Determinación de coeficientes de transferencia de calor en procesos de criopreservación de germoplasma animal aplicando modelos computacionales.

SANTOS, MV; SANSINENA, M; CHIRIFE, J; ZARITZKY, N

Ciudad de México

Congreso; Congreso Interamericano de Computación Aplicada a la Industria de Procesos.; 2017

El proceso de criopreservación consiste en reducir la temperatura de una muestra hasta alcanzar el punto de estabilidad biológica. En particular la medición experimental de la curva temperatura versus tiempo es fundamental para el cálculo de velocidades de enfriamiento y para detectar si la muestra ha sido vitrificada o si ha sufrido un proceso de cambio de fase (congelación) en la cual se forman cristales de hielo. Uno de los dispositivos más utilizados en el área de criopreservación de germoplasma animal es la pajuela de polipropileno para contener la muestra. Para la criopreservacion de semen bovino las pajuelas se suspenden en nitrógeno vapor (NV) a los efectos de deshidratar las células, previo a su inmersión en nitrógeno líquido (NL) para lograr mayor viabilidad después de su conservación. Dadas las pequeñas dimensiones de los dispositivos de criopreservación, existen dificultades técnicas para la correcta medición experimental de la temperatura o el flujo calórico en función del tiempo, tanto para el enfriamiento en NV como en NL, siendo escasa en la literatura, la información acerca de los coeficientes de transferencia de calor (h) en estos procesos. La simulación computacional constituye una herramienta valiosa para poder obtener a partir de las historias térmicas experimentales los valores de h alimentando las propiedades térmicas adecuadas. Cuando el dispositivo se sumerge en NL entra en un régimen de ebullición en film debido a las grandes diferencias de temperatura entre el objeto y el fluido criogénico (T). Este fenómeno ocurre debido a que se provoca la evaporación del nitrógeno en la cercanía del dispositivo generándose un film de vapor aislante que retarda la transferencia de energía. Este fenómeno se conoce como efecto ?Leidenfrost?; cuando disminuye el T, el régimen pasa de ebullición en film a ebullición nucleada (Hsu, 1970). En el caso de utilizar NV, el cual se encuentra en contacto por su parte inferior con NL ocurre un proceso de estratificación del vapor debido al efecto de la temperatura sobre la densidad del NV. Para predecir los coeficientes h es necesario modelar matemáticamente las ecuaciones diferenciales a derivadas parciales de transferencia de energía en estado no estacionario aplicando condiciones de borde convectivas. Los objetivos del presente trabajo fueron determinar coeficientes h durante el enfriamiento de pajuelas plásticas (vol= 0.5mL) conteniendo germoplasma animal, tanto cuando se sumergían en NV como en NL a partir de los perfiles de temperatura medidos experimentalmente y de las simulaciones numéricas. Se utilizó un programa en elementos finitos (software Comsol AB Multiphysics, 2005) con propiedades termofísicas del fluido biológico (densidad, conductividad térmica y calor específico aparente) dependientes de la temperatura, incluyendo el cambio de fase del agua lo cual constituye un problema matemático complejo y altamente no- lineal. Además se consideraron resistencias térmicas en serie (material plástico y fluido biológico). Los experimentos se realizaron utilizando termocuplas T de diámetro < 0.5mm y permitieron detectar por ejemplo en el caso de NL valores de h de distinta magnitud; h = 148.12 ± 5.4 W/m2 K y h = 1355 ± 51 W/m2 K para el proceso de ebullición en film y nucleada, respectivamente. Se realizaron experimentos independientes utilizando pajuelas plásticas conteniendo agua y el fluido biológico (semen+extender) con el fin de corroborar los valores de h obtenidos. Se utilizaron en el software valores de h variables con el tiempo para ajustar las historias térmicas simuladas computacionalmente con los datos experimentales, lográndose una excelente concordancia. En el caso de enfriamiento de pajuelas en NV el h que mejor ajustó los experimentos fue h=12.5±1.2 W/m2K. Se observó que el fenómeno de estratificación del NV afectaba a las velocidades de congelación de la muestra, ya que la temperatura del NV depende fuertemente de la distancia respecto al nivel de NL. Todos los h obtenidos en el presente trabajo se corroboraron con correlaciones de literatura basadas en el número adimensional Nusselt. La determinación de los h que gobiernan el proceso constituye un aspecto muy importante para la optimización de protocolos durante la criopreservación de material biológico. Asimismo resulta útil para el desarrollo de nuevas tecnologías y para mejorar el diseño de dispositivos en el campo de la criobiología aumentando la velocidad de enfriamiento y tratando de minimizar el daño celular.