فناوری کرایوژنیک به بخشی ضروری از تعداد زیادی از صنایع تبدیل شده است. بسیاری از فرآیندهای تولید اکنون به گازهای مایع وابسته هستند و زیرساخت های کرایوژنیک هم بهتر و هم پیچیده تر می شوند.
در ادامه در این وبلاگ، برخی از اکتشافات اخیر در کرایوژنیک و کاربردهای احتمالی کرایوژنیک در آینده را توضیح خواهیم داد. با این حال، ابتدا می خواهیم به طور مختصر در مورد کاربردهای کرایوژنیک بحث کنیم.
مخازن ذخیره کرایوژنیک
در ابتدا به بررسی کاربرد مخازن ذخیره کرایوژنیک که به عنوان مهم ترین کاربرد که بصورت عمومی در بیشتر صنایع استفاده می شود می پردازیم. (تصویر ۱)
گاز به صورت کرایوژنیک (مایع) برای تامین گاز مصرفی مشترکین متوسط و بزرگ استفاده می شود. مخازن کرایوژنیک برای ذخیره سازی گازهای کرایوژنیک طبق تصویر ۱ در محل تولید (T1)، برای انتقال گاز (T2) و برای ذخیره سازی گاز در محل مصرف گاز (T4) طراحی شده اند. گاز به شکل مایع فشرده است که ذخیره و حمل و نقل آن را کارآمدتر می کند.
از نظر طراحی، تمام مخازن کرایوژنیک ظروف خلاء (ترموس یا فلاسک) هستند که خلاء نقش عایق را بازی می کند.
شیلنگ های انعطاف پذیر خلاء (T3) برای پر کردن راحت استفاده می شود. مخازن کرایوژنیک با ورود گاز مایع به قسمت پایین یا بالای مخزن دوباره پر می شوند. ورود گاز مایع به قسمت بالایی فشار در مخزن را کاهش می دهد، جریان را به قسمت پایین تغییر می دهد و برعکس. برای اندازه گیری مقدار گاز در یک مخزن تحت فشار، از اصل اختلاف فشار گاز (P1) و فشار ستون مایع (P2) استفاده کنید. اگر مصرف کننده به گاز به صورت گازی نیاز داشته باشد، از اواپراتورهای اتمسفر برای تبادل حرارت بین گاز کرایوژنیک و محیط استفاده می شود. در اثر عبور از اواپراتور، گاز مایع تبخیر شده و حالت گازی به خود می گیرد. یک گزینه عالی برای عرضه مداوم، که در آن تقریبا هیچ پرسنل مشتری درگیر نیست.
ترانسمیتر اختلاف فشار همان تجهیزی است که برای اندازه گیری سطح مخازن کرایوژنیک استفاده می شود، پس برای آشنایی از ۰ تا ۱۰۰ با این محصول، توسط لینک زیر به سیر تا پیاز این تجهیز اندازه‌گیری فشار پرکاربرد در صنعت کرایوژنیک مراجعه کنید.
کاربردهای کرایوژنیک در صنعت پزشکی و دارویی
دو صنعت مرتبط با هم که فناوری کرایوژنیک ← در آنها به طور گسترده مورد استفاده قرار خواهد گرفت، صنایع پزشکی و دارویی هستند. در هر دو صنعت، حفظ بافت به شکل مطلوب حیاتی است، چه دارو باشد و چه مواد بیولوژیکی.
سیستم های انجماد کرایوژنیک
فریزر کرایوژنیک یکی از قدیمی ترین و پرکاربردترین سیستم های انجماد کرایوژنیک در صنایع پزشکی و دارویی می باشد. در فریزرهای کرایوژنیک استاندارد، نیتروژن مایع به سیستم تزریق می شود و بخارات سرد ایجاد می کند. این بخارات محصولی که قرار است خنک شود را در بر گرفته و به دمای پایین مورد نظر می رساند.
بسیاری از مواد، مانند برخی داروها، سلول‌های خونی، سلول‌های بنیادی و تخم‌مرغ را می‌توان با استفاده از یک فریزر کرایوژنیک «معمولی» یا به اصطلاح فریزر نرخ کنترل منجمد کرد. با این حال، این در مورد همه مواد صدق نمی کند. گاهی اوقات حفظ اجزای خاص آنقدر مهم است که به تکنیک های دیگری نیاز است. در این مورد، خشک کردن انجمادی – یا لیوفیلیزاسیون – ممکن است راه حل مورد نظر باشد.
خشک کردن انجمادی فرآیندی است که در آن آب پس از انجماد و قرار گرفتن در خلاء از ماده ای خارج می شود. این فرآیند برای انجماد مواد غذایی، مواد دارویی/بیودارویی فله، پروتئین ها، کلاژن، پپتید، الیگونوکلئوتید، API شیمیایی، آنزیم ها و mAbs استفاده می شود .
ذخیره سازی مواد و مایعات کرایوژنیک
بدیهی است که صنایع پزشکی و دارویی از بسیاری از کاربردهای کرایوژنیک دیگر استفاده می کنند. به عنوان مثال، نمونه‌های بیولوژیکی کوچک در CRF و ظروف ذخیره‌سازی ذخیره می‌شوند، جایی که می‌توان آنها را برای مدت زمان طولانی در حالی که در کیفیت مطلوب باقی می‌مانند نگهداری کرد. این فرآیند ذخیره سازی نمونه نامیده می شود.
ذخیره سازی نمونه در ویال های کوچک انجام می شود که در نیتروژن مایع تا حدود 135- درجه سانتیگراد خنک می شوند. سرمای شدید عملاً تمام فعالیت های بیولوژیکی را متوقف می کند و از نظر تئوری تخریب نمونه را در دراز مدت به حداقل می رساند.
در نهایت، در بسیاری از امکانات پزشکی، ما همچنین شاهد دوارهای (dewar) ذخیره‌سازی کرایوژنیک و ایستگاه‌های پر کردن نیتروژن هستیم. این ایستگاه ها در نزدیکی یک مخزن در داخل یا خارج از ساختمان قرار می گیرند و امکان بازیابی سریع چندین لیتر نیتروژن مایع را برای استفاده فراهم می کنند.
درمان بهداشتی کرایوژنیک با کرایوسونا
قبل از اینکه به صنعت غذا بپردازیم، در اینجا یک کاربرد محبوب دیگر وجود دارد که به شدت با بخش پزشکی مرتبط است: کرایوسونا . درمان در این سونا که کرایوتراپی نامیده می شود، بدن را برای چند دقیقه در معرض دمای کرایوژنیک قرار می دهد تا سلامت کلی را تقویت کند.
معمولاً کرایوسونا با بخار نیتروژن مایع یا هوای خنک شده توسط الکتریسیته خنک می شود. این برنامه مانند یک کابین بزرگ به نظر می رسد که در کنار آن (یا داخل آن) یک دوار حاوی نیتروژن مایع قرار دارد.
کاربردهای کرایوژنیک در صنایع غذایی
صنعت دومی که به شدت به کاربردهای کرایوژنیک متکی است، صنایع غذایی است. خنک کردن غذا، در حالی که بهترین کیفیت خود را دارد، در این صنعت بسیار مهم است. ثابت شده است که سیستم های تبرید کرایوژنیک بهترین روش برای این کار هستند.
سیستم های انجماد مواد غذایی
فریزر تونلی یکی از پرکاربردترین سیستم های انجماد برای انجماد سریع و در مقیاس بزرگ مواد غذایی است. محصولات از یک طرف وارد این سیستم های انجماد بزرگ می شوند و از طرف دیگر کاملا یخ زده خارج می شوند.
مزیت فریزر تونلی این است که مواد غذایی به سرعت یخ می زنند که کیفیت آنها بسیار بالا باقی می ماند. مواد مغذی و ویتامین های موجود در غذا به خوبی حفظ می شوند.
نحوه عملکرد دقیق فریزر تونلی به سیستم و محصولی که باید منجمد شود بستگی دارد. با این حال، معمولاً محصولات با نیتروژن مایع در دمای 196- درجه سانتی گراد (77 کلوین) اسپری می شوند تا سطح محصول سخت شود.
برای ماندگاری بهتر، از خشک کردن انجمادی برای برخی محصولات غذایی نیز استفاده می شود. مانند مواد بیولوژیکی، محصولات غذایی نیز از حفظ بهینه ساختار خود بهره مند می شوند که خشک کردن انجمادی را ممکن می سازد.
یخ خشک کن محصول را منجمد می کند، سپس فشار را کاهش می دهد و حرارت را اضافه می کند تا آب یخ زده در مواد فورا بخار شود.
البته در صنایع غذایی تنها به سیستم های انجماد ختم نمی شود. برخی دیگر از کاربردهای کرایوژنیک که در بسیاری از تولیدکنندگان مواد غذایی مورد استفاده قرار می‌گیرند، شامل سینی‌های خنک‌کننده حاوی نیتروژن مایع و همچنین دیوارها و ایستگاه‌های پرکننده معروف است .
کاربردهای کرایوژنیک در صنعت فضایی
صنعت فضایی نه تنها به طور گسترده از کاربردهای کرایوژنیک استفاده می کند، بلکه بدون فناوری کرایوژنیک کاملاً متفاوت به نظر می رسد. به عنوان مثال، گازهای کرایوژنیک به عنوان سوخت و هلیوم مایع برای خنک کردن آشکارسازها استفاده می شود تا بتوانند اندازه گیری های بسیار دقیقی را در فضا انجام دهند.
موتورهای موشک کرایوژنیک
موتور موشک کرایوژنیک از سوخت و اکسید کننده کرایوژنیک استفاده می کند که معمولاً از اکسیژن مایع (در دمای 183- درجه سانتیگراد) و هیدروژن مایع (در دمای 253- درجه سانتیگراد) تشکیل شده است. این فناوری اولین بار در موشک معروف آمریکایی Atlas-Centaur مورد استفاده قرار گرفت و کمک قابل توجهی به موفقیت ناسا در رسیدن به ماه با موشک Saturn V کرد.
محفظه تست کرایوژنیک
کاربردهای کرایوژنیک نیز در آماده سازی پرتاب موشک ضروری هستند. محفظه آزمایش کرایوژنیک نمونه‌ای از کاربردهای کرایوژنیک است که ماهواره‌ها و موشک‌ها را برای خروج آماده می‌کند. در این محفظه، از دماهای کرایوژنیک برای بررسی میزان فعال ماندن تمام عملکردهای ماهواره یا موتور تحت تغییرات شدید دما استفاده می شود.
کاربردهای کرایوژنیک در حمل و نقل
شاید مهمترین صنایعی که گازهای مایع در آن به طور فزاینده ای در توسعه کاربردهای جدید گنجانده شده است، بخش حمل و نقل باشد.
عمدتاً هیدروژن اساس تلاش‌های کنونی برای کمک به پایداری محیط زیست در حمل‌ونقل جاده‌ای و کشتیرانی را تشکیل می‌دهد و خودروها، کامیون‌ها و کشتی‌های هیدروژنی زیادی در حال توسعه هستند.
چند نمونه از کاربردهای کرایوژنیک در صنعت حمل و نقل عبارتند از:
- خودروهای سواری با موتوری که با هیدروژن مایع کار می کند. در سال 2001، شرکت BMW خودروی خود با نام Mini Hydrogen را روانه بازار کرد که یکی از اولین خودروهای هیدروژن مایع محسوب می شود. در حال حاضر، خودروهای هیدروژنی بیشتر و بیشتری در بازار در حال ظهور هستند که عمدتاً از سلول سوختی هیدروژنی استفاده می کنند.
- توسعه کامیون هایی با سلول های سوختی هیدروژنی یا مخازن هیدروژن مایع. یک مثال خوب، کامیون مرسدس بنز GenH2 دایملر است که در حال حاضر در حال توسعه است.
- استفاده از LNG به عنوان سوخت در درجه اول برای کامیون ها و کشتی های باری. LNG (گاز طبیعی مایع) اکنون به طور گسترده در دسترس است و به عنوان سوختی در نظر گرفته می شود که کمی پایدارتر از سوخت دیزل معمولی است.
- ساخت ایستگاه های سوخت رسانی برای LNG یا هیدروژن.
کاربردهای کرایوژنیک در تحقیقات علمی
یکی از اولین صنایعی که تکنیک های کرایوژنیک و در نتیجه کاربردهای کرایوژنیک را آزمایش کرد، تحقیقات علمی است.
با سرد کردن آهنرباها با گازهای کرایوژنیک تقریباً به صفر مطلق، بسته به ماده، می‌توان آنها را ابررسانا کرد و نیروهای عظیمی با اندازه‌های نسبتاً کوچک تولید کرد. و این نیروهای عظیم موضوع تحقیقات گسترده ای هستند.
برخی از نمونه‌های پروژه‌های کرایوژنیک در تحقیقات علمی شامل آزمایش‌هایی با شتاب‌دهنده‌های ذرات و ابررساناهای بزرگ است. در همان زمان، اثر دماهای شدید بررسی می شود.
از آنجایی که هلیوم مایع یکی از سردترین و قوی ترین گازهای کرایوژنیک است، اغلب به عنوان خنک کننده در آزمایشات علمی استفاده می شود.
ده ها صنعت دیگر
بدیهی است که فهرست فوق از صنایع و کاربردها هنوز کامل نیست. از دیگر صنایعی که کاربردهای کرایوژنیک در آنها استفاده می شود می توان به صنایع الکترونیک، صنعت خودروسازی، صنایع شیمیایی و صنایع فلزی اشاره کرد.
