Жидкость в систему отопления незамерзающая: какую лучше выбрать для отопительной системы дома

Вы здесь

Иллюстрация солнечного водонагревателя.

Жидкости, передающие тепло, переносят тепло через солнечные коллекторы и теплообменник в резервуары для хранения тепла в системах солнечного нагрева воды. При выборе теплоносителя вы и ваш подрядчик по солнечному отоплению должны учитывать следующие критерии:

• Коэффициент расширения — частичное изменение длины (или иногда объема, если указано) материала для изменения температуры на единицу
• Вязкость — устойчивость жидкости к действию сил (и, следовательно, течению).
• Тепловая емкость — способность вещества сохранять тепло.
• Точка замерзания — температура, ниже которой жидкость превращается в твердое вещество.
• Точка кипения — температура, при которой жидкость кипит
• Температура вспышки — самая низкая температура, при которой пары над жидкостью могут воспламениться в воздухе.

Например, в холодном климате солнечным водонагревательным системам требуются жидкости с низкой температурой замерзания. Жидкости, подверженные воздействию высоких температур, как в пустынном климате, должны иметь высокую температуру кипения. Вязкость и теплоемкость определяют необходимое количество энергии накачки. Жидкость с низкой вязкостью и высокой удельной теплоемкостью легче перекачивать, поскольку она менее устойчива к течению и передает больше тепла. Другими свойствами, которые помогают определить эффективность жидкости, являются ее коррозионная активность и стабильность.

Типы теплоносителей

Ниже приведены некоторые из наиболее часто используемых теплоносителей и их свойства. Проконсультируйтесь с специалистом по солнечному отоплению или местным органом власти, имеющим юрисдикцию, чтобы определить требования к теплоносителю в системах солнечного нагрева воды в вашем регионе.

• Воздух
  Воздух не замерзнет и не закипит, и не вызывает коррозии. Тем не менее, он имеет очень низкую теплоемкость и имеет тенденцию вытекать из коллекторов, воздуховодов и заслонок.
• Вода
  Вода нетоксична и недорога. Благодаря высокой удельной теплоемкости и очень низкой вязкости насос легко перекачивается. К сожалению, вода имеет относительно низкую температуру кипения и высокую температуру замерзания. Он также может вызывать коррозию, если pH (уровень кислотности / щелочности) не поддерживается на нейтральном уровне.Вода с высоким содержанием минералов (то есть, «жесткая» вода) может вызывать образование минеральных отложений в коллекторных трубах и трубопроводах системы.
• Смеси гликоль / вода
  Смеси гликоль / вода имеют соотношение гликоль / вода 50/50 или 60/40. Этилен и пропиленгликоль являются «антифризами». Эти смеси обеспечивают эффективную защиту от замерзания, пока поддерживается соответствующая концентрация антифриза. Жидкости антифриза со временем разлагаются и обычно должны заменяться каждые 3–5 лет. Эти типы систем находятся под давлением и должны обслуживаться только квалифицированным специалистом по солнечному отоплению.
• Углеводородные масла
  Углеводородные масла имеют более высокую вязкость и более низкую удельную теплоемкость, чем вода. Они требуют больше энергии для прокачки. Эти масла относительно недороги и имеют низкую температуру замерзания.
  Основными категориями углеводородных масел являются синтетические углеводороды, парафиновые углеводороды и ароматические рафинированные минеральные масла. Синтетические углеводороды относительно нетоксичны и требуют минимального ухода. Парафиновые углеводороды имеют более широкий температурный интервал между температурами замерзания и кипения, чем вода, но они токсичны и требуют двухстенного теплообменника с замкнутым контуром.Ароматические масла являются наименее вязкими из углеводородных масел.
• Хладагенты / жидкости с фазовым переходом
  Они обычно используются в качестве теплоносителя в холодильниках, кондиционерах и тепловых насосах. Они обычно имеют низкую температуру кипения и высокую теплоемкость. Это позволяет небольшому количеству хладагента очень эффективно передавать большое количество тепла. Хладагенты быстро реагируют на солнечное тепло, что делает их более эффективными в облачные дни, чем другие жидкости для переноса.Поглощение тепла происходит, когда хладагент кипит (меняет фазу с жидкости на газ) в солнечном коллекторе. Выделение собранного тепла происходит, когда газообразный хладагент снова конденсируется в жидкость в теплообменнике или конденсаторе.

  .Однако из-за отрицательного влияния, которое ХФУ оказывают на озоновый слой Земли, производство ХФУ постепенно сокращается, равно как и производство гидрохлорфторуглеродов (ГХФУ). Те немногие компании, которые производили солнечные системы с заправкой хладагентом, либо прекратили производство систем полностью, либо в настоящее время ищут альтернативные хладагенты. Некоторые компании исследовали метиловый спирт в качестве замены для хладагентов.

  Если в настоящее время у вас есть солнечная система с зарядом хладагента, и она нуждается в обслуживании, вам следует обратиться к местному специалисту по солнечной или холодильной технике.С 1 июля 1992 года преднамеренная вентиляция ХФУ и ГХФУ во время обслуживания, технического обслуживания или утилизации оборудования, содержащего эти соединения, является незаконной и наказывается жесткими штрафами. Хотя производство ХФУ в США прекратилось в 1996 году, лицензированный специалист по холодильному оборудованию может по-прежнему обслуживать вашу систему. Возможно, вы захотите связаться со своим специалистом по обслуживанию, чтобы обсудить возможную замену хладагента ХФУ метиловым спиртом или другой теплоносителем.

  Аммиак также можно использовать в качестве хладагента.Это обычно используется в промышленных приложениях. Из соображений безопасности он не используется в жилых системах. Хладагентами могут быть водный раствор аммиака или аммиачная смесь хлорида кальция.

• Силиконы
  Силиконы имеют очень низкую температуру замерзания и очень высокую температуру кипения. Они не вызывают коррозию и долговечны. Поскольку силиконы имеют высокую вязкость и низкую теплоемкость, им требуется больше энергии для перекачки. Силиконы также легко протекают даже через микроскопические отверстия в солнечной петле.

  Дополнительную информацию о жидких теплоносителях см. В разделе «Техническое обслуживание и ремонт солнечных водонагревательных систем».

Жидкости для теплопередачи для солнечных водонагревательных систем

Охлаждение жидким азотом

Многие низкотемпературные процессы используют возможности охлаждения и замораживания азота. Узнайте, какие методы используются в каких приложениях и почему.

Химическая перерабатывающая промышленность (ИПЦ) использует азот — в виде газа или жидкости — в широком диапазоне применений (1, 2). Газообразный азот (GAN) может инертных сосудов и продувочных линий, чтобы устранить опасность взрыва и предотвратить нежелательные реакции окисления, которые могут снизить качество продукта.Жидкий азот (LIN) используется в инновационных технологиях охлаждения и замораживания.

LIN — эффективный и удобный хладагент благодаря своей доступности, низкой стоимости и инертным свойствам. Он также является практичным криогеном для большинства низкотемпературных применений из-за его чрезвычайно низкой температуры кипения (–195,8 ° C) и высокой холодопроизводительности при атмосферном давлении. Даже при повышенном давлении тепловые свойства LIN (таблица 1) делают его эффективной охлаждающей средой для быстрого охлаждения процессов до низких температур.

В этой статье описываются методы использования возможностей охлаждения и замораживания жидкого и газообразного азота, а также некоторые конкретные применения в химической и фармацевтической промышленности.

Методы охлаждения LIN

Некоторые технологии охлаждения используют преимущества возможностей охлаждения LIN в периодических или непрерывных процессах.

• Прямое поверхностное (полу-непрямое) охлаждение (рис. 1а). LIN обеспечивает охлаждение через единственную проводящую стенку, холодная поверхность которой замораживает или охлаждает потоки жидкости или газа.
• вторичный контур (непрямой) охлаждение (Рисунок 1b). Температура кипения LIN защищена промежуточной теплоносителем (HTF) для улучшения контроля температуры. Температура HTF может быть настроена на желаемую температуру процесса, такую ​​же низкую, как температура кипения LIN. Затем HTF обеспечивает охлаждение через проводящую стенку для замораживания материалов или охлаждения жидкостей.
• Холодное ГАН-охлаждение (Рисунок 1с). LIN испаряется, и разумная теплоемкость холодной ГАН используется для охлаждения.Дополнительный LIN вводится для контроля температуры. Охлаждение происходит через проводящую поверхность или задувание холодной ГАН непосредственно на охлаждаемые материалы.
• прямой впрыск LIN / охлаждение распылением (Рисунок 1d). LIN впрыскивается или распыляется непосредственно на материалы или процессы. Материалы и процессы охлаждаются скрытой теплотой испарения ЛИН; в зависимости от конструкции системы охлаждения ощутимая теплоемкость холодной ГАН также может способствовать охлаждению.Это эффективное использование холодильной стоимости LIN.
• иммерсионное охлаждение (Рисунок 1e). Прямое погружение в ЛИН охлаждает или замораживает материал. Скорость охлаждения почти полностью зависит от скрытой теплоты испарения ЛИН. Общая скорость теплопередачи, как правило, ниже, чем у прямого впрыскивания LIN / охлаждения распылением, потому что GAN оказывает защитное действие — пузырьки, образующиеся при турбулентном кипении LIN, создают паровой пограничный слой вокруг погруженного материала, тем самым снижая общий коэффициент теплопередачи.

Пригодность конкретного метода охлаждения зависит от применения и характера охлаждаемых материалов или процессов. Холодное GAN-охлаждение, например, является привлекательным вариантом для охлаждения деликатных материалов, в то время как прямое впрыскивание LIN / распыление или иммерсионное охлаждение может повредить структуру материала. Кроме того, можно использовать холодную ГАН и охлаждение вторичного контура, когда важно работать выше температуры замерзания материалов или жидкостей, чтобы избежать замерзания, которое может повредить материал или заткнуть процесс.В тех случаях, когда требуется быстрое замораживание, часто используется непосредственное впрыскивание LIN / охлаждение распылением или погружное охлаждение.

Эти методы замораживания и охлаждения LIN используются в различных приложениях. В оставшейся части этой статьи представлен обзор некоторых приложений охлаждения / заморозки LIN в химической и фармацевтической промышленности.

Криогенное измельчение и измельчение

LIN позволяет криогенному измельчению и измельчению измельчать порошки микронного или субмикронного размера, которые иначе было бы трудно размолоть при температуре окружающей среды.Процесс подходит для материалов, которые имеют высокую вязкоупругость, адгезионные свойства или термическую чувствительность.

Вязкоупругость . Такие материалы, как резина и эластомерные гели, имеют высокую вязкоупругость — , т.е. , они противостоят сдвиговому потоку, растягиваются при воздействии и возвращаются в свое первоначальное состояние после снятия напряжения. Вязкоупругие свойства прямо пропорциональны температуре; следовательно, понижение температуры охрупчивает материал, что делает измельчение более простым и эффективным.

Адгезионные свойства . Липкие материалы, такие как воски и масляные биологические образцы, имеют тенденцию цепляться за другие материалы и поверхности. При измельчении в условиях окружающей среды они накапливаются в мельнице, тем самым снижая производительность мельницы, резко повышая энергопотребление и, в конечном итоге, затягивая процесс. Низкие температуры препятствуют адгезионным механизмам, ответственным за липкость, и увеличивают когезионные межмолекулярные силы, делая материалы более хрупкими и менее липкими и, таким образом, их легче измельчать.

Тепловая чувствительность. Некоторые материалы теряют свою химическую, биологическую или электрохимическую активность при повышенных температурах; например, высокая температура может повредить фармацевтические препараты на основе белка. Поскольку процессы измельчения генерируют тепло, для контроля температуры при обработке этих чувствительных материалов необходимо охлаждение.

Тепло, выделяемое при фрезеровании, также затрудняет обработку вязкоупругих и адгезивных материалов. Поэтому очень важно контролировать температуру мельницы, а также температуру измельчаемого материала.Криогенное измельчение включает в себя охлаждение материалов и / или мельницу, как правило, путем прямого впрыска LIN (рис. 2). Впрыскиваемый LIN также создает атмосферу, которая предотвращает нежелательные реакции окисления.

▲ Рисунок 1. Методы охлаждения LIN. (a) Проводящая стенка, охлаждаемая LIN, замораживает или охлаждает жидкости, которые с ней контактируют. (b) Теплообменная жидкость (HTF) служит промежуточным охлаждающим агентом между LIN и жидкостью для улучшения контроля температуры.(c) Холодный ГАН охлаждается через проводящую стенку или может быть направлен непосредственно на охлаждаемую жидкость. (d) ЛИН напрямую впрыскивается или распыляется на материал или в процесс. (e) Когда материал непосредственно погружается в ЛИ, пузырьки, образующиеся в результате турбулентного кипения, создают границу пара вокруг материала, что снижает общий коэффициент теплопередачи.

Лиофилизация

Лиофилизация или лиофилизация обезвоживает термически чувствительные материалы (, например, , белки) путем замораживания материала с помощью LIN с последующей контролируемой сублимацией в вакууме.Материалы могут быть высушены вымораживанием для сохранения микроскопических структур (, например, , клеточные структуры) и для повышения стабильности продукта при длительном хранении и транспортировке. Механическое охлаждение компрессорами использовалось для сублимационной сушки, но LIN приобрел популярность, поскольку он позволяет лучше контролировать процесс замораживания и более широкий диапазон рабочих параметров (3) .

При небольших операциях материалы могут быть заморожены путем погружения в LIN или непосредственного охлаждения поверхности перед помещением в вакуумную камеру.В крупномасштабных операциях (Рисунок 3) охлаждение вторичного контура LIN (с использованием теплоносителя) является наиболее экономичным и эффективным методом замораживания, поскольку оно обеспечивает быстрое замораживание при криогенной температуре и гибкий контроль температуры для ускорения вакуумной сушки. , После замораживания вакуумный насос вызывает сублимацию большей части замороженного растворителя на этапе первичной сушки. Криогенный конденсатор, охлаждаемый с помощью прямого поверхностного охлаждения LIN, максимизирует скорость массопереноса растворителя из замороженного материала на поверхность конденсатора.Любой физико-химически связанный растворитель (, например, , вода), не удаленный во время первичной сушки, удаляется во время вторичной сушки, где температура материала и вакуум увеличиваются. Если материал, подвергаемый лиофилизации, чувствителен к кислороду, засыпка инертным газом разрушает вакуум, поддерживая инертную атмосферу.

▲ Рисунок 2. При криогенном размоле LIN охлаждает материалы, которые трудно размалывать при температуре окружающей среды. Поскольку в процессе фрезерования выделяется тепло, температура мельницы также регулируется прямым впрыском LIN.

Криопеллетизация

Криопеллетизация — это низкотемпературная технология для производства гранул, которые чаще всего являются сферическими или полусферическими и имеют диаметр от 0,5 мм до 5 мм. (4) . Он часто используется для гранулирования термочувствительных материалов, таких как бактериальные культуры и пробиотики. Поскольку криопеллетизация эффективно замораживает материалы, она используется для предотвращения фазового разделения компонентов в растворах, коллоидах или суспензиях, а также для образования гранул с высокой степенью гомогенности.Три распространенные формы криопеллетизации с охлаждением LIN — прямое замораживание поверхности, замораживание с погружением LIN и холодное замораживание GAN

Прямое замораживание поверхности (рис. 4а). Капли замерзают на холодной поверхности, такой как вращающийся барабан из нержавеющей стали, который охлаждается прямым впрыском LIN внутри барабана. Сформированные гранулы являются последовательно полусферическими с плоским основанием. Размер и форму можно изменить, отрегулировав переменные процесса, такие как расстояние, на которое падают капли, и скорость замерзания.

LIN иммерсионное замораживание (рисунок 4b). Капли замерзают при погружении в LIN. По мере погружения капель LIN кипит турбулентно, что затрудняет управление распределением по размеру и форме гранул. Тем не менее этот метод обычно дает высокий процент сферических гранул.

Холодная заморозка GAN (Рисунок 4c) . Cold GAN замораживает капли по мере их свободного падения, образуя сферические гранулы с узким распределением по размеру.Однако очень важно контролировать технологические параметры, такие как размер капель, температура ГАН и геометрию морозильной камеры, чтобы предотвратить агломерацию или прилипание капель к боковым стенкам при их падении.

Гранулирование выгодно, потому что оно улучшает текучесть и смешиваемость продукта. Повышенная текучесть облегчает последующую транспортировку и упаковку. Гранулы можно легко и точно смешивать или смешивать для получения продуктов с различными свойствами. Кроме того, гранулирование сводит к минимуму образование мелких частиц и пыли, уменьшая риск взрывов пыли и воздействия на органы дыхания.

▲ Рисунок 3. LIN обеспечивает охлаждение пробирок с образцом через контур вторичного теплоносителя (HTF). Во время вакуумной сушки LIN также охлаждает конденсатор, создавая низкотемпературную холодную ловушку для удаления растворителя.

Криогенная сублимационная сушка распылением

Криогенная сублимационная сушка распылением (SFD) создает тонкие (обычно менее 100 мкм) сухие порошки низкой плотности (, например, , вдыхаемые фармацевтические препараты) при низкой температуре. Он сочетает в себе принципы лиофилизации и распылительной сушки.

Мелкие капли создаются из раствора, суспензии или коллоида, а затем быстро замораживаются с помощью прямого распыления LIN (рис. 5a) или погружения в LIN (рис. 5b). Пьезоэлектрические форсунки с одним или двумя жидкостями и ультразвуковые пьезоэлектрические сопла создают капли микро- или наноразмеров. Состав жидкого продукта, параметры распыления и скорость замерзания могут быть изменены для контроля характеристик сухих частиц, таких как форма, размер, распределение по размеру и общая морфология.

Замороженный порошок может быть конечным продуктом, но обычно за этапом замораживания обычно следует мягкий процесс сушки, такой как вакуум (лиофилизация) или атмосферная сушка.Атмосферная сушка вводит термостатированный холодный сухой ГАН для сушки замороженного порошка посредством конвективного массообмена при атмосферном давлении. Влажный, холодный GAN затем удаляется из процесса или осушается и рециркулируется.

Частицы сухого порошка, производимые SFD, являются сферическими, легкими и высокопористыми, и они имеют привлекательные аэродинамические свойства, что делает их подходящими для вдыхаемых порошкообразных лекарств, которые вводятся через носовые или легочные пути. Кроме того, сухие порошки могут быть восстановлены быстрее, чем материалы, высушенные традиционными методами лиофилизации и распылительной сушки, что важно для фармацевтических препаратов с низкой растворимостью в воде.

▲ Рис. 4. Криопеллетизация может включать (a) прямое замораживание поверхности, (b) замораживание с погружением LIN или (c) холодное замораживание GAN.

Криогенное тонкопленочное замораживание

Криогенное тонкопленочное замораживание (TFF) — это относительно новый низкотемпературный процесс, при котором образуются высокопористые сухие частицы микронного и субмикронного размера из чувствительных к нагреванию материалов, таких как белки, которые подходит для легочной и парентеральной доставки лекарств.Процесс аналогичен криогенному гранулированию путем прямого охлаждения поверхности с использованием вращающегося барабана из нержавеющей стали. Капли раствора, суспензии или коллоида падают на холодную поверхность из нержавеющей стали с расстояния, которое позволяет каплям образовывать плоские, тонкие (микронные или субмикронные) пленки по мере их быстрого замерзания (рис. 6). Толщину пленки можно изменить, отрегулировав расстояние свободного падения и физические свойства подачи жидкости. Замороженные пленки сушат вымораживанием для получения сухих порошков.

При обработке TFF поверхность раздела газ-жидкость сводится к минимуму во время замораживания (в отличие от SFD), что снижает денатурацию белка (5) . TFF используется в лабораторных масштабах, особенно для исследований по восстановлению нерастворимых лекарств. Не ясно, будет ли это экономически эффективным решением для крупномасштабного производства.

Криогенное реакционное охлаждение

Криогенное реакционное охлаждение обеспечивает охлаждение и низкотемпературный контроль для чувствительных к температуре процессов, таких как сильно экзотермические и холодохимические реакции.Например, в органическом и металлоорганическом синтезе низкотемпературная работа важна для баланса реакционной способности, селективности и выхода. Для сильно экзотермических реакций охлаждение имеет решающее значение для контроля тепловыделения и предотвращения побочных реакций. Прямое охлаждение с впрыском, полу-косвенное охлаждение и косвенное охлаждение с помощью HTF — три основных варианта охлаждения реакционных сосудов с помощью LIN.

▲ Рисунок 5. При сублимационной сушке криогенным распылением распыляющий газ создает мелкие капли, которые замерзают, когда они (а) распыляются с помощью LIN или (б) погружаются в LIN.

Охлаждение прямым впрыском (рис. 7а). ЛИН вводится непосредственно в реакцию. Этот метод достигает максимальной эффективности и является недорогим в установке, но могут возникнуть унос растворителя, вспенивание и локальное замерзание. Он часто используется в чрезвычайных ситуациях, потому что испарение LIN может быстро охладить небезопасную или убегающую реакцию.

Полупрямое охлаждение (рис. 7б). Линия протекает через змеевик внутри реактора или охлаждающую рубашку реактора. Этот простой метод обеспечивает быстрое охлаждение и рециркуляцию азота.Однако недостатки включают в себя более низкую эффективность охлаждения и более высокие затраты на криогенную конструкцию и коррозионно-стойкие материалы.

Косвенное охлаждение с HTF (рис. 7c). Во внешнем теплообменнике LIN охлаждает теплоноситель, который затем протекает через вторичный контур для охлаждения реактора. Этот гибкий подход обеспечивает точный контроль температуры и выдерживает большие тепловые нагрузки.

Криогенный растворитель и извлечение ЛОС

Органические растворители и летучие органические соединения (ЛОС) могут быть конденсированы с помощью LIN и восстановлены.Возможность извлечения и повторного использования выпаренных растворителей уменьшает количество растворителя, которое необходимо приобрести. Экономия средств, как правило, достаточно значительна, чтобы системы восстановления могли окупить себя всего за несколько лет. Криогенное извлечение ЛОС часто является более экологически чистым и экономически эффективным способом контроля выбросов ЛОС, чем методы окисления.

▲ Рисунок 6. При криогенном замораживании тонких пленок капли падают на вращающийся барабан из нержавеющей стали с охлаждением LIN, где они быстро сжимаются в плоские тонкие пленки.Лиофилизация высушивает замороженные пленки с получением сухих порошков.

Сердцем системы криоконденсации является теплообменник, который обеспечивает охлаждение LIN, как правило, посредством охлаждения вторичного контура с помощью теплоносителя или прямого охлаждения с впрыском LIN, для конденсации паров растворителя или летучих органических соединений.

Прямое поверхностное охлаждение, которое включает пропускание LIN через традиционный кожухотрубный теплообменник, как правило, не рекомендуется для операций по восстановлению ЛОС, особенно тех, которые регулируются экологическими нормами.Эти приложения требуют более высокой степени контроля температуры и надежности, чем может предложить прямое охлаждение поверхности. Нестабильное замораживание VOC или подключение теплообменника может привести к нарушению соответствия VOC или незапланированному останову процесса, что может быть серьезным и дорогостоящим инцидентом.

Охлаждение вторичного контура теплоносителем является более подходящим методом, поскольку оно позволяет точно настроить температуру для достижения желаемой эффективности восстановления ЛОС. HTF загружается в сторону оболочки низкотемпературного конденсатора, где температура точно контролируется посредством теплообмена LIN.Одновременно ЛОС или пары растворителя конденсируются внутри конденсатора охлажденным HTF.

Прямое литьевое охлаждение LIN для восстановления ЛОС — это новая технология, которая все еще находится в стадии разработки. LIN напрямую впрыскивается в вентиляционные потоки с VOC для замораживания VOC. Нижестоящий фильтр собирает и отделяет замороженные ЛОС от вентиляционного потока. Этот метод особенно полезен для потоков VOC, на которые распространяются строгие правила.

Криоконсервация

Криоконсервация (или криоконсервация) сохраняет биологические образцы при криогенных температурах с целью длительного или неопределенного хранения.Процесс работает по принципу, что низкие температуры экспоненциально снижают скорость реакций, связанных с биологической активностью. Таким образом, биологическая активность образцов при криогенных температурах замедляется до такой степени, что время фактически останавливается для образца. Предполагается, что стабилизированный образец может быть нагрет до температуры окружающей среды в какой-то момент в будущем — в некоторых случаях, до 1000 лет спустя, (6) — для возобновления нормальной деятельности.

▲ Рисунок 7. LIN может обеспечить охлаждение до сильно экзотермических или холодных химических реакций посредством (а) прямого впрыска охлаждения, (б) полу-непрямого охлаждения или (в) косвенного охлаждения теплоносителем (HTF).

Криоконсервация — это растущая практика, используемая для хранения многих типов биологических материалов, включая белки, нуклеиновые кислоты, клеточные структуры, одноклеточные или многоклеточные организмы, ткани и органы.

Для большинства образцов наиболее важной частью процесса криоконсервации является этап замораживания.Если это происходит слишком медленно, замерзание воды вне клетки вытягивает молекулы воды из клеток через осмотическое давление. Уменьшение внутриклеточной воды увеличивает концентрацию растворенного вещества внутри клетки до потенциально летальных уровней. Кроме того, медленное замораживание приводит к тому, что внутриклеточные молекулы воды располагаются в крупных кристаллических структурах, которые могут прокалывать клеточные мембраны и вызывать необратимое повреждение образца. Как правило, при более быстром замораживании образуются более мелкие кристаллы льда, которые меньше повреждают клеточные структуры.

Обычно криопротекторы (, например, , глицерин, глюкоза, диметилсульфоксид) и скорость охлаждения 1 ° С в минуту являются стандартными протоколами криогенного замораживания биологических образцов (7) .

Витрификация — это новый подход к замораживанию образцов для криоконсервации. Криозащитные вещества снижают температуру замерзания, а добавки увеличивают вязкость образца. Затем образец подвергается воздействию чрезвычайно быстрого режима замораживания для его остекловывания в аморфном льду и предотвращения образования кристаллов воды.Крайне важно, чтобы эти образцы хранились при криогенной температуре ниже точки, в которой молекулы воды начинают кристаллизоваться.

Основное правило для большинства криоконсервированных образцов — хранить их при температуре ниже –130 ° C. Наиболее эффективным и экономичным способом хранения образцов является погружение их в систему LIN или охлаждение их холодными парами GAN внутри специально разработанной криокамеры.

Заключительные мысли

Со времени своей широкомасштабной коммерциализации на рубеже 20-го века азот стал необходимым для ИПЦ.Его инерционная способность повышает безопасность многих операций и качество многих продуктов. Его использование в качестве криогена для чрезвычайно низкотемпературного охлаждения продолжает расти по мере развития и совершенствования криогенных процессов.

Оптимизация передовых систем управления технологическим процессом для систем охлаждения и замораживания жидкого азота является постоянной областью исследований. Точный контроль заданных значений температуры (, например, , ± 0,5 ° C) и скорости теплопередачи во время работы при крайне низких температурах (от –150 ° C до –196 ° C) затруднен из-за утечки тепла в окружающую среду, даже с вакуумной изоляцией.В настоящее время предпринимаются усилия для разработки более надежных систем управления, способных доставлять чрезвычайно низкотемпературное охлаждение жидким азотом более точным, но экономичным способом. CEP

L ITERATURE C ITED

1. Carlson, B., et al. , «Азот: защитное одеяло для химической промышленности», Progress , , 107 (11), стр. 50-55 (ноябрь 2011 г.).
2. Croll, D.и P. Yanisko, «Безопасное использование азота», , «Прогресс в химическом машиностроении», , , 108, (3), с. 44-48 (март 2012 г.).
3. Liue, J. and D. Rouse, «Использование жидкого азота для максимизации производственных мощностей по производству лиофилизации», BioProcess International , с. 56-60 (февраль 2005 г.).
4. Ратул Р. и А. А. Баки, «Пеллеты и методы гранулирования: критический обзор», Международный научно-исследовательский фармацевтический журнал , 4 (4), с.90-95 (апрель 2013 г.).
5. Williams III, R.O., et al. , eds., «Составление плохо растворимых в воде лекарств», Springer, New York, NY, pp. 486-490 (2012).
6. Lopez E., et al. , «Современные рубежи в криобиологии», глава 19 «Технологии криоконсервации», InTech, Риека, Хорватия, с. 527-540 (2012).
7. Thermo Fisher Scientific, Inc., «Руководство по криоконсервации Nalgene и Nuc от Thermo Scientific», www.fisher.co.uk/index.php/en/technical-support?view=kb&kbartid=263, стр. 1-12 (апрель 2011 г.).

A DDITIONAL R ESOURCES

Jha, A.R., «Криогенные технологии и приложения», Butterworth-Heinemann, Burlington, MA, pp. 10-13 (2006).

Polidoro, J., et al. , «Развитие искусства распылительной сушки», Manufacturing Chemist , с. 35-37 (июнь 2012 г.).

Trembley, J.и С. Иванова, «Реакционное охлаждение жидким азотом», Process Cooling , с. 11-13 (октябрь 2012 г.).

Боланд Т. и Б. Ниланд, «Практическое уменьшение размеров при низких температурах», Порошок / сыпучие материалы , с. 32-37 (июль 2014 г.).

OSCAR BETETA — инженер прикладных исследований и разработок в научно-исследовательском центре передовых технологий в Air Products (7201 Hamilton Blvd., Allentown, PA 18195-1501; Телефон: (610) 481-7576; Электронная почта: betetaog @ airproducts.ком; Сайт: www.airproducts.com). Он специализируется на новых коммерческих применениях сжиженных газов, особенно жидкого азота, в химической, фармацевтической, резиновой и пластмассовой промышленности. Кроме того, он продвигает новые технологические предложения и оказывает техническую поддержку клиентам. Он является членом Айше и Tau Beta Pi инженерного общества чести. Бетета имеет степень бакалавра в области химического машиностроения Университета Бакнелла.

СВЕТЛАНА ИВАНОВА, PhD, — менеджер по маркетингу и разработке приложений в Air Products (7201 Hamilton Blvd.Аллентаун, Пенсильвания, 181951501; Телефон: (610) 481-1474; Электронная почта: [email protected]; Сайт: www.airproducts.com). У нее более 20 лет опыта в области технологий, маркетинга и развития бизнеса. Ее технический опыт заключается в разработке новых материалов и процессов для таких применений, как адсорбция газа, обработка и анализ воды, а также средства личной гигиены. В настоящее время она отвечает за разработку и предоставление технологий и решений, связанных с промышленным газом, для химической, фармацевтической и биотехнологической промышленности.Иванова получила степень магистра в области химического машиностроения в Московском химико-технологическом унив. и кандидат химических наук Московского института общей и неорганической химии Российской академии наук.

1