Kryotechnik

Kryogene Anwendungen

Definitionen, Beispiele und mehr.

Die Kryotechnik konzentriert sich auf Flüssiggase und die kryogenen Anwendungen, die sie verwenden. Aber welche kryogenen Anwendungen werden wir im Jahr 2023 erkennen? In welchen Branchen spielt die Kryotechnik eine Rolle, und welche Anwendungen sind in naher Zukunft zu erwarten?

In diesem Blog werden wir die oben genannten Fragen im Detail beantworten. Wir gehen kurz auf die Kryotechnik im Allgemeinen ein, betrachten die Entwicklung kryogener Anwendungen, erläutern einige typische Anwendungen und erklären, wie ein Flüssiggas von seiner Herstellung zu einer Anwendung gelangt.

Was ist Kryotechnologie?

Bevor wir im Detail auf kryogene Anwendungen eingehen, zunächst eine kurze Einführung: Was genau ist Kryotechnik, und was macht ein Material oder eine Anwendung „kryogen“?

Kryotechnik ist der Bereich, der sich mit extrem niedrigen Temperaturen und den chemischen Reaktionen die während des Prozesses stattfinden. Der Schwerpunkt liegt auf der Verflüssigung von Industriegasen. Bei einer Temperatur von -160 °C nehmen die Gase eine flüssige Form an und werden ab dieser Temperatur als „tiefkalt“ bezeichnet.

Zahlreiche Industriezweige verwenden verflüssigte Industriegase, die mit Hilfe der Kryotechnik flüssig gehalten werden. Zu den Branchen, die in hohem Maße auf Kryotechnik angewiesen sind, gehören u. a. die folgenden:

Jeder dieser Industriezweige arbeitet mit spezifischen Anwendungen, die unterschiedliche Flüssiggase bei unterschiedlichen Temperaturen verwenden. Vier Flüssiggase, die wir in vielen Sektoren typischerweise sehen, sind:

Flüssiger Stickstoff (mit einem Siedepunkt von -195,8°C). Flüssiger Stickstoff wird häufig in der Autoindustrie, Elektronikindustrie, Nahrungsmittelindustrie, medizinische Industrie und Pharmaindustrie angewandt.
Dort wird es zur kryogenen Kühlung von Materialien eingesetzt. Da Flüssigstickstoff aus der Umgebungsluft gewonnen werden kann, ist er ein relativ umweltfreundliches und kostengünstiges Gas. Dies macht es zu einem beliebten Gas, das von vielen Herstellern verwendet wird.
Flüssiger Wasserstoff (mit einem Siedepunkt von -252,9°C). Wie in unserem Blog
Flüssigwasserstoff zu lesen ist, soll dieses beliebte Gas künftig in großem Umfang als erneuerbarer Kraftstoff und Energieträger verwendet werden, u. a. im (Straßen-)Transportsektor.
LNG oder verflüssigtes Erdgas (mit einem Siedepunkt von -162°C). LNG ist ein beliebter Kraftstoff, der im Straßenverkehr und in der Schifffahrt zum Einsatz kommt.
Flüssiges Helium (mit einem Siedepunkt von -268,9°C). Helium ist wichtig für die wissenschaftliche Forschung und wird regelmäßig in der medizinischen Industrie eingesetzt.

Die allerersten kryogenen Anwendungen

Die Kryotechnik steht nicht still. Es wird ständig nach neuen Techniken, Anwendungen und Möglichkeiten für eine möglichst effiziente Nutzung von Flüssiggasen geforscht. Aber wo hat das alles angefangen? Wie sahen die ersten kryogenen Anwendungen aus?

Wie nicht anders zu erwarten, begann die Entwicklung der kryogenen Anwendungen mit der Forschung zur Produktion und Lagerung von Flüssiggas. So entwickelte James Dewar 1892, nicht lange nach der ersten Verflüssigung verschiedener Gase, seine bekannte dewar. Der Dewar ist ein Lagerbehälter für extrem kalte Gase, der auch heute noch weit verbreitet ist.

Einige Jahrzehnte später verlagerte sich der Schwerpunkt auf die großtechnische Produktion von Industriegasen. Ein gutes Beispiel für eine wichtige Entwicklung in diesem Bereich war der Bau der ersten Luftzerlegungsanlage für Sauerstoff im Jahre1902. Diese neue Technik, die von Carl von Linde entdeckt worden war, wurde als großer Durchbruch in der Kryotechnik angesehen.

Mit dem Aufschwung der großtechnischen Produktion von Industriegasen wurden kryogene Anwendungen entwickelt und in verschiedenen Branchen eingesetzt. Um ein paar Beispiele zu nennen:

Rund um 1960 wurde flüssiger Stickstoff erstmals kommerziell zur Kühlung von Lebensmitteln in Gefrieranlagen im großen Maßstab.
Unter 1961wurden flüssiger Wasserstoff und flüssiger Stickstoff in der U.S.-Rakete Atlas Centaur verwendet.
Im gleichen Zeitraum fanden auch im medizinischen Bereich mehrere Entwicklungen statt. Die ersten Kryoprotektiva wurden zum Beispiel in 1946 und 1959 auf medizinisches Gewebe zu kühlen. Unter 1961, Kryochirurgie zum ersten Mal durchgeführt, und 1983 wurden die ersten kryogenen Techniken für die Magnetresonanztomographie (MRT).

Die oben genannten Anwendungen stellen nur eine kleine Auswahl aller kryogenen Anwendungen dar, die in den letzten hundert Jahren entdeckt und entwickelt wurden. Einige sind geblieben, andere wurden ersetzt, und jedes Jahr kommen neue Anwendungen hinzu.

Kryogene Anwendungen im Jahr 2023

Im Jahr 2023 wird die Kryotechnik aus vielen Branchen nicht mehr wegzudenken sein. Viele Fertigungsprozesse sind heute von Flüssiggasen abhängig, und die kryogenen Infrastrukturen werden immer besser und ausgefeilter.

Im weiteren Verlauf dieses Blogs werden wir einige der jüngsten Entdeckungen in der Kryotechnik und mögliche künftige kryogene Anwendungen näher erläutern. Zunächst möchten wir jedoch kurz auf die kryogenen Anwendungen eingehen, die bis 2023 vollständig etabliert und in großem Umfang produziert und genutzt werden.

Kryogene Anwendungen in der medizinischen und pharma-zeutischen Industrie

Zwei miteinander verknüpfte Branchen, in denen kryogene Anwendungen im Jahr 2023 weit verbreitet sein werden, sind die Medizin- und Pharmaindustrie. In beiden Branchen ist die Erhaltung des Gewebes in optimaler Form lebenswichtig, ob es sich um Medikamente oder biologische Materialien.

Kryogene Gefriersysteme

Der kryogene Gefrierschrank ist eine der ältesten und am weitesten verbreiteten kryogenen Gefriersystemen in der medizinischen und pharmazeutischen Industrie. Im Standard Kryogene Gefriergeräte, Flüssigstickstoff wird in das System eingespritzt, erzeugt kalte Dämpfe. Diese Dämpfe umhüllen das zu kühlende Produkt und bringen es auf die gewünschte niedrige Temperatur.

Viele Substanzen, wie bestimmte Medikamente, Blutzellen, Stammzellen und Eier, können mit einem „normalen“ kryogenen Gefriergerät oder einem so genannten Control Rate Freezer eingefroren werden. Dies gilt jedoch nicht für alle Substanzen. Manchmal ist die Konservierung bestimmter Bestandteile so wichtig, dass andere Techniken erforderlich sind. In diesem Fall kann die Gefriertrocknung – oder Lyophilisierung – die Lösung sein.

Gefriertrocknung ist ein Kühlverfahren, bei dem einer Substanz das Wasser entzogen wird, nachdem sie eingefroren und in ein Vakuum gebracht wurde. Dieses Verfahren wird zum Einfrieren von Lebensmitteln, pharmazeutischen/biopharmazeutischen Produkten Bulk-Inhaltsstoffe wie Proteine, Kollagen, Peptide, Oligonukleotide, chemische Wirkstoffe, Enzyme und mAbs verwendet.

Lagerung von Materialien und kryogenen Flüssigkeiten

Offensichtlich ist die medizinische und Pharmaindustrie viele andere kryogene Anwendungen nutzen. So werden beispielsweise kleine biologische Proben in CRFs und Lagerbehältern aufbewahrt, wo sie über einen längeren Zeitraum in optimaler Qualität aufbewahrt werden können. Dieser Vorgang wird als Probenlagerung.

Lagerung von Proben erfolgt in kleinen Fläschchen, die in flüssigem Stickstoff auf etwa -135 °C gekühlt werden. Die extreme Kälte stoppt praktisch alle biologischen Aktivitäten und minimiert theoretisch den langfristigen Abbau der Proben.

Schließlich gibt es in vielen medizinischen Einrichtungen auch die bereits erwähnten kryogenen Lagerungs-Dewars und Stickstoff-Füllstationen. Diese Stationen befinden sich in der Nähe eines Tanks in oder außerhalb eines Gebäudes und ermöglichen die schnelle Entnahme von mehreren Litern flüssigen Stickstoffs für den Einsatz.

Kryogene Gesundheitsbehandlung mit der Kryosauna

Bevor wir uns mit der Nahrungsmittelindustrie beschäftigen, kommt hier eine weitere beliebte Anwendung, die stark mit dem medizinischen Sektor zusammenhängt: die Kryosauna. Eine Behandlung in dieser Sauna, genannt Kryotherapie. Bei der Kryotherapie wird der Körper mehrere Minuten lang kryogenen Temperaturen ausgesetzt, um die allgemeine Gesundheit zu fördern.

Normalerweise wird eine Kryosauna mit flüssigem Stickstoffdampf oder mit elektrisch gekühlter Luft gekühlt. Die Anwendung sieht aus wie eine große Kabine, neben der sich ein Dewar mit flüssigem Stickstoff befindet (oder in der sich ein Dewar befindet).

Kryogene Anwendungen in der Nahrungsmittelindustrie

Ein zweiter Industriezweig, der intensiv auf kryogene Anwendungen angewiesen ist, ist die Nahrungsmittelindustrie. Die Kühlung von Lebensmitteln ist in dieser Branche von entscheidender Bedeutung, solange sie ihre beste Qualität haben. Kryogene Kältesysteme haben sich dabei als die ultimative Methode erwiesen.

Gefriersysteme für Lebensmittel

Die Tunnelfroster ist eines der am häufigsten verwendeten Gefriersysteme für das schnelle, großflächige Einfrieren von Lebensmitteln. Die Produkte gelangen auf der einen Seite in diese großen Gefrieranlagen und kommen auf der anderen Seite vollständig gefroren wieder heraus.

Ein Vorteil des Tunnelfrosters ist die Tatsache, dass Lebensmittel so schnell gefrieren, dass ihre Qualität sehr hoch bleibt. Nährstoffe und Vitamine in den Lebensmitteln bleiben relativ gut erhalten.

Wie ein Gefriertunnel Die genaue Funktionsweise hängt vom System und dem einzufrierenden Produkt ab. In der Regel werden die Produkte jedoch besprüht mit flüssigem Stickstoff bei -196°C (77 K), um die Produktoberfläche zu härten.

Für eine noch bessere Haltbarkeit, Gefriertrocknung wird auch für bestimmte Lebensmittel verwendet. Wie bei biologischen Materialien profitieren auch Lebensmittel von der optimale Erhaltung ihrer Struktur die Gefriertrocknung ermöglicht.

Ein Gefriertrockner friert ein Produkt ein, reduziert dann den Druck und führt Wärme zu, so dass das gefrorene Wasser im Material sofort verdampft.

Natürlich bleibt es auch in der Nahrungsmittelindustrie nicht nur bei Gefriersystemen. Zu den anderen kryogenen Anwendungen, die bei vielen Lebensmittelherstellern im Einsatz sind, gehören Kühlwannen mit flüssigem Stickstoff sowie die bekannten Dewars und Abfüllstationen.

Kryogene Anwendungen in die Raumfahrtindustrie

Die Raumfahrtindustrie macht nicht nur in großem Umfang Gebrauch von kryogenen Anwendungen, sondern würde ohne die Kryotechnik völlig anders aussehen. So werden beispielsweise kryogene Gase als Treibstoff und flüssiges Helium zur Kühlung von Detektoren verwendet, damit diese im Weltraum hochpräzise Messungen durchführen können.

Kryogene Raketentriebwerke

Ein kryogenes Raketentriebwerk verwendet einen kryogenen Treibstoff und Oxidationsmittelnormalerweise bestehend aus flüssigem Sauerstoff (bei -183°C) und flüssigem Wasserstoff (bei -253°C). Diese Technologie wurde erstmals in der berühmten amerikanischen Rakete Atlas-Centaur und trug wesentlich zum Erfolg der NASA bei der Erreichung des Mondes mit der Saturn-V-Rakete.

Die kryogene Prüfkammer

Kryogene Anwendungen sind auch bei der Startvorbereitung unverzichtbar. Die Kryogene Prüfkammer ist ein Beispiel für eine kryogene Anwendung, die Satelliten und Raketen auf den Start vorbereitet. In dieser Kammer wird bei kryogenen Temperaturen erforscht, inwieweit alle Funktionen eines Satelliten oder eines Triebwerks auch unter extremen Bedingungen aktiv bleiben. extreme Temperaturschwankungen.

Kryogene Anwendungen in Transport

Zu den Industriezweigen, in denen Flüssiggase zunehmend in die Entwicklung neuer Anwendungen einbezogen werden, gehört vielleicht vor allem der Transportsektor.

Hauptsächlich Wasserstoff bildet die Grundlage der aktuellen Bemühungen um Nachhaltigkeit sowohl im Straßenverkehr als auch in der Schifffahrt, und es befinden sich zahlreiche wasserstoffbetriebene Autos, Lastwagen und Schiffe in der Entwicklung.

Einige Beispiele für kryogene Anwendungen in der Transportindustrie sind:

Personenkraftwagen mit einem Motor, der mit flüssigem Wasserstoff betrieben wird. Im Jahr 2001 brachte BMW den Mini Hydrogen auf den Markt, der als eines der ersten mit Flüssigwasserstoff betriebenen Autos gilt. Derzeit kommen immer mehr Wasserstoffautos auf den Markt, die hauptsächlich mit einer Wasserstoff-Brennstoffzelle betrieben werden.
Die Entwicklung von Lastkraftwagen mit Wasserstoff-Brennstoffzellen oder Tanks für flüssigen Wasserstoff. Ein gutes Beispiel ist der Mercedes-Benz GenH2 Truck von Daimler, der sich derzeit in der Entwicklung befindet.
Die Verwendung von LNG als Kraftstoff vor allem für Lastwagen und Frachtschiffe. LNG (Flüssigerdgas) ist inzwischen weit verbreitet und gilt als ein Kraftstoff, der ein wenig nachhaltiger ist als herkömmlicher Dieselkraftstoff.
Eine Betankungsstation für LNG oder Wasserstoff.

Kryogene Anwendungen in wissenschaftliche Forschung

Eine der ersten Branchen, die mit kryogenen Techniken und damit mit kryogenen Anwendungen experimentiert, ist die die wissenschaftliche Forschung.

Durch die Abkühlung von Magneten mit kryogenen Gasen auf nahezu den absoluten Nullpunkt können sie, je nach Material, supraleitend gemacht werden und enorme Kräfte bei relativ geringen Abmessungen erzeugen. Und diese enormen Kräfte sind Gegenstand umfangreicher Forschungen.

Einige Beispiele für Kryogenikprojekte in der wissenschaftlichen Forschung umfassen Experimente mit Teilchenbeschleunigern und großen Supraleitern. Gleichzeitig wird die Wirkung von extreme Temperaturen überwacht wird.

Weil es eines der kältesten und stärksten kryogenen Gase ist, flüssiges Helium häufig als Kühlmittel in wissenschaftlichen Experimenten verwendet.

Dutzende von Branchen

Natürlich ist die obige Liste der Branchen und Anwendungen bei weitem nicht vollständig. Weitere Branchen, in denen kryogene Anwendungen zum Einsatz kommen, sind die
Elektronikindustrie, Autoindustrie, chemische Industrie und die Metallbranche.

Möchten Sie mehr über diese Branchen und die dort eingesetzten kryogenen Anwendungen erfahren? Dann Lesen Sie mehr über die elf kryogenen Industrien, für die Demaco kryogene Dienstleistungen und Infrastrukturen bereitstellt.

Die künftige Rolle der kältetechnischen Anwendungen

Kryogene Anwendungen haben sich im letzten Jahrhundert stark verändert, und die Forschung geht weiter. Wie sieht die Zukunft der kryogenen Anwendungen aus? Welche Rolle wird die Kryotechnik im Jahr 2023 und darüber hinaus spielen?

Betrachtet man die derzeit in der Entwicklung befindlichen Projekte sowie die Aufgaben und Visionen der wichtigsten Akteure in der Tieftemperaturindustrie, so stechen zwei Themen für die nahe Zukunft hervor: die weitere technische Entwicklung kryogener Anwendungen und die Nutzung von Kryotechniken, um verschiedene Industrien nachhaltiger zu machen.

Einige neue kryogene Anwendungen, von denen wir erwarten, dass sie in Zukunft immer häufiger anzutreffen sein werden, sind:

Neue kryogene Anwendungen in der medizinischen Industriewie zum Beispiel offene MRI-Geräte, Magnetoenzephalographie auf der Grundlage von SQUID-Detektoren, um die Reaktion des Gehirns auf Stimuli abzubilden, und kompakte Beschleuniger für die Protonentherapie sind bei einigen Krebsbehandlungen hilfreich.
Die weitere Entwicklung und der Ausbau des wasserstoffbetriebenen Straßenverkehrs. Wasserstoffbetriebene Personenkraftwagen werden leichter zugänglich gemacht, wasserstoffbetriebener Güterverkehr wird voraussichtlich an Fahrt aufnehmen, und es wird an Verbrennungsmotoren, die mit flüssigem Wasserstoff betrieben werden geforscht.
Die Entwicklung nachhaltiger Flugzeugtriebwerke auf der Grundlage kryogener Techniken. Mehrere Flugzeuge befinden sich derzeit in der Entwicklung mit leichten, supraleitenden Triebwerken und die Prototypen sollen bis 2030 hergestellt werden.

Energietransport mit flüssigem Wasserstoff. Da wir weltweit mehr und mehr auf erneuerbare Energien umsteigen, wird es unerlässlich, diese Energie international zu transportieren. Schließlich hat nicht jedes Land den gleichen Zugang zu Solar-, Wind- und anderen erneuerbaren Energiequellen. Die Umwandlung dieser Energie in flüssigen Wasserstoff mit Elektrolyseure macht den Transport über große Entfernungen deutlich einfacher.

Wie das Flüssiggas in die kryogene Anwendung gelangt?

Eine kryogene Anwendung ist nichts ohne eine kryogene Flüssigkeit. Aber wie kommt ein flüssiges Gas in die Anwendung? Wie wird die extrem kalte Flüssigkeit hergestellt und transportiert, und wie wird die Versorgung der Anwendung geregelt?

Von der Produktion bis zu Transport und Lagerung

Technische Gase wie Stickstoff, Sauerstoff, Helium und Wasserstoff werden in gasförmiger Form hergestellt. Wie das funktioniert, hängt von der Art des Gases ab. Wasserstoff wird zum Beispiel hergestellt durch Methandampfreformierung oder Elektrolyse. Helium, Sauerstoff und Stickstoff werden in Luftzerlegungsanlagen gewonnen.

Nach der Produktion werden die Gase in gasförmiger Form gelagert oder mit einem so genannten Verflüssiger verflüssigt, um sie effizienter zu lagern und zu transportieren. Der Grund dafür ist, dass Gase in flüssiger Form weniger Platz benötigen als in gasförmiger Form, was die Lagerung und den Transport in verflüssigter Form wesentlich effizienter macht.

Die Flüssigkeit wird dann in einem kryogenen Tank per Schiff oder LKW zum Endverbraucher transportiert.

Vom Lagertank zur Anwendung

Die meisten Anwender kryogener Gase haben einen Großtank vor Ort, in dem die Flüssigkeit bei optimal isoliert. Dieser Tank wird bei Bedarf nachgefüllt und versorgt kryogene Anwendungen mit einer ausreichenden Flüssiggasversorgung.

Aber wie kommt die Flüssigkeit aus diesem Tank zu den Anwendungen? Dies ist der Ort, an dem Kryo-Infrastrukturen sind unverzichtbar. In den meisten Fällen werden kryogene Flüssigkeiten mehrere Dutzend Meter von einem Lagertank (oft außerhalb eines Gebäudes) und einer Anwendung (innerhalb eines Gebäudes) entfernt gelagert. Es ist wichtig, dass die Flüssigkeit die Anwendung mit dem richtigen Druck und der richtigen Temperatur erreicht.

Die meisten Standorte installieren ein Netz von vakuum-isolierten Transferleitungen um die höchste Qualität des Gases zu erhalten, ergänzt durch qualitätsverbessernde Produkte wie zum Beispiel ein Phasentrenner, Entgaseroder Entlüftungsventil. Außerdem sind, wie bereits erwähnt, einige Tanks mit einer Stickstoff-Füllstation die es den Benutzern ermöglicht, kleine Mengen Stickstoff zu ihren Arbeitsplätzen zu tragen.

Vakuum-Isolierung

Ein kryogenes Rohrleitungssystem muss technisch einwandfrei sein. Die beste Isolierung ist entscheidend für die sicher Transport von kryogenen Gasen, weshalb in den meisten Fällen eine Vakuumisolierung verwendet wird.

Vakuumisolierte Transferleitungen enthalten eine rundum von einer Vakuumkammer umschlossene Prozessleitung, in der ein hochgradig isolierendes Vakuum garantiert ist. Das isolierende Vakuum verhindert das Eindringen von Energie von außen und sorgt dafür, dass die Verdunstung auf ein Minimum reduziert wird.

Möchten Sie mehr über die beste Isolierung für kryogene Infrastrukturen erfahren? Dann lesen Sie bitte unsere Seite über Vakuumtechnik.

Wie Demaco kryogene Anwendungen verbessert, damit sie optimal funktionieren

Dieser Blog zeigt eindeutig, dass die Kryotechnik sehr vielseitig ist. Kryogene Flüssigkeiten werden in Dutzenden von Industrien verwendet und es gibt sie in unzähligen Varianten. Und genau das macht den Beruf des Kryotechnikers sowohl kompliziert als auch spannend.

Demaco steht seit Jahrzehnten an der Spitze der kryogenen Industrie. Unser Team von Kryotechnikern ist in einer Vielzahl von Branchen tätig. Demaco bietet komplette Infrastrukturen, die sicherstellen, dass kryogene Gase in perfektem Zustand vom Lagertank zur Anwendung geleitet werden.

Wir beraten bei der Planung, Konstruktion, Herstellung und Lieferung; wir montieren, überwachen und zertifizieren Rohrleitungen, Systeme und vakuumisolierte Komponenten. Wir bieten auch verschiedene vakuumisolierte Produkte aus unserem Webshop Vakuum.

Weitere Informationen über unsere Arbeit finden Sie in unseren Produkte und Dienstleistungen oder wenden Sie sich an uns, wenn Sie Fragen haben oder eine kostenlose Beratung wünschen.