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

Abstract

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 fundamentalpara el cálculo de velocidades de enfriamiento y para detectarsi la muestra ha sido vitrificada o si ha sufrido un procesode cambio de fase congelación en la cual se forma 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 T). 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 urvas de flujo calórico versus T (curvas de ebullición) para dispositivos empleados en criobiologíano son frecuentes enlaliteratura; ademásdad 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 coeficientesde transferencia de calor es necesario modelar matemáticamente las ecuaciones diferenciales a derivadas parciales delatransferencia de energía aplicando condiciones de borde convectivas. En el presente trabajo se estimaronlos 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, produciéndoseprimero 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 tiempoque 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 logr una excelente concordancia. La simulación computacional es una herramienta importante para la determinaciónde los coeficientes de transferencia de calor y para la optimización del proceso de criopreservacin de dispositivos que contienen fluidos de interés biológico.