Cryogenics

Cryogene toepassingen

Definities, voorbeelden en meer.

In de cryogene techniek staan vloeibare gassen en de cryogene toepassingen die hier gebruik van maken centraal.. Maar welke cryogene toepassingen kennen we in 2023? Binnen welke industrieën speelt de cryogene techniek een rol en welke toepassingen kunnen we in de nabije toekomst verwachten? 

In deze blog geven we uitgebreid antwoord op de bovenstaande vragen. We gaan kort in op de cryogene techniek in het algemeen, we kijken naar de ontwikkeling van de cryogene toepassing, we lichten enkele veelgebruikte toepassingen toe en leggen uit hoe een vloeibaar gas vanaf productie de toepassing bereikt.

Wat is de cryogene techniek?

Voordat we uitgebreid ingaan op de cryogene toepassing, eerst een korte introductie. Wat is de cryogene techniek precies en wat maakt een materiaal of toepassing ‘cryogeen’?

De cryogene techniek is het vakgebied dat zich bezighoudt met extreem lage temperaturen en de chemische reacties die hierbij plaatsvinden. De focus is hierbij het vloeibaar maken van industriële gassen. Rond een temperatuur van -160 °C krijgen gassen een vloeibare vorm, en vanaf deze temperatuur mag dan ook worden gesproken van ‘cryogeen’. 

Binnen een groot aantal industrieën wordt gebruik gemaakt van industriële gassen, die met behulp van cryogene techniek vloeibaar worden gemaakt – en gehouden. Enkele voorbeelden van industrieën die sterk afhankelijk zijn van de cryogenie zijn de:

Iedere industrie werkt met specifieke toepassingen, die gebruik maken van verschillende vloeibare gassen bij verschillende temperaturen. Vier vloeibare gassen die we binnen veel industrieën terugzien zijn: 

  • Vloeibare stikstof (met een kookpunt van -195,8 °C). Vloeibare stikstof wordt veel gebruikt in automotive industry, electronics industry, food industry, medical industry, enpharmaceutical industryvoor de cryogene koeling van materialen. Omdat vloeibare stikstof uit de omgevingslucht kan worden gehaald, is het een relatief milieuvriendelijk en betaalbaar gas. Dit maakt het een populair gas dat door veel producenten wordt ingezet. 
  • Vloeibare waterstof (met een kookpunt van -252,9 °C). Zoals te lezen in onze blog over vloeibare waterstof, dit populaire gas veel ingezet als duurzame brandstof en energiedrager in onder meer de (weg)transportsector. 
  • LNGofwel vloeibaar aardgas (met een kookpunt van −162 °C). LNG is een populaire brandstof die veel wordt gebruikt binnen zowel de wegtransportsector als de marine industry
  • Vloeibare helium (met een kookpunt van -268,9 °C). Helium heeft een belangrijke rol in scientific research en wordt ook binnen demedical industry regelmatig ingezet.
Pipes

De allereerste cryogene toepassingen

De cryogene techniek staat niet stil. Er wordt continu onderzoek gedaan naar nieuwe technieken, toepassingen en mogelijkheden voor de meest efficiënte inzet van vloeibare gassen. Maar waar begon het allemaal? Hoe zagen de eerste cryogene toepassingen eruit?

Zoals wellicht te verwachten, begon de ontwikkeling van cryogene toepassingen met onderzoek rondom de productie en opslag van vloeibaar gas. . Zo werd in 1892, niet lang nadat diverse gassen voor het eerst vloeibaar werden gemaakt, Dewar’s bekende dewar ontwikkeld.. De dewar is een opslagvat voor extreem koude gassen dat ook nu nog op grote schaal wordt gebruikt.

Enkele tientallen jaren later verschoof de focus naar de grootschalige productie van industriële gassen. Een goed voorbeeld van een belangrijke ontwikkeling op dit gebied was de bouw van de eerste luchtscheidingsfabriekvoor zuurstof in 1902.. Deze nieuwe door Linde ontdekte techniek werd gezien als een belangrijke doorbraak in de cryogenie.

Terwijl de grootschalige productie van industriële gassen op gang kwam, werden er in diverse industrieën cryogene toepassingen ontwikkeld en in gebruik genomen. Om enkele voorbeelden te noemen:

  • Rond 1960 werd vloeibare stikstof voor het eerst ingezet voor de koeling van voedingsmiddelen op commerciële basis, in grootschalige vriessystemen.
  • In 1961,werd gebruik gemaakt van vloeibaar waterstof en vloeibaar stikstof in de Amerikaanse raket Atlas Centaur.
  • In dezelfde periode vonden ook in de medische wereld diverse ontwikkelingen plaats. Zo werden in 1946 en 1959 de eerste cryoprotectanten gebruikt,in koelsystemen voor medisch weefsel.. Vanaf 1961, werd cryochirurgie voor het eerst uitgevoerd, en in 1983 werden de eerste cryogene technieken gebruikt voor Magnetic Resonance Imaging (MRI).

De bovenstaande toepassingen vormen slechts een kleine selectie van alle cryogene toepassingen die in de afgelopen eeuw zijn ontdekt en ontwikkeld. . Sommigen zijn gebleven, anderen zijn vervangen en er komen elk jaar nieuwe toepassingen bij.

An Atlas-Centaur rocket on Pad 36A at Cape Kennedy for a fueling test in preparation for the AC-3 launch in June 1964. Source: NASA, Glenn Research Center
Een Atlas-Centaur-raket op Pad 36A van Cape Kennedy voor een tanktest ter voorbereiding van de AC-3-lancering in juni 1964.
Bron: NASA, Glenn Research Center

Cryogene toepassingen in 2023

In 2022 is de cryogene techniek een onmisbaar onderdeel geworden van een flink aantal industrieën. Many manufacturing processes are now dependent on liquid gases, and cryogenic infrastructures are getting both better and more sophisticated.

Verderop in deze blog gaan we in op enkele zeer recente ontdekkingen in de cryogenie én mogelijke cryogene toepassingen in de toekomst. Eerst willen we echter kort ingaan op de cryogene toepassingen die in 2022 volledig zijn ingeburgerd en op grote schaal worden geproduceerd en gebruikt.

Cryogene toepassingen in de medical- en pharmaceutical industry

Twee met elkaar samenhangende industrieën waarin in 2022 volop gebruik wordt gemaakt van cryogene toepassingen zijn de medical– en pharmaceutical industry. In beide industrieën staat het behoud van weefsel in optimale vorm centraal, of dit nu om geneesmiddelen of om biologische materialen gaat.

Cryogene vriessystemen

Eén van de oudste en meest gebruikte cryogene vriessystemen dat in de medical– en pharmaceutical industry wordt ingezet is de cryogenic freezer. In standaard cryogenic freezers wordt vloeibare stikstof in het systeem geïnjecteerd, waardoor koude dampen ontstaan. Deze dampen omhullen het te koelen product en brengen dit naar de gewenste lage temperatuur.

Veel materialen, zoals bepaalde geneesmiddelen, bloedcellen, stamcellen en eicellen, kunnen worden ingevroren met een ‘gewone’ cryogenic freezer of een zogenaamde control rate freezer. Dit geldt echter niet voor alle materialen. Soms is het in stand houden van bepaalde bestanddelen zo belangrijk, dat andere technieken nodig zijn. In dit geval kan freeze drying – ofwel lyophilization– de oplossing bieden.

Freeze drying is een vriesdroogproces waarbij water uit een materiaal wordt verwijderd nadat dit is ingevroren en onder vacuüm is geplaatst. Dit proces wordt gebruikt voor het invriezen van zowel voedingsmiddelen als farmaceutische/biofarmaceutische bulkbestanddelen, eiwitten, collageen, peptide, oligonucleotide, chemische API, enzymen en mAbs.

Opslag van materiaal en cryogene vloeistoffen

Uiteraard gebruiken de medical– en pharmaceutical industry nog veel meer cryogene toepassingen. Zo worden kleine biologische samples bijvoorbeeld opgeslagen in CRF’s en opslagvaten, waarin ze voor langere periodes en in de beste kwaliteit kunnen worden bewaard. Dit proces wordt sample storage  genoemd.

Sample storage vindt plaats in kleine flesjes, die in vloeibare stikstof worden gekoeld tot zo’n -135 °C. De extreme kou stopt vrijwel alle biologische activiteit en minimaliseert in theorie monsterdegradatie op de langere termijn.

Als laatste zien we binnen veel medische instellingen ook de eerder genoemde cryogenic storage dewars en nitrogen filling stations terug. Deze stations worden bij een tank in een gebouw of daarbuiten geplaatst en maken het mogelijk om snel enkele liters vloeibare stikstof mee te nemen voor gebruik.

Cryogene gezondheidsbehandeling met de cryosauna

Voordat we overstappen op de food industry, eerst nog een populaire toepassing die sterk is gerelateerd aan de medical industry: de cryosauna. Een behandeling in deze sauna, ook wel cryotherapie genoemd, stelt het lichaam voor enkele minuten bloot aan cryogene temperaturen voor een algemene boost van de gezondheid.

Meestal wordt een cryosauna gekoeld met de damp van vloeibare stikstof, of met door elektriciteit gekoelde lucht. De toepassing ziet eruit als een grote cabine, met daarnaast (of daarin) een dewar met vloeibare stikstof.

Cryogenic sample storage
Cryogenic sample storage

Cryogene toepassingen in de voedingsindustrie

Een tweede industrie die sterk afhankelijk is van cryogene toepassingen, is de food industry. Koeling, in de beste kwaliteit, is binnen deze industrie cruciaal en cryogene koelsystemen hebben bewezen hier het allerbeste in te zijn.

Vriessystemen voor voedingswaren

Eén van de meest gebruikte vriessystemen voor het snel en op grote schaal invriezen van voedingsmiddelen is de tunnel freezer. Producten worden aan de ene kant deze grote vriessystemen ingeleid en komen hier aan de andere kant volledig bevroren weer uit.

Een voordeel van de tunnel freezer is het feit dat voedingsmiddelen zo snel bevriezen, dat de kwaliteit hiervan zeer hoog blijft. Voedingsstoffen en vitamines in het voedsel blijven hierdoor relatief goed behouden.

Hoe een tunnel freezer precies werkt, hangt af van het systeem en het te bevriezen product. Echter, vaak worden producten voor uitharding van het productoppervlak in de tunnel besproeid met vloeibaar stikstof van -196 °C (77 K).

Voor een nog betere houdbaarheid wordt voor bepaalde voedingswaren ook freeze drying toegepast. Net als bij biologische materialen, hebben ook voedingsmiddelen baat bij het optimale behoud van structuur dat freeze drying mogelijk maakt. 

Een freeze dryer werkt door een product eerst te bevriezen, vervolgens de druk te verlagen en uiteindelijk warmte toe te voegen zodat het bevroren water in het materiaal direct in damp opgaat.

Uiteraard blijft het ook in de food industry niet bij vriessystemen. Enkele andere cryogene toepassingen die bij veel voedselproducenten in gebruik zijn, zijn koelbakken met vloeibare stikstof en uiteraard de bekende dewars en filling stations

Cryogene koelbakken met vloeibare stikstof, waarin voedingsmiddelen worden ondergedompeld voor razendsnelle koeling.

Cryogene toepassingen in space industry

De space industry maakt niet alleen op grote schaal gebruik van cryogene toepassingen, maar zou er zonder cryogene techniek volledig anders uitzien. Zo worden cryogene gassen gebruikt als brandstof en wordt bijvoorbeeld vloeibare helium ingezet om detectoren in te koelen, zodat deze zeer nauwkeurig metingen kunnen uitvoeren in de ruimte.

Cryogene raketmotoren

Een cryogene raketmotor is een motor die een cryogene brandstof en oxidatiemiddel gebruikt, meestal bestaande uit vloeibare zuurstof (bij -183 °C) en vloeibare waterstof (bij -253 °C). Deze methode werd voor het eerst gebruikt in de bekende Amerikaanse raket Atlas-Centaur en droeg sterk bij aan het succes van NASA bij het bereiken van de maan met de Saturn V-raket

De cryogene testkamer

Ook bij de voorbereiding van de lancering zijn cryogene toepassingen onmisbaar. Een voorbeeld van een cryogene toepassing die satellieten en raketten klaarstoomt voor vertrek is de cryogene testkamer. In deze kamer worden cryogene temperaturen gebruikt om te onderzoeken in hoeverre alle functies van een satelliet of motor actief blijven bij extreme temperatuurschommelingen.

IISRO Propulsion Complex (IPRC), a rocket engine test facility
IISRO Propulsion Complex (IPRC), een testfaciliteit voor raketmotoren

Cryogene toepassingen de transportsector

Wellicht dé industrie waarin vloeibare gassen steeds vaker worden meegenomen in de ontwikkeling van nieuwe toepassingen, is de transportsector. 

Voornamelijk waterstof vormt de basis van de huidige verduurzaming in zowel wegtransport als scheepvaart en er zijn volop auto’s, vrachtwagens en schepen met waterstofmotor in ontwikkeling. 

Enkele voorbeelden van cryogene toepassingen binnen de transportsector zijn: 

  • Personenauto’s met een motor die op vloeibare waterstof functioneert. In 2001 lanceerde BMW de Mini Hydrogen, die wordt gezien als één van de eerste op vloeibare waterstof rijdende auto’s. Momenteel verschijnen er steeds meer waterstofauto’s op de markt, die voornamelijk gebruik maken van een waterstof-brandstofcel. 
  • De ontwikkeling van vrachtwagens met een waterstof-brandstofcel of tanks voor vloeibare waterstof. Een mooi voorbeeld hiervan is de Mercedes-Benz GenH2 Truck van Daimler, die momenteel nog wordt ontwikkeld. 
  • Het gebruik van LNG als brandstof voor voornamelijk vrachtwagens en vrachtschepen. LNG (liquid natural gas) is tegenwoordig op grote schaal beschikbaar en wordt gezien als een brandstof die net wat duurzamer is dan het gangbare diesel. 
  • Tankstations voor bijvoorbeeld LNG of waterstof.  



Hyundai NEXO, a self-driving car with a hydrogen fuel cell
Hyundai NEXO, een zelfrijdende auto met brandstofcel voor waterstof

Cryogene toepassingen in het scientific research

Eén van de allereerste industrieën waarin geëxperimenteerd werd met cryogene technieken, en dus ook cryogene toepassingen, is het scientific research.

Door magneten met cryogene gassen te koelen tot bijna het absolute nulpunt kunnen deze, afhankelijk van het materiaal, supergeleidend worden gemaakt en daardoor met relatief kleine omvang enorme krachten opwekken. En naar deze enorme krachten wordt uitgebreid onderzoek gedaan.

Enkele voorbeelden van cryogene projecten in het scientific research zijn wetenschappelijke experimenten met deeltjesversnellers, grote supergeleiders en het observeren van het effect van extreme temperaturen.

Omdat dit één van de koudste en meest krachtige cryogene gassen is, wordt vloeibare helium vaak gebruikt als koelmiddel bij wetenschappelijke experimenten. 

Tientallen industrieën

Uiteraard is de bovenstaande lijst met industrieën en toepassingen verre van compleet. Enkele overige industrieën waarbinnen cryogene toepassingen worden gebruikt zijn de electronics industry, de automotive industry, de chemische industrie en de metaalindustrie

Meer weten over deze industrieën en de cryogene toepassingen die hierbinnen in gebruik zijn? Lees hier meer over de elf cryogene industrieën waaraan Demaco cryogene diensten en infrastructuren levert.

The electronics industry uses nitrogen-cooled test chambers for testing computer chips.
In de electronics industry wordt gebruik gemaakt van met stikstof gekoelde testkamers voor het testen van computerchips.

De rol van cryogene toepassingen in de toekomst

Cryogene toepassingen hebben in de afgelopen eeuw enorme veranderingen doorgemaakt, en het onderzoek is nog steeds gaande. Hoe ziet de toekomst van de cryogene toepassing eruit? Welke rol heeft de cryogenie in 2023 en verder? 

Kijkend naar de projecten die momenteel in ontwikkeling zijn én naar de missie en visie van grote partijen in de cryogene industrie, staan voor de nabije toekomst twee thema’s centraal: verdere technische ontwikkeling van cryogene toepassingen en de inzet van cryogene technieken voor de verduurzaming van verschillende industrieën.

Een aantal nieuwe cryogene toepassingen die we naar verwachting in de toekomst steeds vaker zullen gaan zien, zijn:

  • Nieuwe cryogene toepassingen in de medical industry, zoals open MRI-apparaten, magneto-encefalografie op basis van SQUID-detectoren om de reactie van de hersenen op prikkels in kaart te brengen en compacte versnellers voor protontherapie die helpen bij sommige kankerbehandelingen
  • De verdere ontwikkeling en opschaling van wegtransport op waterstof. Personenauto’s op waterstof zullen toegankelijker worden gemaakt, vrachtverkeer op waterstof zal naar verwachting van de grond komen en er wordt gewerkt aan verbrandingsmotoren die op vloeibare waterstof draaien.
  • De ontwikkeling van duurzame vliegtuigmotoren gebaseerd op cryogene technieken. Er zijn momenteel diverse vliegtuigmodellen in ontwikkeling met een lichte, supergeleidende motor. Naar verwachting zullen de eerste prototypes tegen 2030 geproduceerd worden.
  • Energietransport met behulp van vloeibare waterstof. Naarmate we wereldwijd steeds meer overgaan op duurzame energie, wordt het essentieel om deze energie internationaal te transporteren. Niet ieder land heeft immers evenveel toegang tot zon, wind en andere duurzame energiebronnen. Door deze energie met behulp van electrolyzers om te zetten in vloeibare waterstof, is dit aanzienlijk makkelijker over grote afstanden te transporteren.
A mock-up of the ASuMED engine: a superconducting aircraft engine co-developed by Demaco.
Een mock-up van de ASuMED-engine: een supergeleidende motor voor vliegtuigen, mede ontwikkeld door Demaco.

Hoe bereikt vloeibaar gas de cryogene toepassing?

Een cryogene toepassing is natuurlijk niets zonder cryogene vloeistof. Maar hoe bereikt een vloeibaar gas de toepassing? Hoe wordt de extreem koude vloeistof geproduceerd, vervoerd en hoe wordt de toevoer tot de toepassing gereguleerd?

Van productie naar opslag en vervoer

Industriële gassen, zoals stikstof, zuurstof, helium en waterstof, worden geproduceerd in gasvorm. Hoe dit werkt, hangt af van het type gas. Zo wordt waterstof geproduceerd door middel van steam methane reforming of elektrolyse en worden helium, zuurstof en stikstof geproduceerd in luchtscheidingfabrieken.

Na de productie worden de gassen in gasvorm opgeslagen óf vloeibaar gemaakt met een zogenaamde liquefier voor efficiëntere opslag en vervoer. In vloeibare vorm nemen alle gassen namelijk minder plek in beslag dan in gasvorm. Dit maakt opslag en vervoer in vloeibare vorm stukken efficiënter.

Vervolgens wordt de vloeistof naar de eindgebruiker vervoerd in een cryogene tank op een schip of vrachtwagen.

Van opslagtank naar toepassing

De meeste gebruikers van cryogene gassen hebben een bulktank op locatie staan, die de vloeistof optimaal geïsoleerd bewaart. Deze tank wordt wanneer nodig bijgevuld en voorziet cryogene toepassingen van voldoende vloeibaar gas. 

Maar hoe bereikt de vloeistof vanaf deze tank de toepassing(en)? Dit is waar cryogene infrastructuren onmisbaar zijn. In de meeste gevallen leggen de cryogene vloeistoffen enkele tientallen meters af, vanaf een opslagtank (vaak buiten een gebouw) tot aan een toepassing (in een gebouw). Het is hierbij essentieel dat de vloeistof de toepassing op de juiste druk én perfect op temperatuur bereikt. 

Voor het behoud van de hoogste kwaliteit van het gas wordt op de meeste locaties een netwerk van vacuüm geïsoleerde transferleidingen aangelegd, aangevuld met kwaliteitsverbeterende producten zoals een fasenscheider, degasser of afgasautomaat. Ook worden sommige tanks voorzien van een eerder genoemd nitrogen filling station, zodat gebruikers kleine hoeveelheden stikstof kunnen meenemen naar hun werkplek.

Vacuüm isolatie

Een cryogeen leidingwerk moet technisch perfect in elkaar zitten. Voor het veilig vervoeren van cryogene gassen is de beste isolatie essentieel, en in de meeste gevallen wordt daarom vacuüm isolatie ingezet. 

Vacuüm geïsoleerde transferleidingen bevatten een procesleiding die rondom is ingesloten door een vacuümruimte, waarin een goed isolatievacuüm is aangebracht. Dit isolatievacuüm voorkomt het binnendringen van energie van buitenaf en zorgt dat verdamping tot een minimum wordt  gereduceerd.

Meer weten over de beste isolatie voor cryogene infrastructuren? Lees dan verder op onze pagina over vacuümtechnologie

Cross-section of a vacuum-insulated transfer line (VIP).
De doorsnede van een vacuüm geïsoleerde transferleiding (VIP)

Hoe Demaco cryogene toepassingen helpt om optimaal te functioneren

Zoals deze blog duidelijk laat zien, is de cryogene techniek extreem veelzijdig. Cryogene vloeistoffen worden binnen tientallen industrieën gebruikt en hebben eindeloos veel vormen. En dit is precies wat het cryogene vak zo gecompliceerd én interessant maakt. 

Demaco staat al tientallen jaren vooraan in de cryogene wereld. Ons team van cryogene engineers is betrokken bij een grote veelzijdigheid aan industrieën en biedt complete infrastructuren die zorgen dat cryogene gassen in perfecte conditie van de opslagtank naar de toepassing worden geleid. 

We adviseren, ontwerpen, bouwen, produceren, leveren, monteren, houden toezicht, en certificeren onder meer leidingen, systemen en vacuüm geïsoleerde onderdelen. Daarnaast leveren we diverse vacuüm geïsoleerde producten in onze Webshop Vacuüm

Voor meer informatie over ons werk, bekijk ook onze producten en diensten pagina’s eens of neem contact met ons op voor vragen of een vrijblijvende kennismaking.

Ontvang het laatste nieuws over Demaco Cryogenics direct in uw inbox.

Newsletter Subscribe

Subscribe to Demaco