Determinación de coeficientes de transferencia de calor en sistemas biológicos durante el enfriamiento en nitrógeno líquido considerando regímenes de ebullición en film y nucleada.

M. V. SANTOS; M. SANSINENA; J. CHIRIFE; N. ZARITZKY

Jornada; Primeras Jornadas de Investigación y Transferencia CIDCA; 2014

El proceso de criopreservación consiste en reducir la temperatura de la 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. Cuando un objeto se sumerge en Nitrógeno Líquido (LN2) entra en un régimen de ebullición en film debido a las grandes diferencias de temperatura entre el objeto y el LN2 (deltaT). Este fenómeno ocurre debido a que el flujo de calor desde el objeto hacia el LN2 provoca la evaporación del nitrógeno en la cercanía del dispositivo generándose una capa de vapor aislante que retarda la transferencia de energía. Este fenómeno se lo conoce como efecto Leidenfrost. Las curvas de flujo calórico versus deltaT (curvas de ebullición) para dispositivos empleados en criobiología no son frecuentes en la literatura; además dada las pequeñas dimensiones de los objetos existen limitaciones para la medición experimental de la temperatura versus tiempo. El conocimiento de esta información permite determinar los coeficientes de transferencia de calor que gobiernan el proceso de enfriamiento: ebullición en film, transición y nucleada. Para predecir los coeficientes de transferencia de calor es necesario modelar matemáticamente las ecuaciones diferenciales a derivadas parciales de la transferencia de energía aplicando condiciones de borde convectivas. En el presente trabajo se estimaron los coeficientes de transferencia de calor y las curvas de ebullición durante el enfriamiento de pajuelas plásticas conteniendo hielo (a temperaturas iniciales entre -2ºC a -9ºC) cuando se sumergían las muestras en LN2. Estos experimentos lograron detectar dos etapas en el proceso de ebullición, produciéndose primero ebullición en film y luego una transición a ebullición nucleada. Se utilizó un programa en elementos finitos mediante el software COMSOL para la predicción de la curva de temperatura versus tiempo que permitió estimar los coeficientes de transferencia de calor en cada régimen de ebullición. Se realizaron experimentos independientes utilizando pajuelas plásticas que contenían un fluido biológico (semen+extender) con el fin de corroborar los valores de coeficientes de transferencia encontrados previamente. En este caso el programa tiene en cuenta las propiedades variables con la temperatura en el fluido biológico, lo cual constituye un problema matemático altamente no-lineal y además un coeficiente de transferencia variable según el régimen de ebullición que ocurre en cada etapa del enfriamiento. Se realizó la validación del programa contrastando las experiencias de laboratorio con las predicciones numéricas, y se logró una excelente concordancia. La simulación computacional es una herramienta importante para la determinación de los coeficientes de transferencia de calor y para la optimización del proceso de criopreservación de dispositivos que contienen fluidos de interés biológico.