Kriogenika w zastosowaniach przemysłowych, medycznych i badawczych

Czym jest kriogenika?

Kriogenika należy do jednej z najszybciej rozwijających się dziedzin nauki. Polega na uzyskiwaniu ekstremalnie niskich temperatur (niższych niż 120 K, czyli około −150 °C), a następnie wykorzystywaniu tych wartości do celów medycznych, badawczych lub przemysłowych. Zgodnie z ustaleniami podczas XIII Międzynarodowego Kongresu Chłodnictwa (1971), temperatura wrzenia ciekłego metanu stanowi umowną granicę między kriogeniką a chłodnictwem. Granica ta umożliwia pozyskanie ciekłej postaci gazów trwałych. Ciecze kriogeniczne podtrzymywane są w niskich temperaturach i stają się przez to substancjami niezbędnymi do przeprowadzania procesów fizycznych oraz technicznych w wielu gałęziach przemysłu.

Podstawowe ciecze

Do podstawowych cieczy kriogenicznych należą: azot, tlen, wodór i hel. Każda z nich otrzymywana jest przy pomocy innych metod. Następnie, przechowywane w odpowiednich warunkach, mogą być wykorzystywane do wielu procesów, w których istotną rolę odgrywa ekstremalnie niska temperatura.

Ciekły azot: jedna z najczęściej stosowanych cieczy kriogenicznych, otrzymywana podczas skraplania oraz parowania frakcjonującego powietrza atmosferycznego. W ten sposób otrzymujemy substancję obojętną chemicznie, bezbarwną i bezzapachową. Znajduje główne zastosowanie w medycynie, branży spożywczej oraz mechanicznej. Ciekły azot przechowywany jest w specjalnych naczyniach termostatycznych, które są bezpieczne i ekonomiczne w użyciu.

Ciekły tlen: substancja otrzymywana za pomocą destylacji frakcyjnej skroplonego powietrza. W rezultacie otrzymujemy tlen w stanie ciekłym, który pozostaje bezzapachowy i bezsmakowy, ale zyskuje bladoniebieską barwę oraz właściwości paramagnetyczne. Używany w przemyśle rakietowym i petrochemicznym.

Ciekły wodór: uzyskiwany na dwa sposoby. Pierwszy z nich to konwersja katalityczna z dodatkiem pary wodnej, która pozwala na wytwarzanie wodoru z gazu ziemnego. Drugi sposób, nieco rzadziej wykorzystywany ze względu na wysokiej koszty energetyczne, to elektroliza wody, która umożliwia pozyskanie krystalicznie czystego wodoru. Otrzymana substancja nie posiada zapachu, smaku oraz barwy, ale zyskuje właściwości palne. Ceniona w przemyśle spożywczym, metalurgicznym oraz chemicznym.

Ciekły hel: obok wody to jedna z najlepiej zbadanych cieczy. Pozyskiwana jest wyłącznie z gazu ziemnego. Występuje w postaci dwóch izotopów: 3He (stan ciekły) oraz 4He (stan nadciekły). Wykazuje przewodność cieplną oraz duże ciepło właściwe. Znajduje zastosowanie w elektronice i energetyce, a także fizyce jądrowej.

Zastosowanie kriogeniki

Nie bez przyczyny zainteresowani tą gałęzią fizyki są nie tylko badacze przestrzeni kosmicznej, ale także medycy, biolodzy, chemicy czy mechanicy. Dzięki właściwościom cieczy kriogenicznych możliwe stało się wykorzystanie ich w licznych dziedzinach życia.

Kriogenika z dużej mierze wykorzystywana jest w medycynie, na potrzeby której powstały nawet osobne dziedziny, takie jak krioterapia oraz kriochirurgia. Leczenie zimnem wykorzystywane jest w rehabilitacji, terapiach bólu, diagnostyce medycznej (rezonans magnetyczny), dermatologii, reumatologii czy ginekologii. Ciecze (głównie ciekły azot) wykorzystywane są ponadto do przechowywania materiałów biologicznych, co stanowi duże wsparcie m.in. dla transplantologii czy genetyki.

Na kriogenikę z coraz większym zainteresowaniem spoglądają również branże spożywcze, które wykorzystują niskie temperatury do chłodzenia oraz zamrażania żywności. Technologia pozwala na zachowanie wysokiej jakości oraz atrakcyjnego wyglądu produktów. Zamrażanie pozwala również uchronić artykuły spożywcze przed działaniem bakterii, powstawaniem wycieków czy zmianą naturalnej konsystencji. Metoda ta znalazła zastosowanie w przetwórstwie, głównie owoców, warzyw i grzybów, a także wyrobów mlecznych czy tłuszczów.

Kriogenika wykorzystywana jest również w elektronice i energetyce. Dowiedziono, że w wyniku oddziaływania niskich temperatur wyraźnie spada opór elektryczny niektórych materiałów, które mogą również przejść w stan nadprzewodnictwa. Dzięki temu ciecze mogą być wykorzystywane do pracy generatorów, transformatorów czy silników.

Metody kriogeniczne znajdują także zastosowanie w recyklingu. Zauważono, że ekstremalnie niskie temperatury mają wpływ na plastyczność niektórych materiałów. Dzięki działaniu zimna kruszeją, co znacznie ułatwia utylizację odpadów w nieinwazyjny dla środowiska sposób.

Technologie chłodzenia i mrożenia kriogenicznego

Coraz większą wagę przywiązuje się obecnie do jak najwyższej jakość produktów spożywczych, przy jednoczesnym zachowaniu ich świeżości oraz atrakcyjnego wyglądu. Do najskuteczniejszych obecnie metod, które to umożliwiają, należy chłodzenie oraz mrożenie kriogeniczne wykorzystujące ekstremalnie niskie temperatury. Proces zamrażania przy wykorzystaniu cieczy kriogenicznych okazuje się znacznie bardziej efektywny, niż inne stosowane dotąd metody.

Zastosowanie w przemyśle spożywczym

Podczas zamrażania kriogenicznego najczęściej stosuje się ciekły azot lub ciekły dwutlenek węgla. Pozostałe ciecze uzyskane w ten sposób nie są stosowane, co wynika z ich szkodliwego działania bądź wysokich kosztów produkcji. Z pomocą ciekłego azotu lub ciekłego dwutlenku węgla możliwe jest bezpieczne, szybkie i efektywne chłodzenie lub całkowite mrożenie produktów spożywczych różnego typu, ale nie tylko. Kriogenika znajduje zastosowanie także podczas pakowania żywności, stabilizowania ciśnienia w butelkach czy przechowywania owoców w warunkach chłodniczych. Najczęściej wykorzystywana jest w przemyśle:

  • owocowo-warzywnym (mrożenie warzyw, drobnych owoców jagodowych i grzybów),
  • mięsnym (porcjowanie oraz kurtowanie mięs),
  • rybnym (mrożenie produktów rybnych i owoców morza),
  • mleczarskim (produkcja lodów i deserów),
  • piekarniczo-cukierniczym (mrożenie ciast, pieczywa i deserów),
  • garmażeryjnym (schładzanie dań gotowych, wyrobów garmażeryjnych, farszów),
  • produkcji koncentratów spożywczych (granulowanie i proszkowanie produktów płynnych lub półpłynnych).

Zalety

Dlaczego zamrażanie kriogeniczne należy do tak skutecznych metod? Działanie niskich temperatur skutecznie hamuje rozwój drobnoustrojów, które mogłyby doprowadzić do psucia się żywności – zarówno surowej, jak i już przetworzonej. W ten sposób możliwe jest znacznie wydłużenie zdatności do spożycia, zwłaszcza żywności sezonowej. Ponadto dochodzi do zahamowania naturalnych procesów biochemicznych, których rezultatem jest utrata świeżości oraz sprężystości produktów. Ekstremalne zamrażanie zapobiega powstawaniu naturalnych wycieków, szczególnie w przypadku owoców czy mięs. Stosowanie cieczy kriogenicznych w przemyśle spożywczym umożliwia również proszkowanie oraz granulowanie produktów płynnych i półpłynnych, co znacznie wydłuża żywotność i tym samym ułatwia ich przechowywanie. Znacznie wzrasta także atrakcyjność produktów, co jest istotne zwłaszcza w przypadku owoców jagodowych – zamrażanie kriogeniczne na dłużej zachowuje naturalną barwę, konsystencję oraz aromat owoców.

Technologie mrożenia kriogenicznego

Dla jak najlepszego wykorzystania kriogeniki do schładzania oraz zamrażania produktów spożywczych wykorzystuje się nowoczesne metody i urządzenia. Bazują one na działaniu ciekłego azotu lub ciekłego dwutlenku węgla, najczęściej jednak stanowią połączenie metod kriogenicznych z tradycyjnymi technikami zamrażania. Do najczęściej stosowanych należą:

  1. Zamrażanie zanurzeniowe – produkty zanurzane są w wannie wypełnionej ciekłym azotem. Przeznaczone szczególnie dla wyrobów półpłynnych bądź o delikatnej strukturze. Stosowane również do wstępnego mrożenia żywności. Jest to jedna z najtańszych metod zamrażania szokowego.              
  2. Zamrażanie natryskowe (tunelowe) – proces mrożenia produktów jest szybki i efektywny dzięki wykorzystaniu dysz natryskowych z ciekłym azotem. Metoda ta pozwala na zachowanie struktury, koloru i aromatu żywności, a ponadto zapewnia mniejsze straty produktu oraz znaczną redukcję wilgoci.        
  3. Zamrażanie komorowe – mrożenie produktów odbywa się w tzw. szafach, urządzeniach z półami, na których układa się artykuły spożywcze. Stosowane w przypadku delikatnych produktów, zwłaszcza w przemyśle rybnym, mięsnym i cukierniczym.              
  4. Zamrażanie bębnowo-śrubowe – bazuje na technologii indywidualnego szybkiego zamrażania. Przeznaczone głównie dla przemysłu przetwórczego oraz przy produkcji dań gotowych. W trakcie transportowania produkty są powlekane dodatkami, takimi jak zioła czy sosy.             
  5. Zamrażanie kriomechaniczne – stanowi połączenie tradycyjnych technik mrożenia (mechanicznych) z metodą kriogeniczną. Ułatwia późniejsze przechowywanie oraz transportowanie zamrożonej żywności, a także dalszą obróbkę produktów. Jedną z metod jest owiewowo-kriogeniczne oziębianie produktów, które umożliwia szybkie zmrożenie w tunelu owiewowym.
do góry
Sklep jest w trybie podglądu
Pokaż pełną wersję strony