Guía completa sobre la monitorización y las alarmas de los dewars

Informe técnico, guía definitiva para la monitorización y alarma de dewars Pregunta central: Cómo monitorizar correctamente los dewars llenos de nitrógeno líquido, detectar problemas y enviar alarmas para evitar daños en las muestras almacenadas. ADVERTENCIA: Las pruebas realizadas y analizadas en este informe las llevan a cabo profesionales cualificados en un entorno controlado y con todas las precauciones de seguridad necesarias. Trabajar con nitrógeno líquido es peligroso y conlleva un riesgo inherente de asfixia si se utiliza en un entorno con poca ventilación. Las pruebas destructivas realizadas en este informe también conllevan riesgo de explosión debido a una acumulación repentina de presión. NO repita estas pruebas sin la ayuda y supervisión de un profesional cualificado y sin tomar todas las precauciones de seguridad adecuadas. Introducción Los dewars de crioalmacenamiento llenos de nitrógeno líquido son el estándar para el almacenamiento de tejidos a largo plazo en muchos laboratorios. Los tejidos pueden variar desde sangre de cordón umbilical hasta óvulos humanos, embriones o incluso células madre, todos los cuales representan un gran valor tanto económico como de irremplazabilidad. Estas muestras deben mantenerse a una temperatura muy baja para detener los procesos biológicos y, esencialmente, congelar los tejidos en el tiempo. El nitrógeno líquido se evapora continuamente de los dewars, lo que reduce el nivel de líquido en el recipiente. Por lo tanto, los dewars se rellenan (manualmente) con frecuencia para evitar que el líquido se evapore por completo. La temperatura del dewar solo se mantendrá baja si hay nitrógeno líquido dentro del recipiente. Una vez que el nitrógeno líquido se ha evaporado por completo, la temperatura comienza a subir rápidamente. Si la temperatura del recipiente de almacenamiento supera una temperatura crítica, los tejidos de su interior sufrirán daños en su viabilidad o simplemente perecerán. Riesgos de almacenamiento Los laboratorios que utilizan un sistema de gestión de la calidad trabajan con un enfoque basado en el riesgo. Esto significa que los riesgos de la utilización de los dewars y del nitrógeno líquido deben identificarse junto con sus consecuencias. Si los riesgos son grandes y las consecuencias graves, se deberá aplicar una medida de mitigación. Este informe técnico se centrará en una serie de preguntas clave.

Figura 1: Dewar con formación de hielo en la tapa.

¿Qué puede salir mal en un dewar desde la perspectiva del usuario? ¿Cómo medir con precisión el nitrógeno líquido en un dewar? ¿Qué puede salir mal en un dewar desde una perspectiva técnica? ¿Cómo se pueden monitorizar todos estos riesgos con gran precisión para dar al usuario tiempo a responder y evitar daños?

Cómo funciona un dewar Un dewar es, en esencia, un termo muy bien aislado. El tanque interior contiene el nitrógeno líquido que, en su forma líquida, tiene una temperatura de aproximadamente -196 °C, dependiendo de la presión atmosférica. Si el nitrógeno líquido se vertiera en un recipiente sin aislamiento, se evaporaría en muy poco tiempo. Por lo tanto, el dewar interior está envuelto en muchas capas de un material aislante de aluminio. Este dewar aislado se coloca después dentro de un tanque más grande con espaciadores para evitar el contacto entre los dos tanques, con un material destinado a impedir una mayor transferencia de calor. Tras sellar completamente el espacio entre el tanque exterior y el interior, se hace el vacío en el tanque exterior para eliminar todo el aire de la cámara de doble pared. Este último paso elimina el aire que puede transportar calor desde el exterior hacia el interior del dewar, lo que aceleraría el proceso de evaporación (aislamiento por vacío).

Figura 2: Imagen de los materiales de aislamiento interno de un dewar (fuente: https://link.springer.com/article/10.1007/s10815-019-

01597-5#citeas) Muchos laboratorios suponen que la temperatura en el interior del dewar es exactamente de -196 °C en todo el dewar (arriba y abajo) y que el cambio de temperatura será el mismo con o sin líquido. Esto no es cierto. En primer lugar, la temperatura en el dewar no es exactamente de -196 °C en todo el recipiente (algo que demostraremos más adelante). En segundo lugar, la temperatura dentro del dewar se mantendrá estable durante mucho tiempo, para luego subir muy rápidamente una vez que todo el líquido se haya evaporado. Este segundo hecho se suele pasar por alto al buscar una solución de monitorización y alarma. Cuando el nitrógeno líquido se agota, el tiempo de reacción para el usuario es a menudo tan corto que, teniendo en cuenta los tiempos de retardo de una alarma y el tiempo de desplazamiento hasta el laboratorio, será demasiado tarde para evitar daños en la viabilidad de las muestras...

líquido dentro de los dewar sería un buen método de mitigación. Sin embargo, conocer la temperatura del dewar en todo momento sería aún mejor.

Figura 4: Configuración de prueba en la sala de criogenia de Cryo Products 2. Cómo medir con precisión el nivel de nitrógeno líquido y la temperatura en un dewar Detectar nitrógeno líquido en un dewar cerrado es un reto por varias razones. En primer lugar, hay muy poco espacio para colocar los sensores. Esto significa que el sensor debe tener cables finos y suponer una obstrucción mínima al intentar acceder a las muestras. En segundo lugar, los sensores (incluido el cableado fino) tendrán que soportar las temperaturas extremadamente bajas del interior del dewar durante mucho tiempo. A medida que las muestras se introducen y se extraen del dewar, los sensores y el cableado se ven sometidos a diferencias de temperatura extremas que ejercen una gran tensión sobre los componentes. Se pueden determinar los siguientes principios de detección:

CONTRAS: Depende del tamaño, el tipo y el sistema de inventario del dewar, es caro, voluminoso (ocupa mucho espacio), en la mayoría de los casos no tiene conexión a la monitorización remota, no mide la temperatura de las muestras 2. Sensor de presión diferencial La medición real del nitrógeno líquido suele realizarse por presión diferencial. El peso del nitrógeno líquido mueve el aire en un tubo de presión que es medido por un sensor de presión. Este valor se traduce entonces en una medición de nivel para el recipiente. PROS: Indicador fiable del nivel de líquido, medición real del nivel

CONTRAS: Caro, no cabe en dewar pequeños, propenso a romperse, en la mayoría de los casos no tiene conexión a la monitorización remota, no mide la temperatura de las muestras 3. Sensores capacitivos La medición indicativa del nitrógeno líquido también se realiza mediante varios sensores capacitivos basados en la temperatura. El nivel puede presentarse en pasos (p. ej., 25 %, 50 %, 75 %, 100 %). PROS: Indicador orientativo del nivel de líquido, indicación real del nivel

CONTRAS: Caro, no cabe en dewar pequeños, propenso a romperse, en la mayoría de los casos no tiene monitorización remota, no indica la temperatura de las muestras 4. Sensor de temperatura/nivel mínimo dentro del dewar Se instala un sensor de temperatura PT100 de precisión dentro del dewar, colocando la punta del sensor a un nivel mínimo predeterminado. Si el nivel desciende por debajo de la punta del sensor, se mide el cambio de temperatura. Este sensor actúa como un sensor combinado de temperatura y nivel mínimo para los dewar. PROS: Indicador fiable del nivel de líquido, medición del nivel mínimo, muy barato, duradero

CONTRAS: no hay medición real del nivel Conclusión Sopesar todos los pros y los contras de las soluciones de monitorización de dewar plantea varios problemas técnicos, de espacio, de coste y de robustez. La única solución que es a la vez relativamente barata y robusta es el sensor de temperatura que puede funcionar también como sensor de nivel mínimo. La cuestión principal es si

este tipo de monitorización tiene la capacidad suficiente para activar una alarma ante cualquier problema perceptible (tanto del usuario como técnicos). 3. ¿Qué puede fallar en un dewar desde una perspectiva técnica? Los dewars, al ser grandes termos con un alto nivel de aislamiento, son capaces de contener nitrógeno líquido durante mucho tiempo. Al observar el diseño de un dewar, hay varias cosas que pueden ocurrir en el propio dewar que afectarán al rendimiento de la unidad. El impacto en

el tiempo de retención del dewar será considerable, pero sin las mediciones adecuadas, no está claro si los sensores de temperatura o de nivel (mínimo) serán capaces de detectar los problemas y enviar una alarma con la suficiente rapidez para evitar daños.

Figura 5: Dispositivo de detección de nivel CryoLow Para comprobar si el sensor de temperatura es un instrumento lo suficientemente robusto para monitorizar los fallos del dewar, se ha preparado una serie de pruebas. Con la ayuda de la empresa Cryo Solutions, se utilizó el sistema de monitorización y alarmas en tiempo real XiltriX para medir 3 sensores de temperatura colocados en un conjunto de recipientes de prueba. Los recipientes de prueba tenían un volumen de nitrógeno líquido de 47 l y 10 l. El dewar de 10 l es uno de los dewars más pequeños utilizados para el almacenamiento de tejidos a largo plazo. El dewar más pequeño también tiene la menor relación superficie-volumen (SA:V), donde la conducción de calor tiene un mayor impacto en la evaporación (fuente: https://en.wikipedia.org/wiki/Surface-area-to-volume_ratio). Se colocaron dos sensores de temperatura PT100 dentro del nitrógeno líquido. Se colocó un sensor en el exterior del dewar y se utilizó un sensor CryoLow para detectar descensos del nivel de líquido. Dispositivo de detección Principio de medición Nivel de colocación

Sensor PT100 de 310 mm Sensor de temperatura Colocado a 10 cm del fondo del dewar

Sensor PT100 de 160 mm Sensor de temperatura Colocado a 25 cm del fondo del dewar

Detección de nivel CryoLow Sensor de nivel de temperatura Colocado a 10 cm del fondo del dewar

Sensor de superficie PT100 Sensor de temperatura Colocado a la altura del cuello del dewar

Dispositivo de detección Principio de medición Nivel de colocación

Sensor PT100 de 310 mm Sensor de temperatura Colocado a 10 cm del fondo del dewar

Sensor PT100 de 160 mm Sensor de temperatura Colocado a 25 cm del fondo del dewar

Detección de nivel CryoLow Sensor de nivel de temperatura Colocado a 10 cm del fondo del dewar

Sensor de superficie PT100 Sensor de temperatura Colocado a la altura del cuello del dewar

Figura 6: Sensores de temperatura PT100 colocados en el interior y en el exterior de un dewar de 10 L. Prueba 1, el nivel de líquido dentro del dewar desciende por debajo de la punta del sensor de temperatura Para determinar una línea de base de monitorización, se colocaron los sensores de temperatura dentro del dewar junto con el dispositivo de detección de nivel CryoLow. Este dispositivo utiliza un sensor de temperatura sensible y de alta capacidad de respuesta para determinar cuándo el nivel de nitrógeno líquido desciende por debajo de la punta del sensor. Este sensor se coloca junto al sensor de temperatura PT100 a la misma altura. Esto significa que el comportamiento esperado es que ambos sensores detecten un descenso del nivel de nitrógeno líquido al mismo tiempo. Resultados Los resultados de esta prueba tardaron mucho tiempo (varios días) en obtenerse. Los dewars están diseñados para mantener el nitrógeno líquido en su forma líquida durante mucho tiempo. El sensor de detección de nivel CryoLow fue el primero en detectar el descenso del nivel de nitrógeno líquido, seguido de cerca por el sensor de temperatura PT100. El CryoLow puede emitir una alarma cuando detecta un nivel bajo pero no tiene una salida de temperatura para proporcionar datos de temperatura. Al hacer zoom en el gráfico detallado del sensor de temperatura PT100, se observa que el sensor se mantiene a aproximadamente -196 °C hasta que el nivel de líquido desciende por debajo de la punta del sensor. En cuanto la punta del sensor deja de estar sumergida en el nitrógeno líquido, en 5 minutos la temperatura medida aumenta un poco más de 2,2 °C. Después de este aumento de temperatura, la temperatura vuelve a permanecer estable durante un largo periodo de tiempo. La temperatura solo volvió a subir cuando todo el líquido se hubo evaporado. Para confirmar este "aumento repentino de temperatura", la prueba se repitió con un dewar de otra marca y tipo, pero del mismo tamaño de 10 L. También se utilizó otro conjunto de hardware de medición y sensores para validar los resultados. Resultó que los resultados eran idénticos, con el mismo aumento de temperatura de >2 °C en un intervalo de tiempo de <10 minutos.

Figura 7: Resultados de todos los sensores de temperatura conectados durante la prueba de mantenimiento.

Figura 8: Salto de temperatura después de que el nivel de nitrógeno líquido descienda por debajo de la punta del sensor de temperatura.

Figura 9: Valores numéricos que indican el rápido aumento de la temperatura en un periodo de tiempo muy corto. Conclusión Tanto el CryoLow como el sensor de temperatura pueden utilizarse eficazmente para la detección del nivel mínimo de nitrógeno líquido. El CryoLow tiene la ventaja de reaccionar ligeramente más rápido a un descenso del nivel de líquido en comparación con el sensor de temperatura PT100, pero no tiene salida de temperatura y requiere una conexión a la red eléctrica para seguir funcionando. El sensor de temperatura PT100 es muy capaz de detectar la disminución del nivel de líquido siempre que

el sensor y el sistema de monitorización utilizados son precisos y de respuesta rápida para detectar el aumento de la temperatura. El umbral de alarma alta deberá establecerse a no más de -194 °C para que detecte eficazmente el escalón de temperatura, lo que le permite activar una alarma Prueba 2, pérdida de vacío Los dewars tienen un diseño de doble pared altamente aislado. La capacidad de aislamiento procede tanto del revestimiento de aluminio del dewar interior como del aislamiento por vacío entre el dewar interior y el exterior. El vacío no es absoluto y disminuirá con el tiempo. Además del deterioro del vacío, no son infrecuentes los daños físicos o la corrosión. Puede tratarse de una perforación de la cubierta exterior de aluminio o de daños en el sello de vacío de plástico (válvula antirretorno) utilizado para extraer el aire residual. Ambos problemas provocarán una pérdida de vacío. Hemos cronometrado con precisión la rapidez con que se evapora el nitrógeno líquido y el aumento de la temperatura en el interior del dewar. Configuración de la prueba

Dispositivo de detección Principio de medición Nivel de colocación

Sensor PT100 de 310 mm Sensor de temperatura Colocado a 10 cm del fondo del dewar

Sensor PT100 de 160 mm Sensor de temperatura Colocado a 25 cm del fondo del dewar

Sensor de superficie PT100 Sensor de temperatura Colocado a la altura del cuello del

El dewar de 10 l se llenó hasta el borde con nitrógeno líquido, a un nivel superior al que los usuarios lo llenarían normalmente. Tras el llenado, los sensores de temperatura XiltriX, junto con el tapón de espuma, se volvieron a introducir en el dewar. Cuando todas las temperaturas se estabilizaron, se perforó la pared exterior del dewar con una broca de ø 6 mm. Cuando la cubierta se perforó por completo, se percibió un fuerte siseo del aire que entraba en la pared aislada, seguido directamente por una evaporación violenta del nitrógeno líquido del interior del dewar. Hay un vídeo disponible: ¿Qué ocurre en un dewar cuando se elimina el vacío? A esto le siguió una evaporación violenta del nitrógeno del interior del dewar.

Figura 10: Sensor de temperatura de superficie PT100 pegado con cinta adhesiva a la superficie exterior del dewar. Resultados La pérdida de vacío inicia una gran transferencia de energía entre las paredes interior y exterior del dewar, lo que provoca una ebullición agresiva y, al mismo tiempo, un descenso de la temperatura de la pared exterior hasta los -2 °C, justo por debajo del punto de congelación. La evaporación se acelera y se detecta primero en el nivel del líquido para el sensor PT100 de 160 mm, y un tiempo después en el sensor PT100 situado más abajo en el interior del dewar Hora y sensor

11:00 (t=0) perforación de la cubierta

11:33 (33 min) El sensor de temperatura de superficie alcanza los 0 °C

12:16 (1 h 16 min) El sensor de temperatura PT100 de 160 mm alcanza los -194 °C

15:51 (4 h 51 min) El sensor de temperatura PT100 de 160 mm alcanza los -180 °C

16:00 (5 horas) El sensor de temperatura PT100 de 310 mm alcanza los -194 °C

18:48 (7 h 48 min) El sensor de temperatura PT100 de 310 mm alcanza los -180 °C

22:25 (11 h 25 min) Sensores de temperatura >0 °C

Figura 11: Gráfico de todos los sensores de temperatura con el vacío eliminado.

Figura 12: Vista detallada de los dos sensores de temperatura dentro de los dewar a diferentes niveles.

Figura 13: Gráfico de temperatura del sensor en la superficie exterior del dewar. Discusión El sensor PT100 colocado en el exterior del dewar fue el que respondió más rápido a la pérdida de vacío. Sin embargo, la prueba se realizó con una pérdida de vacío repentina y completa. Si se produjera una pérdida lenta de vacío, la velocidad y el alcance del cambio de temperatura serían diferentes. El análisis de los datos muestra que la simple medición de la temperatura de la superficie exterior del dewar es una buena forma de predecir un problema catastrófico. Sin embargo, no hay forma de predecir cómo cambiará la medición de la temperatura en otras situaciones. Por esta razón, un sensor de temperatura externo por sí solo no mitigaría todos los riesgos. Ambos sensores PT100 instalados dentro del dewar son eficaces para detectar el descenso del nivel. El sensor situado en la parte alta del cuello del dewar (160 mm) es el que detecta más rápido el descenso del nivel. El sensor más largo (310 mm), lógicamente, emerge del nivel del líquido más tarde. Si se utiliza un único sensor PT100 de 310 mm de longitud para monitorizar muestras valiosas, el aumento de la temperatura de -194 °C a -180 °C proporciona al personal de guardia o al usuario un tiempo de respuesta de aproximadamente 2 horas y 48 minutos. Con una solución de monitorización en tiempo real adecuada, el personal de guardia debería disponer de tiempo suficiente para responder y salvar el material sensible. Al utilizar un sensor de 160 mm situado en la parte superior del tanque para la monitorización, el tiempo de respuesta se ampliará hasta 6 horas y 30 minutos. Esto significaría que los dewar tendrían que rellenarse con más frecuencia para evitar falsas alarmas, ya que el nivel de líquido descendería más rápidamente por debajo del nivel umbral. Prueba 3: perforación del dewar interno a la altura del cuello Al eliminar el vacío, las cualidades aislantes de un dewar se reducen drásticamente. Este no es el fallo más catastrófico que le puede ocurrir a un dewar. Si el tanque interno del dewar se agrietara o rompiera, permitiría que el nitrógeno líquido se infiltrara en la superficie exterior, ampliando la superficie disponible para la transferencia de calor. Las soldaduras en el cuello del dewar experimentan más tensión por las fluctuaciones de temperatura que las soldaduras inferiores. La fatiga del metal en las soldaduras aumenta la probabilidad de que se produzcan grietas en este punto. La siguiente prueba mostrará el comportamiento de un dewar con una perforación de la superficie interna a la altura del cuello. Configuración de la prueba Dispositivo Principio de medición Nivel

Sensor PT100 de 310 mm Sensor de temperatura Colocado a 10 cm del fondo del dewar

Sensor PT100 de 160 mm Sensor de temperatura Colocado a 25 cm del fondo del dewar

Sensor de temperatura de superficie PT100 colocado a la altura del cuello del dewar

Tenga en cuenta: Se perforó la pared exterior del dewar para evitar un peligroso aumento de la presión en su interior. Sin estos orificios adicionales, la prueba se consideró demasiado peligrosa, debido al riesgo de explosión. No intente replicar esta prueba sin tomar TODAS las precauciones de seguridad necesarias. Se preparó un dewar de 10 L con una perforación en la pared interior a la altura del cuello. El dewar se llenó hasta el borde con nitrógeno líquido, a un nivel superior al que los usuarios lo llenarían normalmente. Tras el llenado, se volvieron a introducir en el dewar los sensores de temperatura XiltriX, junto con el tapón de espuma. El nitrógeno líquido pudo drenarse parcialmente a través del orificio a la altura del cuello, infiltrándose en el espacio entre la pared interior y la exterior. El aumento de la superficie permite una mayor transferencia de calor y, por lo tanto, debería dar como resultado un calentamiento más rápido de todo el dewar. Figura 14: Posición de la perforación del cuello. La X marca el punto de la perforación a la altura del cuello. Resultados La perforación del cuello provocó una evaporación muy rápida del nitrógeno líquido. La temperatura del sensor de temperatura de superficie fue la que respondió más rápidamente y descendió rápidamente a -27 °C. El sensor PT100 situado en la parte superior del dewar fue de nuevo el primero en mostrar un descenso del nivel de nitrógeno líquido, seguido por el sensor inferior de forma similar. Tras la evaporación completa de todo el nitrógeno líquido, el sensor de temperatura de la superficie exterior volvió a calentarse rápidamente. Hora Sensor

10:56 (t=0) Llenado del tanque preparado con nitrógeno líquido

10:59 (3 min) El sensor de temperatura de superficie alcanza los 0 °C

13:13 (2 h 17 min) El sensor de temperatura PT100 de 160 mm alcanza los -194 °C

17:48 (6 h 52 min) El sensor de temperatura PT100 de 160 mm alcanza los -180 °C

19:03 (8 h 7 min) El sensor de temperatura PT100 de 310 mm alcanza los -194 °C

20:52 (9 h 56 min) El sensor de temperatura PT100 de 310 mm alcanza los -180 °C

23:37 (12 h 41 min) Sensores de temperatura >0 °C

Figura 15: Comportamiento de un dewar con una perforación de la capa interna a la altura del cuello.

Figura 16: Vista detallada del sensor de temperatura interno en un dewar con una perforación a la altura del cuello.

Figura 17: Comportamiento del sensor de temperatura de superficie en un dewar con una perforación a la altura del cuello. Discusión El sensor PT100 colocado en el exterior del dewar fue el que respondió más rápido a la perforación a la altura del cuello. Sin embargo, la prueba se realizó con una perforación más grande a la altura del cuello. Si se produjera una perforación más pequeña, la velocidad y el alcance del cambio de temperatura serían diferentes. El análisis de los datos muestra que la sola temperatura de la superficie exterior del dewar es una buena forma de predecir un problema catastrófico. Sin embargo, no hay forma de predecir cómo cambiará la medición de la temperatura en otras situaciones. Por este motivo, un sensor de temperatura externo por sí solo no mitigaría todos los riesgos. Ambos sensores PT100 colocados dentro del dewar son eficaces para detectar el descenso del nivel. El sensor colocado en la parte superior del cuello del dewar (160 mm) es el que detecta más rápido el descenso del nivel. El sensor colocado más abajo (310 mm) tarda más en detectar el descenso del nivel del líquido. Si un usuario utilizara solo el sensor de 310 mm para monitorizar sus muestras, el tiempo de respuesta desde que se alcanzan los -194 °C hasta los -180 °C sería de 1 hora y 49 minutos. Disponer de una solución de monitorización en tiempo real adecuada debería dar al personal de guardia tiempo suficiente para responder y salvar el material sensible. Al utilizar un sensor de 160 mm colocado en la parte superior del tanque para la monitorización, el tiempo de respuesta se ampliará hasta 7 horas y 39 minutos. Esto significa que los dewars tendrían que rellenarse con más frecuencia para evitar falsas alarmas, ya que el nivel de líquido descendería más rápidamente por debajo del nivel umbral. Prueba 4, Perforación del dewar a la altura del fondo Al eliminar el vacío, las cualidades aislantes de un dewar se reducen drásticamente. Este no es el fallo más catastrófico que puede ocurrirle a un dewar. Si la capa interna del dewar se agrietara o rompiera, permitiría que el nitrógeno líquido se infiltrara en la capa externa, amplificando la superficie disponible para la conductividad térmica. El fondo del dewar sería la zona más crítica del tanque en caso de agrietarse, ya que el líquido se drenaría a la mayor velocidad. Esta prueba mostrará el comportamiento de un dewar con una perforación de la capa interna a la altura del fondo. Tenga en cuenta lo siguiente: Se perforó la capa exterior del dewar para liberar de forma segura la presión que se había acumulado en su interior. Sin estos orificios, la acumulación de presión podría haber provocado una explosión. No intente replicar esta prueba sin tomar las precauciones de seguridad necesarias. Configuración de la prueba Dispositivo Principio de medición Nivel

Sensor PT100 310 mm Sensor de temperatura Colocado a 10 cm del fondo del dewar

Sensor de temperatura de superficie PT100 colocado a la altura del cuello del dewar Se preparó un dewar de 10 l con una perforación de la pared interior a nivel del fondo. El dewar se llenó hasta el borde con nitrógeno líquido, hasta un nivel superior al que los usuarios lo llenarían normalmente. Después del llenado, los sensores de temperatura XiltriX, junto con el tapón de espuma, se volvieron a introducir en el

dewar. El nitrógeno líquido pudo drenar parcialmente a través del orificio situado a nivel del fondo, infiltrándose en el espacio entre la pared interior y la exterior. La mayor superficie permite una transferencia de calor más rápida y, por lo tanto, debería dar lugar a un calentamiento más rápido de todo el dewar. Puede ver un vídeo del llenado aquí: XiltriX, Llenado de un dewar con perforación de la pared interior. Resultados La perforación en el fondo provoca una evaporación muy rápida del nitrógeno líquido. El sensor de temperatura de superficie fue el que respondió más rápido y descendió rápidamente a -127 °C. El sensor PT100 situado en la parte superior del dewar volvió a ser el primero en mostrar un descenso del nivel de nitrógeno líquido, seguido por el sensor inferior de forma similar. Tras la evaporación completa de todo el nitrógeno líquido, el sensor de temperatura de la superficie exterior volvió a calentarse rápidamente. Hora Descripción

13:20 (t=0) Llenado del tanque preparado con nitrógeno líquido

13:21 (1 min) El sensor de temperatura de superficie alcanza los 0 °C

13:26 (6 min) El sensor de temperatura PT100 de 160 mm alcanza los -194 °C

13:29 (8 min) El sensor de temperatura PT100 de 160 mm alcanza los -180 °C

13:50 (29 min) El sensor de temperatura PT100 de 310 mm alcanza los -194 °C

14:20 (60 min) Todo el nitrógeno líquido se ha evaporado

18:16 (4 h 56 min) Sensores de temperatura >0 °C

Figura 18: Prueba de dewar con una perforación de la pared interior a nivel del fondo.

Figura 19: Vista detallada de los sensores de temperatura internos dentro de un dewar con una perforación a nivel del fondo.

Figura 20: Gráfico de la temperatura de superficie para el dewar con una perforación de la pared interior a nivel del fondo. Discusión El sensor PT100 colocado en el exterior del dewar fue el que respondió más rápido a la perforación a nivel del fondo. Sin embargo, la prueba se realizó con una perforación grande a nivel del fondo. Si se produjera una perforación más pequeña, la velocidad y la magnitud del cambio de temperatura serán diferentes. El análisis de los datos muestra que la simple medición de la temperatura de la superficie exterior del dewar es una buena forma de predecir un problema catastrófico. Sin embargo, no hay forma de predecir cómo cambiará la medición de la temperatura en otras situaciones. Por este motivo, un sensor de temperatura externo por sí solo no mitigaría todos los riesgos. Ambos sensores PT100 colocados dentro del dewar son eficaces para detectar el descenso del nivel. El sensor situado en la parte alta del cuello del dewar (160 mm) detecta el descenso de nivel más rápidamente. El sensor colocado más abajo (310 mm) tarda más en detectar el descenso del nivel del líquido. Si un usuario solo utilizara el

sensor de 310 mm para monitorizar sus muestras, el tiempo de respuesta para pasar de -194 °C a -180 °C sería de 1 hora y 16 minutos. Con una solución de monitorización en tiempo real adecuada, esto debería dar al personal de guardia tiempo suficiente para responder y salvar el material sensible. Al utilizar un sensor de 160 mm situado en una posición más alta en el tanque para la monitorización, el tiempo de respuesta se ampliará hasta 1 hora y 40 minutos. Esto significa que los dewars tendrían que rellenarse con más frecuencia para evitar falsas alarmas porque el nivel de líquido descendería más rápidamente por debajo del nivel umbral. Conclusión final Las pruebas realizadas tenían como objetivo determinar si el uso de sensores de temperatura como forma de detección del nivel mínimo sería una solución robusta para la monitorización de los dewars. Los resultados variaron mucho tanto en el comportamiento de la temperatura como en el tiempo que un usuario tendría para prevenir eficazmente los daños si se produjera un problema en mitad de la noche sin que nadie estuviera en las instalaciones. Todos los sensores de temperatura son eficaces para indicar fallos catastróficos del dewar de diversas formas. El sensor de temperatura colocado en el exterior del revestimiento del dewar es siempre el que responde más rápido. Este sensor proporcionará la alarma más rápida cuando se conecte a un sistema de monitorización remota

sistema. Desciende rápidamente a un nivel de temperatura bajo, pero es difícil predecir cuál será ese nivel. La configuración correcta de este sensor (tanto la posición como los límites de alarma) será un proceso de ensayo y error y es imposible realizar pruebas para cada circunstancia. No se puede predecir a qué nivel descenderá la temperatura en caso de que se produzca un fallo. Cabe destacar que la temperatura ambiente de la sala afectará a la medición de la temperatura, por lo que las posibilidades de que se produzcan falsas alarmas son relativamente altas. Además, el sensor colocado en el exterior está mucho más expuesto y, por lo tanto, es propenso a sufrir daños causados por el desplazamiento de los dewars. Como el sensor no se encuentra entre las muestras reales, no tiene ningún valor añadido para la medición de la temperatura. No se recomendaría utilizar solo este tipo de sensor para la monitorización de dewars, pero puede tener un efecto beneficioso en el tiempo de respuesta ante un fallo catastrófico. El uso de sensores de temperatura colocados internamente como sensores de nivel mínimo de líquido siempre da como resultado una medición y un evento de alarma fiables. Los sensores internos no se ven afectados por las condiciones ambientales y, por lo tanto, su comportamiento es mucho más fácil de predecir. Al utilizar un límite de alarma de -194°C, los usuarios tienen tiempo suficiente para responder a una alarma si el sistema de monitorización y alarma mide y alerta en tiempo real. En caso de un fallo catastrófico importante de un dewar, el tiempo de respuesta puede ser tan corto como 1 hora y 16 minutos antes de que las muestras inferiores alcancen una temperatura de almacenamiento superior a -180°C. Esta temperatura se considera crítica para el almacenamiento de óvulos humanos. Estas pruebas demuestran cómo los fallos críticos de los dewars pueden tener un efecto catastrófico en las condiciones de temperatura de las muestras almacenadas. También demuestra la importancia de utilizar un sistema de monitorización y alarma adecuado y en tiempo real en las instalaciones de almacenamiento criogénico, por ejemplo, los laboratorios de IVF que almacenan semen, óvulos y embriones humanos. El uso de un sistema de monitorización que no sea en tiempo real (por ejemplo, los registradores de datos) provocará una pérdida de tiempo de respuesta que aumentará drásticamente el riesgo de daños, por ejemplo, en los embriones. Además de medir las temperaturas, los retardos de alarma deben configurarse de forma flexible. Durante el horario de oficina, son necesarios tiempos de retardo más largos para evitar falsas alarmas. Fuera del horario de oficina, los tiempos de retardo más cortos proporcionan un tiempo de respuesta adicional al usuario. Y, por último, las notificaciones de alarma deben permitir un mecanismo de cascada progresivo con acuse de recibo activo. Un sistema adecuado para este fin es el sistema de monitorización y alarma en tiempo real XiltriX. Durante más de dos décadas, XiltriX ha protegido con éxito muestras irremplazables en instalaciones de almacenamiento criogénico de todo el mundo. Descargue la guía definitiva para la monitorización y alarma de dewars ***Agradecimientos:***Quisiera expresar mi gratitud a la gente deCryo Solutionsen Rosmalen, Países Bajos. En primer lugar, quisiera agradecer aDavid Vaessensu ayuda y sus conocimientos en la preparación y realización de estas pruebas. Sin usted, este artículo no habría sido posible. En segundo lugar, me gustaría dar las gracias aRichard van Woerdenpor permitirnos utilizar su empresa, su sala de criogenia y sus dewars para realizar estas pruebas. Por último, pero no por ello menos importante, gracias a laDra. Christine Allenpor ayudarme a debatir ideas científicas. Añadir la prueba de punción del cuello aportó exhaustividad a este trabajo. Esperamos que nuestra información ayude a que el almacenamiento criogénico a largo plazo en dewars sea un poco más seguro y a evitar la pérdida innecesaria de tejido o incluso de vidas.