas.

Si bien el término se refiere a la generación de frío en sí, hoy en día se utiliza para todos los dispositivos capaces de generar temperaturas inferiores a las de los congeladores ultrabajos. El umbral comúnmente aceptado es de -145 °F, o -230 °F.

De hecho, para superar ese umbral, es necesario utilizar fluidos criogénicos, es decir, gases líquidos caracterizados por temperaturas extremadamente bajas. Generalmente se utiliza nitrógeno líquido.

Por lo tanto, una criocámara es un instrumento de laboratorio diseñado específicamente para alcanzar estas temperaturas extremas con la ayuda de fluidos criogénicos.

Las criocámaras son siempre entornos sellados herméticamente, dentro de los cuales se pueden lograr estas condiciones ambientales, pero pueden ser de diversos tamaños dependiendo de los campos de aplicación.

Pero ¿ para qué sirve una criocámara?

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¿Para qué se utiliza una criocámara?

La generación de entornos con temperaturas extremadamente bajas puede tener muchos usos, que, sin embargo, se pueden dividir en dos campos principales: la crioterapia y la criopreservación.

La crioterapia es una de las aplicaciones más conocidas de las criocámaras, especialmente en los campos de la medicina deportiva y el bienestar. 

Esta técnica consiste en exponer el cuerpo, o partes de él, a temperaturas extremadamente bajas durante periodos cortos, generalmente entre -110 °C y -140 °C. Durante una sesión de crioterapia, el cuerpo responde a la drástica caída de temperatura reduciendo el flujo sanguíneo en la zona expuesta, lo que puede disminuir la inflamación y el dolor. Este tratamiento es muy valorado por sus beneficios antiinflamatorios, analgésicos y de recuperación muscular, que aceleran la curación y mejoran el rendimiento deportivo.

La criopreservación, por otro lado, es de interés para la investigación médica y científica. Estas temperaturas son ideales para preservar eficazmente ciertos tipos de muestras biológicas, como células, tejidos, embriones y otros materiales genéticos. 

A temperaturas extremadamente bajas, la actividad biológica se detiene casi por completo, lo que permite el almacenamiento a largo plazo sin degradación. 

¿Criocámara, congelador o ultra-ultra congelador?

Sin embargo, las criocámaras no son la única herramienta utilizada en la investigación médica y científica para preservar muestras. También se incluyen congeladores y congeladores de ultrabaja temperatura.

Los primeros suelen alcanzar temperaturas entre -15° y -25°, mientras que los segundos pueden llegar incluso a los -80°.

Como se puede deducir de lo que ya hemos dicho, las criocámaras son, con diferencia, las que mejor funcionan de las tres, alcanzando al menos -145° para ser consideradas como tales, y son las únicas que utilizan nitrógeno líquido como medio de refrigeración.

Sin embargo, este rendimiento conlleva un alto coste en términos de energía y materias primas y, por consiguiente, también en términos económicos.

Por este motivo, los institutos de investigación utilizan congeladores de temperatura ultrabaja para la mayoría de las muestras , especialmente si el período de almacenamiento no necesita ser excesivamente largo.

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Normas de referencia

• ISO 21009-2 — Recipientes criogénicos: Recipientes con aislamiento al vacío estático, requisitos operativos, requisitos para recipientes criogénicos al vacío para almacenamiento de LN2/LHe.
• EN 13458 — Recipientes criogénicos: Recipientes con aislamiento al vacío estático, diseño, construcción, inspección y ensayos conforme a la normativa europea PED.
• CGA P-12 — Manipulación segura de líquidos criogénicos: Directrices de seguridad estadounidenses para operadores de sistemas criogénicos.
• ASTM E1530 — Método de prueba estándar para evaluar la resistencia a la transmisión térmica mediante la técnica del medidor de flujo de calor protegido, aplicable a la caracterización del aislamiento MLI.
• ISO 23208 — Recipientes criogénicos: Limpieza para servicio criogénico, requisitos de limpieza para sistemas de oxígeno líquido y fluidos reactivos.
• ISO 11114 — Cilindros de gas: Compatibilidad de los materiales del cilindro y de la válvula con el contenido de gas.

Fuentes autorizadas

• CGA – Asociación de Gases Comprimidos. Organización de referencia estadounidense para la seguridad de los gases comprimidos y los líquidos criogénicos.
• CEN – Comité Europeo de Normalización. Mantiene la serie EN 13458 para recipientes criogénicos según la Directiva PED 2014/68/UE.
• ISO – Organización Internacional de Normalización. Publica la norma ISO 21009 y normas relacionadas para recipientes criogénicos.

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Preguntas frecuentes sobre la temperatura de la cámara criogénica

¿Qué temperaturas mínimas se pueden alcanzar?

Las criocámaras industriales cubren diferentes rangos de temperatura según el fluido de trabajo. Los sistemas de cascada mecánica que utilizan R23/R170 alcanzan -90/-100 °C con compresores de cascada, sin consumibles pero con capacidad de enfriamiento limitada (típicamente 500-3000 W a -90 °C). Los sistemas de CO2 líquido (intercambiador sumergido en LCO2) alcanzan -78,5 °C, punto de sublimación, con inyección directa rápida y autonomía que depende del dewar (2000-5000 L típico). Los sistemas de LN2 con inyección directa o intercambiador cubren -100/-196 °C (punto de ebullición del nitrógeno a 1 atm), con velocidades de enfriamiento excepcionales (>60 °C/min) y alta versatilidad. Los sistemas LHe alcanzan -269 °C (4,2 K) para aplicaciones superconductoras y calificación espacial. La elección depende de la aplicación: el arranque en frío automotriz -40 °C utiliza cascada; el almacenamiento farmacéutico -80 C utiliza una cascada impulsada o CO2; La simulación espacial a -150 °C requiere nitrógeno líquido (LN2); la computación cuántica requiere helio líquido (LHe) con un refrigerador de dilución.

¿Cuál es la diferencia entre LN2, CO2 y cascada mecánica?

La comparación del TCO (Costo Total de Propiedad) pone de manifiesto diferencias sustanciales. Cascada mecánica: alta inversión (30-80 kEUR), bajos costos operativos (solo electricidad, ~3-8 kW a -80 °C), sin logística de consumibles, mantenimiento ordinario del compresor cada 5-10 años. CO2 líquido: baja inversión (10-25 kEUR), costos de consumibles medios (150-300 EUR/semana para un dewar de 180 L), alta velocidad de enfriamiento (>20 °C/min), aplicable hasta -80 °C, consumo de 2-5 kg ​​de CO2 por cada descenso desde la temperatura ambiente hasta -70 °C en una cámara de 500 L. LN2: inversión media (20-50 kEUR), costes de consumibles variables (0,3-1,2 EUR/L LN2), velocidad de refrigeración extrema, requiere almacenamiento en dewar de 5000-20000 L con tomas de corriente en carretera y permisos de bomberos, consumo de 3-8 L LN2 por litro de volumen de cámara para cada descenso profundo. La elección óptima integra la frecuencia de uso, el tiempo de ciclo, la temperatura mínima requerida y la disponibilidad logística de consumibles.

¿Cómo se aísla una criocámara?

El aislamiento térmico es fundamental para limitar la fuga de calor y el consumo de energía. Las criocámaras profesionales integran: (1) paredes de vacío con cámara interna sellada, vacío de 1e-4 mbar mantenido por absorbedores moleculares o bombas turbo; (2) MLI (aislamiento multicapa) entre la cámara interna y la carcasa externa, 30-50 capas de Mylar aluminizado con un espesor total de 20-40 mm, conductividad equivalente de 1e-5 W/m K; (3) de baja conductividad o fibra de vidrio G-10 con longitud máxima para minimizar la conducción; (4) pantallas de radiación a 77 K (si se dispone de LN2) para reducir la radiación de la carcasa externa; (5) conductos para cables con alambres de manganina o bronce fosforoso de baja conductividad térmica. Las fugas de calor típicas para una criocámara de 500 L con MLI bajo vacío son: 5-15 W a -150 °C y 30-80 W a 77 K. La medición directa de las fugas de calor se realiza mediante el método de evaporación de LN2, pesando el consumo a lo largo del tiempo y calculando la potencia dispersa.

¿Cuáles son los riesgos de seguridad de la ODH en las criocámaras?

riesgo de deficiencia de oxígeno (ODH) es el más grave en los sistemas criogénicos: 1 L de LN2 en evaporación produce 696 L de gas nitrógeno a 20 °C, suficiente para reducir el O2 por debajo del 19,5 % en una habitación de 50 m3 con poca ventilación. La pérdida de conciencia debido a la hipoxia puede ser rápida (< 30 s) sin advertencia sensorial. Medidas de mitigación obligatorias CGA P-12: (1) sensores de O2 con alarma sonora al 19,5 % y corte al 18 % (cerca de la cámara y la salida de la habitación); (2) ventilación mecánica con cambios de aire >= 6 veces/h y caudal > consumo de N2 evaporable en caso de fallo; (3) detectores de fugas de gas trazador formación específica del operador con EPI (equipo de respiración autónomo para intervenciones de emergencia); (5) pictogramas y señales de advertencia ADR 2.2. Riesgos secundarios: quemaduras por contacto con frío (guantes criogénicos, visera), sobrepresión por evaporación en un entorno cerrado (válvulas de seguridad en recipientes Dewar, tanques de expansión), fragmentación de metales fragilizados (aceros ferríticos reducidos a astillas por debajo de -100 °C, usar solo acero austenítico AISI 316L).