Qual è la Temperatura di una Criocamera?

La parola “criogenesi” evoca scenari fantascientifici comuni in libri e film come i corpi che vengono congelati per affrontare viaggi spaziali lunghi anni luce o per essere risvegliati in un remoto futuro. 

Un immaginario che ha creato molta confusione intorno alla realtà scientifica della criogenesi e della criocamera, diffondendo opinioni molto polarizzate del tipo: possiamo fare come nei film / è tutta una sciocchezza.

In realtà, la criogenesi è tecnologia realmente esistente e applicata in numerosi settori, dalla medicina alla ricerca scientifica, sebbene sia (ancora) lontana dalla sua rappresentazione finzionale.

Oggi vediamo cosa è una criocamera, che temperatura raggiunge e quali sono le sue applicazioni.

Cos’è una Criocamera?

Criogenia viene dal greco e vuol dire generazione del freddo. Per questo è il nome che adoperiamo per tutte quelle tecnologie ideate per produrre temperature estremamente basse.

Nonostante il termine alluda alla generazione del freddo in sé, oggi è adoperato per tutti quei dispositivi che possono generare temperature che vanno al di sotto di quelle degli ultracongelatori. La soglia comunemente condivisa è -145° ovverosia -230 F.

Infatti, per superare quella soglia è necessario l’utilizzo di fluidi criogenici, cioè gas allo stato liquido caratterizzati dalle temperature estremamente basse. In genere si usa l’azoto liquido.

Una criocamera quindi è uno strumento da laboratorio specificatamente progettato per raggiungere queste temperature estreme con l’ausilio di fluidi criogenici.

Le criocamere sono sempre degli ambienti ermeticamente isolati dall’esterno, all’interno dei quali è possibile raggiungere queste condizioni ambientali, ma possono essere di varie dimensioni a seconda dei campi di applicazione.

Ma quindi, a cosa serve una criocamera?

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A Cosa serve una Criocamera?

Generare ambienti con temperature estremamente basse può avere molte utilità che possiamo però dividere in due campi principali: crioterapia e crioconservazione.

La crioterapia è una delle applicazioni più note delle criocamere, particolarmente nel campo della medicina sportiva e del benessere. 

Questa tecnica consiste nell’esporre il corpo o parti di esso a temperature estremamente basse per brevi periodi, solitamente compresi tra i -110°C e i -140°C. Durante una sessione di crioterapia, il corpo reagisce alla riduzione drastica della temperatura riducendo il flusso sanguigno nella zona esposta, il che può ridurre l’infiammazione e il dolore. Questo trattamento è molto apprezzato per i suoi benefici anti-infiammatori, analgesici e per il recupero muscolare, accelerando la guarigione e migliorando la performance atletica.

La crioconservazione invece interessa la ricerca medica e scientifica. Quelle temperature sono infatti ideali per conservare efficacemente alcuni tipi di campioni biologici, come cellule, tessuti, embrioni e altri materiali genetici. 

A temperature estremamente basse, l’attività biologica si arresta quasi completamente, permettendo la conservazione a lungo termine senza degradazione. 

Criocamera, Congelatore o UltraCongelatore?

Tuttavia le criocamere non sono l’unico strumento di cui si serve la ricerca medica e scientifica per la conservazione dei campioni. Accanto ad esse troviamo infatti congelatori ed ultracongelatori.

I primi raggiungono in genere temperature comprese tra i -15° e i -25°, mentre i secondi toccano anche i -80°.

Come si può dedurre da ciò che abbiamo già detto, le criocamere sono di gran lunga le più performanti tra i tre, toccando almeno i -145° per essere definite tali e sono le uniche ad utilizzare l’azoto liquido come mezzo di raffreddamento.

Questa performatività però comporta un elevato costo in termini di energia e materie prime e, di conseguenza, anche in termini economici.

Per questo motivo, per la maggior parte dei campioni, gli istituti di ricerca utilizzano gli ultracongelatori, specialmente se il periodo di conservazione non deve essere eccessivamente lungo.

Ne abbiamo parlato più approfonditamente qui.

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Normative di Riferimento

• ISO 21009-2 — Cryogenic vessels: Static vacuum insulated vessels, operational requirements, requisiti per recipienti criogenici a vuoto per stoccaggio LN2/LHe.
• EN 13458 — Cryogenic vessels: Static vacuum insulated vessels, design, construction, inspection and testing per normativa europea PED.
• CGA P-12 — Safe Handling of Cryogenic Liquids: linee guida americane di sicurezza per operatori di sistemi criogenici.
• ASTM E1530 — Standard Test Method for Evaluating the Resistance to Thermal Transmission by the Guarded Heat Flow Meter Technique, applicabile alla caratterizzazione isolamenti MLI.
• ISO 23208 — Cryogenic vessels: Cleanliness for cryogenic service, requisiti puliza per sistemi ossigeno liquido e fluidi reattivi.
• ISO 11114 — Gas cylinders: Compatibility of cylinder and valve materials with gas contents.

Fonti Autorevoli

• CGA – Compressed Gas Association. Ente americano di riferimento per sicurezza gas compressi e liquidi criogenici.
• CEN – European Committee for Standardization. Cura la serie EN 13458 per recipienti criogenici sotto Direttiva PED 2014/68/UE.
• ISO – International Organization for Standardization. Pubblica ISO 21009 e standard connessi per vessels criogenici.

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Domande Frequenti sulla Temperatura in Criocamera

Quali temperature minime sono raggiungibili?

Le criocamere industriali coprono diverse fasce termiche secondo il fluido di lavoro. Sistemi cascade meccanici a R23/R170 raggiungono -90 / -100 C con compressori in cascata, senza consumabili ma con potenza frigorifera limitata (tipicamente 500-3000 W a -90 C). Sistemi CO2 liquido (scambiatore immerso in LCO2) arrivano a -78,5 C, punto di sublimazione, con iniezione diretta rapida e autonomia dipendente da dewar (2000-5000 L tipici). Sistemi LN2 a iniezione diretta o scambiatore coprono -100 / -196 C (punto di ebollizione azoto a 1 atm), con rate di raffreddamento eccezionali (>60 C/min) e versatilita elevata. Sistemi LHe raggiungono -269 C (4,2 K) per applicazioni superconduttori e qualifica spaziale. La scelta dipende dall’applicazione: automotive cold start -40 C usa cascade; pharma storage -80 C usa cascade spinto o CO2; space simulation -150 C richiede LN2; quantum computing richiede LHe con diluition refrigerator.

Differenza tra LN2, CO2 e cascade meccanico?

Il confronto TCO (Total Cost of Ownership) evidenzia differenze sostanziali. Cascade meccanico: investimento elevato (30-80 kEUR), costi operativi bassi (solo energia elettrica, ~3-8 kW a -80 C), nessuna logistica consumabili, manutenzione ordinaria compressori ogni 5-10 anni. CO2 liquido: investimento contenuto (10-25 kEUR), costi consumabili medi (150-300 EUR/settimana per dewar 180 L), rate di raffreddamento elevato (>20 C/min), applicabile fino -80 C, consumo 2-5 kg CO2 per ogni discesa da ambiente a -70 C su camera 500 L. LN2: investimento medio (20-50 kEUR), costi consumabili variabili (0,3-1,2 EUR/L LN2), rate di raffreddamento estremo, richiede stoccaggio dewar 5000-20000 L con prese stradali e permessi VVF, consumo 3-8 L LN2 per litro volume camera per ogni discesa profonda. La scelta ottimale integra freuqenza d’uso, tempo ciclo, temperatura minima richiesta, disponibilita logistica consumabili.

Come si isola una criocamera?

L’isolamento termico e critico per limitare heat leak e consumi. Le criocamere professionali integrano: (1) pareti a vuoto con camera interna sigillata, vuoto 1e-4 mbar mantenuto da getter molecolari o pompe turbo; (2) MLI (Multi-Layer Insulation) tra camera interna e involucro esterno, 30-50 strati di Mylar aluminizzato con spessore totale 20-40 mm, conducibilita equivalente 1e-5 W/m K; (3) supporti a bassa conduzione in vetroresina o G-10 fiberglass con lunghezza massima per minimizzare conduzione; (4) schermi radiativi intermedi a 77 K (se LN2 disponibile) per ridurre irraggiamento dal guscio esterno; (5) passaggi cavi con fili di manganina o phosphor-bronze a bassa conduzione termica. Heat leak tipici per criocamera 500 L con MLI sotto vuoto: 5-15 W a -150 C, 30-80 W a 77 K. La misura diretta heat leak si esegue con metodo boil-off di LN2 pesando consumo nel tempo e calcolando potenza dispersa.

Quali rischi sicurezza ODH in criocamere?

Il rischio ODH (Oxygen Deficiency Hazard) e il piu grave nei sistemi criogenici: 1 L di LN2 che evapora produce 696 L di gas azoto a 20 C, sufficiente a ridurre O2 sotto il 19,5% in un locale di 50 m3 mal ventilato. La perdita di coscienza per ipossia puo essere rapida (< 30 s) senza preavviso sensoriale. Mitigazioni obbligatorie CGA P-12: (1) sensori O2 a parete con allarme sonoro a 19,5% e cut-off al 18% (in prossimita della camera e uscita locale); (2) ventilazione meccanica con ricambi aria >= 6 volte/h e portata > consumo N2 evaporabile in caso di guasto; (3) rilevatori di perdita tracer gas sui vent; (4) formazione operatori specifica con DPI (maschera autorespiratore per interventi emergenza); (5) segnaletica pittogrammi ADR 2.2 e cartelli di allerta. Rischi secondari: ustioni da freddo contatto (guanti criogenici, visiera), sovrappressione da evaporazione in ambiente chiuso (valvole di sicurezza su dewar, expansion tank), frammentazione metalli infragiliti (acciai ferritici ridotti a schegge sotto -100 C, usare solo AISI 316L austenitico).