ES2236237T3 - Metodos y aparatos para la congelacion de tejidos. - Google Patents

Abstract

Un método de congelar un material, que es un tejido, un órgano o una estructura multicelular simple, para minimizar el deterioro celular en la descongelación, el cual método comprende las etapas de seleccionar el parámetro del flujo térmico con el que el material se va a congelar y enfriar el material con dicho parámetro de flujo térmico, caracterizado porque, dicho parámetro de flujo térmico se selecciona con referencia al primer y segundo períodos de estabilización de la temperatura del calor latente asociados con el material y de tal modo minimizar la diferencia entre dichos períodos de estabilización, en el que el primer período de estabilización de la tempera- tura del calor latente es aquel asociado con el material antes de que el material sea congelado con dicho parámetro de flujo térmico y el segundo período de estabilización de la temperatura del calor latente es aquel asociado con el material después de que el material ha sido congelado con dicho parámetro de flujo térmico y posteriormente desconge- lado.

Description

Métodos y aparatos para la congelación de tejidos.

Esta invención se refiere a un método para la congelación de tejidos, órganos y estructuras multicelulares simples mientras que se minimiza el deterioro celular.

Los tejidos son estructuras compuestas de células de la misma clase que efectúan la misma función, por ejemplo el músculo animal. Un órgano es una parte multicelular de una planta o de un animal que forma una unidad estructural y funcional, por ejemplo el fruto completo, muchos vegetales, el corazón del animal, el hígado etc. La presente invención se refiere específicamente a la congelación de tejidos, órganos y estructuras multicelulares simples en las que la integridad celular y, cuando sea apropiada, la actividad biológica existe antes de la congelación. Los ejemplos de las estructuras multicelulares simples incluyen las primeras etapas de desarrollo de los insectos, peces y crustáceos etc.

La invención se refiere en particular a:

a)

la congelación de productos alimentarios celulares que son generalmente consumidos descongelados bien cocinados o sin cocinar, es decir los productos de consumo reconocidos generalmente como "alimentos congelados" que incluyen frutas, vegetales, carne, pescado, y crustáceos.

b)

la congelación de tejidos de plantas para propósitos distintos de la alimentación que incluyen, por ejemplo, la preservación de los productos hortícolas, por ejemplo planteles para su transplante, flores y otros materiales decorativos.

c)

la conservación criogénica de tejidos y órganos para su trasplante médico y veterinario.

d)

la conservación criogénica de etapas del desarrollo de insectos, que incluyen la Drosphila, Medfly etc. para su uso en biotecnología y agricultura, la etapas de larvas de bivalvos y peces para su uso en acuicultura y ensayo experimental y los organismos de alimentación para su uso en acuicultura.

Los efectos de la congelación sobre los tejidos y órganos para su trasplante en aplicaciones no alimenticias se pueden modificar mediante la adición de los denominados aditivos crioprotectores. Estos son generalmente compuestos no tóxicos y permeables que modifican las tensiones físicas a las que las células están expuestas durante la congelación. Estos compuestos se pueden introducir en los tejidos y órganos bien mediante inmersión del tejido o del órgano en un medio apropiado o en el caso de los órganos vasculares mediante perfusión. Se considera generalmente inaceptable usar dichos aditivos crioprotectores en los productos alimentarios.

Las células biológicas dentro de los tejidos contienen compartimientos líquidos que son congelables y comprenden disoluciones acuosas. Después de la nucleación del hielo y el crecimiento de los cristales en una disolución acuosa, el agua se separa del sistema como hielo, y la concentración de la disolución sin congelar residual aumenta. A medida que se baja la temperatura, se forma más hielo, lo que decrece la fracción no congelada residual que además incrementa su concentración. En las disoluciones acuosas, existe un gran intervalo de temperatura en el que coexiste el hielo con una disolución acuosa concentrada: esto se denomina a menudo la "zona pastosa".

Después de la nucleación del hielo en una disolución acuosa superenfriada en masa la temperatura se incrementa inicialmente y permanece más o menos constante a la temperatura de fusión de la disolución, lo que proporciona lo que comúnmente se denomina el período de estabilización del "calor latente". Gráficas similares de temperatura se observan durante la congelación de todos los sistemas en los que el compartimiento acuoso es una fase continua, por ejemplo las suspensiones, geles, emulsiones de aceite en agua y esponjas. En dichos sistemas, la nucleación del hielo se produce invariablemente en la superficie a ser enfriada, y el crecimiento de los cristales procede en el material sin congelar.

El comportamiento de congelación de las suspensiones celulares ha sido investigado ampliamente. En las suspensiones celulares, se produce un gran compartimiento extracelular como una fase continua y son los procedimientos de congelación que tienen lugar dentro del compartimiento extracelular los que determinan el comportamiento celular. Después de la formación de hielo, la partición de las células tiene lugar en la fase sin congelar residual donde están expuestas a los efectos de las disoluciones crecientemente hipertónicas. A velocidades de enfriamiento "lentas", hay tiempo suficiente para que el ambiente intracelular permanezca en equilibrio con el compartimiento extracelular por la pérdida osmótica de agua de las células. A medida que se incrementa la velocidad de enfriamiento, hay menos tiempo para que se mantenga el equilibrio osmótico y las células llegan a estar crecientemente sobreenfriadas y se incrementa la probabilidad de la formación de hielo intracelular. Se reconoce generalmente que la formación de hielo intracelular es letal a una célula. La supervivencia celular después de la preservación criogénica de las suspensiones celulares está asociada con la deshidratación de las células y la evitación de la formación de hielo intracelular.

En los tejidos, existe un pequeño compartimiento extracelular que existe como una fase líquida continua. La mayor parte del agua dentro de los tejidos existe dentro de las células individuales que pueden ser consideradas que es una fase no continua e, incluso durante el enfriamiento "lento" de los tejidos, la formación de hielo intracelular es inevitable. La manera por la que los diversos factores dan lugar al deterioro durante la congelación, lo que entonces se expresa como la muerte celular o una calidad inaceptable del producto en la descongelación, no se entiende para los tejidos. Es una creencia ampliamente extendida que el enfriamiento "rápido" dará lugar a la proliferación de la nucleación, lo que da lugar a un incremento en el número de cristales de hielo formados y a una disminución concomitante de su tamaño. "El enfriamiento lento da lugar a menos cristales de hielo, los cuales crecerán a un tamaño más grande a medida que continúa el enfriamiento. Se prefiere lo primero debido a que se hace menos daño a los tejidos de las plantas si los cristales de hielo permanecen pequeños, mientras que los cristales grandes de hielo destruirán las células de las plantas. Cuanto más rápido sea el procedimiento de congelación, será mejor la calidad de la textura y del sabor". (D. Arthey, In Frozen Food Technology, Blackie, Londres 1993 página 252).

Mientras que el método de congelación de los materiales sensibles tan rápidamente como sea posible se emplea ampliamente, la carencia de éxito se puede juzgar por la ausencia de material de alta calidad, comercialmente disponible de los productos sensibles congelados. Los ejemplos incluyen muchas frutas tales como las fresas, melones, mangos, etc., vegetales tales como patatas, espárragos, etc., pescados, crustáceos, carnes etc. El deterioro de la congelación en estos materiales sensibles se manifiesta en una variedad de características indeseables. Con las frutas y los vegetales sensibles la destrucción extensiva se produce al nivel celular y el material descongelado muestra una pérdida de la turgescencia (picadura), la decoloración, el desarrollo de sabores desagradables, pérdidas por goteo etc. Con los alimentos obtenidos a partir de músculo de animales y peces, es decir, la carne y el pescado, un endurecimiento puede ser también evidente con la descongelación.

Los estudios de simulación con modelo por ordenador del comportamiento de la congelación en los tejidos han asumido generalmente que la fase acuosa del tejido es continua y que un simple frente de hielo se propaga a través del tejido. El comportamiento de la congelación se asume similar al observado en un líquido o gel en masa etc., y se describe mediante un modelo de "zona pastosa" (véase Reid, D. S. en Frozen Food Technology, Blackie, Londres 1993 páginas 1-19, Cleland A. C. en Food Refrigeration Processes, Analysis, Design and Simulation, Elsvier Applied Science; Londres, 1990). Esto ha sido refinado posteriormente para sugerir que, para mejorar la calidad del producto, el tiempo gastado por el tejido en la zona pastosa se debe minimizar, pero esto es esencialmente una reenunciación del método "más rápido es mejor". El concepto de zona pastosa se ha encontrado que no es enteramente apropiado y, muy importante, no es adecuado para hacer predicciones.

En particular, se ha encontrado que cuando se congela el tejido celular (en el que las células están en gran medida intactas), las células individuales se congelan independientemente unas de otras y es el "patrón" de este comportamiento de nucleación el que determina en gran medida la integridad de la célula en la descongelación. El "patrón" incluye la temperatura de la nucleación, el grado de subenfriamiento (diferencia entre la temperatura ambiente y la temperatura de la nucleación del hielo), la distribución de las temperaturas de nucleación etc. Así, se ha observado el procedimiento de congelación del tejido de la manzana en la etapa de una criomicroscopía ligera. A una temperatura relativamente elevada, típicamente -3ºC, se observa que un frente de hielo se propaga a través de la película del fluido extracelular. A medida que se reduce la temperatura, las células permanecen sobreenfriadas, y cuando se produce la nucleación de hielo intracelular se observa que las células individuales dentro de un tejido se nuclean independientemente unas de otras. Para completar la nucleación en todas las células del tejido, se pueden requerir períodos de tiempo relativamente prolongados. Si el tejido se descongela y se calienta para destruir la integridad celular, y a continuación se vuelve a congelar, se produce una onda de formación de hielo en el tejido dañado congelado e independientemente no se observa la congelación celular. También, en el tejido de la fruta muy madura en el que se ha producido una autolisis significativa se produce una onda de propagación de hielo similar. A partir de esto se puede apreciar que:

1. No es exacto el modelo de comportamiento de la congelación del tejido al asumir el comportamiento de la zona pastosa. Este método de análisis, que ha sido empleado ampliamente en el pasado, sólo se aplica estrictamente a los tejidos en los que la formación de compartimientos de la célula se ha perdido bien por su deterioro (blanqueo, congelación) o mediante autolisis.

2. las medidas de la temperatura dentro de los tejidos son consistentes con la nucleación de hielo que se produce independientemente dentro de las células en el tejido. Se observa un "período de estabilización del calor latente falso" a una temperatura más baja que el período de estabilización del calor latente para el material homogeneizado. En la figura 6 de los dibujos que se adjuntan, se muestra esto para medidas directas de la temperatura con manzanas. El período de estabilización del calor latente (a) para el tejido de la manzana homogeneizado, el período de estabilización del calor latente "real" de la disolución acuosa, es a una temperatura más elevada que el "período de estabilización del calor latente falso" (b). Esto se debe a un resto de algunas células que nuclean y liberan su "paquete" de calor latente que coexiste con las células sobreenfriadas. Este resultado es inesperado y no podía predecirse mediante la simulación con modelos de la zona pastosa estándar.

3. La temperatura de las células permanece más o menos a la temperatura del "período de estabilización del calor latente falso" hasta que todas las células han nucleado, y a continuación se puede reducir la temperatura en la masa.

4. Las células de los tejidos contienen organelas (partes especializadas de una célula con una función específica), y muchas de estas, por ejemplo las mitocondrias y las vacuolas son membranas unidas y reaccionan de forma osmótica a los cambios en la concentración de su ambiente intracelular. Después de la nucleación intracelular del hielo, la concentración del compartimiento intracelular se incrementará y las organelas estarán expuestas a las condiciones hipertónicas. Si se produce la nucleación intracelular a una temperatura por debajo del cero elevada, las condiciones permiten que se produzca la contracción osmótica de las organelas intracelulares y la formación de hielo puede suceder con un organela parcialmente contraída o ellas llegan a estar suficientemente deshidratadas para inhibir la formación del hielo dentro de las organelas. La nucleación intracelular a temperaturas por debajo de cero bajas darán lugar a condiciones en las que hay un tiempo insuficiente para que se produzca la deshidratación dentro de las organelas y el hielo se nucleará dentro de las organelas completamente hidratadas. En le tejido de las plantas es la repuesta de la vacuola a la contracción y la tensión osmótica determinará en gran medida si se produce el deterioro celular subsiguiente.

Se ha encontrado que, en cualquier tejido, las condiciones externas determinan el comportamiento de la nucleación de las células individuales y las características del "período de estabilización del calor latente falso", y que existe un conjunto "óptimo" de condiciones para cualquier tejido. Los diferentes tejidos tienen diferentes condiciones de flujo térmico externo óptimo para minimizar el deterioro de la célula, y esto se debe a las diferencias en el tamaño de la célula, las características de nucleación intracelular de los materiales, el tamaño y distribución de las vacuolas, el contenido del soluto intracelular y el tamaño y la permeabilidad al agua de las diversas organelas intracelulares. Además, el "óptimo" se puede caracterizar por ser el conjunto de condiciones externas que da lugar a un esquema de nucleación intracelular que ni da lugar al deterioro del hielo intraorganela a formar ni da lugar a un daño inducido por una deshidratación excesiva a las organelas en la mayor parte de las células dentro del tejido.

Mediante la congelación de un tejido bajo esas condiciones, se ha encontrado que el deterioro celular se puede reducir fiablemente, al descongelar se produce un deterioro mínimo de las vacuolas y el plasmalema (membrana externa que rodea el protoplasma de una célula) retiene su permeabilidad selectiva. Si dicho tejido se vuelve a congelar bajo las mismas condiciones, se obtiene sustancialmente el mismo período de estabilización del calor latente falso.

En un aspecto la invención proporciona un método de congelar un material, que es un tejido, un órgano o una estructura multicelular simple, para minimizar el deterioro celular en la descongelación, el cual método comprende las etapas de seleccionar el parámetro del flujo térmico con el que el material se va a congelar y enfriar el material con dicho parámetro de flujo térmico, caracterizado porque, dicho parámetro de flujo térmico se selecciona con referencia al primer y segundo períodos de estabilización de la temperatura del calor latente asociados con el material y de modo que se minimice la diferencia entre dichos períodos de estabilización, en el que el primer período de estabilización de la temperatura del calor latente es aquel asociado con el material antes de que el material sea congelado con dicho parámetro de flujo térmico y el segundo período de estabilización de la temperatura del calor latente es aquel asociado con el material después de que el material ha sido congelado con dicho parámetro de flujo térmico y posteriormente descongelado. El parámetro de flujo térmico se puede seleccionar de tal modo que se minimice la diferencia entre las temperaturas a las que se producen el primer y segundo períodos de estabilización de la temperatura del calor
latente.

Un aparato para la congelación del tejido celular para minimizar el deterioro celular en la descongelación comprende una cámara para recibir el tejido a congelar, medios para proporcionar una corriente de gas de refrigeración en la cámara para entrar en contacto con el tejido, medios de detección del parámetro de flujo térmico en la cámara, y estando caracterizado por medios para controlar el gas de refrigeración para mantener el parámetro del flujo térmico sustancialmente constante. Un aparato tal se describe por ejemplo en el Documento WO 93/14652.

En el método de la presente invención, el parámetro de flujo térmico se controla durante la congelación, y se modifican las condiciones según sea necesario para mantener el parámetro sustancialmente constante en el valor elegido. El parámetro del flujo térmico se puede deducir a partir del conocimiento de la temperatura de la corriente local, o se puede medir directamente usando un aparato de medida del parámetro del flujo térmico.

La transferencia de calor por convección se produce en un fluido en movimiento a una temperatura ambiente T_{e} y cualquier cuerpo a una temperatura T \neq T_{e}. El flujo térmico local q'' viene dado por q'' = h.A(T-T_{e}), en la que A es la superficie externa del cuerpo, y h es el coeficiente de transferencia de calor local, en Wm^{-2}K^{-1}. Las aplicaciones que tratan con la convección implican a menudo mecánicas de fluidos complejas, y por consiguiente son difíciles de simular teóricamente mediante modelos. Esto es particularmente verdad para las condiciones que implican un flujo turbulento. Es por lo tanto importante ser capaz de medir el flujo térmico, o en algunas circunstancias el coeficiente de transferencia de calor por convección h.

Un parámetro relacionado adicional importante es el "parámetro del flujo térmico" HF definido por el resultado del producto aritmético del coeficiente de transferencia térmica local h, en Wm^{-2}K^{-1}, y el valor por debajo de cero en grados Celsius de la temperatura local de la corriente T_{e} medida en grados Celsius. Por ejemplo, con un coeficiente de transferencia térmica local de 50 Wm^{-2}K^{-1}, en una temperatura de la corriente de -50ºC, el parámetro del flujo térmico será 2500 Wm^{-2}. El "parámetro del flujo térmico" es una simple caracterización de las propiedades de transferencia de calor de un fluido refrigerante (gas o líquido) usado para los propósitos de congelación. Además el parámetro de flujo térmico de un cuerpo, HF = -h.T_{e}, según se definió anteriormente, viene dado también por HF = q''/A si la temperatura de la superficie del cuerpo es 0ºC. La observación del parámetro del flujo térmico es una parte importante de controlar la congelación.

Un método indirecto de medir este parámetro es medir h y T_{e} por separado. La temperatura se puede medir fácilmente usando cualquier método estándar tal como un termopar o un termómetro de resistencia de platino. El modo estándar de medir h es analizar la historia térmica de un objeto conformado simplemente con conductividad térmica elevada (por ejemplo una esfera de cobre) a medida que cambia la temperatura después de ser colocado en el ambiente mantenido en condiciones de temperatura y de transferencia térmica por convección constantes. La temperatura inicial de este objeto debe ser suficientemente diferente a la del ambiente con el fin de obtener una buena exactitud. Un análisis simple denominado "capacidad térmica concentrada" muestra que la historia de la temperatura en estas circunstancias será exponencial:

5

en la que T_{s} es la temperatura del cuerpo (dependiente del tiempo), T_{\infty} es la temperatura ambiente (constante) y \DeltaT_{init} es la diferencia de temperatura inicial entre el cuerpo y la corriente, A es la superficie externa del objeto, C_{p} es la capacidad térmica y m es su masa.

Sin embargo, este método se limita a la temperatura ambiente constante y a la transferencia térmica local constante durante el enfriamiento del objeto. Si este no fuera el caso, sería posible el uso de una medida paralela sincronizada de la temperatura ambiente, para resolver las ecuaciones de conducción importantes en el sólido con condiciones límites apropiadas usando la simulación mediante modelos analítica o de diferencia finita y obtener así h, pero esto es impracticable para su observación activa o "instantánea".

Un método alternativo de medir h, es volver a calentar regularmente un objeto y analizar la curva de enfriamiento que se mide después de cada recalentamiento. Si el intervalo de tiempo para el recalentamiento y el enfriamiento es breve en comparación con los períodos de tiempo sobre los que cambian la temperatura externa o/y el coeficiente de transferencia de calor, es posible entonces seguir su variación. Sin embargo, este método es difícil de usar puesto que se necesita: medida de la temperatura del ambiente, medida de la temperatura del objeto, calentamiento controlado del objeto y un análisis matemático complejo de la curva de enfriamiento. Es también inadecuado para su observación "instantánea").

En lugar de analizar la temperatura T_{s} del objeto en respuesta al ambiente, el método presentado en la presente invención efectúa una medida directa del calor Q necesario para conservar la temperatura del objeto constante. El calor requerido para hacer eso es igual al calor perdido al ambiente q''. Para una superficie externa conocida de un objeto controlado a 0ºC, el "parámetro de flujo térmico" se obtiene a continuación simplemente mediante HF = q''/A = Q/A. La medida no depende sobre bien la temperatura ambiente o sobre que el coeficiente de transferencia de calor por convección local sea constante. Para una temperatura ambiente conocida, es directo deducir el valor del coeficiente de transferencia de calor local h.

La superficie externa del objeto mantenido a 0ºC no es siempre fácil de medir o de calcular exactamente. En este caso, el dispositivo se puede calibrar en un ambiente de temperatura y coeficiente de transferencia de calor constante usando el enfriamiento de una simple esfera de cobre de acuerdo con el método descrito previamente para obtener la superficie externa eficaz.

Los aparatos de medida del flujo térmico estarán localizados en la corriente próxima al producto a ser congelado de tal manera que se pueda evaluar el parámetro de flujo térmico del gas que entra en contacto con el producto. El parámetro de flujo térmico se puede variar mediante, por ejemplo, el cambio de la temperatura del gas refrigerante, o el cambio de la velocidad y/o la dirección de los ventiladores o chorros que dirigen el gas hacia el producto. Se prefiere ajustar el parámetro de flujo térmico localmente durante la operación del método de la invención mediante el cambio de la velocidad de los ventiladores.

En el caso de los tejidos y órganos para su aplicación médica, veterinaria o biotecnológica se puede incorporar un aditivo crioprotector antes de la congelación. La congelación mediante exposición a una corriente de gas refrigerante se puede realizar entonces con el tejido suspendido en una disolución del agente crioprotector en cualquier aparato adecuado (ampolla, vial o bolsa). A continuación el tejido u órgano, después de su equilibrio con el agente crioprotector se puede separar de la disolución de agente crioprotector, secada la superficie y a continuación congelado mediante exposición directa a una corriente de gas refrigerante. Además, la temperatura del tejido u órgano se puede también reducir mediante inmersión en un baño refrigerado o mediante perfusión del agente refrigerante.

La determinación del parámetro de flujo térmico óptimo para la congelación de cualquier producto en particular se puede efectuar mediante un cierto número de modos que incluyen (a) empíricamente: una serie de muestras del producto se pueden someter a congelación usando diversas condiciones, y se puede representar una curva de la temperatura del calor latente para cada una. A continuación después de descongelar las muestras se pueden volver a congelar bajo las mismas condiciones externas, y se puede representar una segunda curva de la temperatura del calor latente. Si las condiciones son óptimas o próximas al óptimo, las dos curvas serán la misma con el período de estabilización a sustancialmente la misma temperatura. Cuando se usan otras condiciones, la segunda curva tendrá un período de estabilización a una temperatura más elevada que la primera curva. (b) a partir de la simulación con modelos mediante ordenador del procedimiento: es necesario describir el procedimiento de la nucleación intracelular dentro de los tejidos como una función de las condiciones externas y asociar esto con una descripción adicional del comportamiento osmótico de las diversas organelas intracelulares. (c) a partir del análisis de la ultra-estructura celular después de diversas condiciones de congelación, es posible determinar la localización de hielo dentro de la célula, en particular se puede determinar la existencia de hielo intravacuolar.

Con los frutos y vegetales, el metabolismo celular continúa después de la cosecha y da lugar a un deterioro posterior a la recolección. La reducción en la calidad del producto se puede minimizar mediante reducción de la temperatura de almacenamiento o mediante modificación de la atmósfera de envasado. Además, existen muchos intentos para inhibir específicamente el deterioro posterior a la recolección mediante los programas clásicos de regeneración y más recientemente mediante modificación genética.

El deterioro posterior a la recolección de muchos frutos tropicales y subtropicales es extremo, los ejemplos incluyen el mango, papaya, etc. En los climas con poco o ningún cambio en la temperatura, la producción de semillas es principalmente un mecanismo de dispersión, las semillas germinan rápidamente al contacto con la tierra y no se requiere que estén en reposo en estructuras durante el invierno. Esos frutos están programados genéticamente para su putrefacción y una intensidad de respiración y actividad mitocondrial elevada esta asociada con esto. La explotación comercial de dichos frutos lleva aparejado un cierto número de problemas, particularmente el uso la fruta preparada en ensaladas de fruta, o de comidas preparadas en las que se encuentra que dicha fruta se deteriora rápidamente llegando a ser desagradablemente blandas dentro de un breve período de tiempo. La vida comercial de dichos productos se puede incrementar mediante enfriamiento o su envasado dentro de una atmósfera empobrecida en oxígeno, ya que ambos tratamientos cabe esperar que reduzcan el metabolismo celular y la actividad mitocondrial en particular.

Después de la congelación y la descongelación mediante los métodos tradicionales el deterioro del sistema mitocondrial es evidente. Se produce usualmente una "explosión" o incremento prolongado en la respiración y cuando se ha examinado esto se ha atribuido a una ruptura general en el sistema de compartimientos celulares.

Se ha encontrado un modo de incrementar la vida comercial de un producto que consiste en la congelación de la fruta, bien como un todo o preparada, de tal manera que cuando se descongele no se produzca un deterioro funcional de las membranas celulares, en particular las membranas del plasmalema y de las vacuolas, mientras que se consigue el deterioro de la actividad mitocondrial. Las condiciones de congelación se seleccionan de tal modo que el hielo intracelular se nuclea a una temperatura que da lugar a la inactivación o fragmentación de las mitocondrias, mientras que permite la deshidratación osmótica de otras organelas, en particular las vacuolas. En la descongelación se retiene la integridad celular pero se anula la respiración y se amplía la vida comercial de dicho material en comparación con el material fresco.

Existe también un requerimiento, tanto por razones de higiene como de calidad de los alimentos, para conocer si los productos alimentarios, y particularmente la carne y el pescado, han sido congelados previamente. No existen actualmente métodos simples para determinar si se ha producido una recongelación. Sin embargo, de acuerdo con un aspecto de la presente invención, esto se puede efectuar de una manera fiable mediante el examen de la exotermia de congelación para ver si la integridad celular ha sido destruida mediante un ciclo de congelación-descongelación previo. Usando medidas de termopar directas, el análisis térmico (calorimetría diferencial de barrido, análisis térmico diferencial etc.) se puede medir la temperatura del tejido durante un ciclo de congelación frente a lo que sucede después de descongelar y volver a congelar. Se puede preferir calentar el tejido a, digamos 50ºC para asegurar que toda la estructura del tejido es destruida antes de la congelación, sin embargo se debe tener cuidado de que no se pierda agua por evaporación. Alternativamente, la ultra-estructura celular podría ser destruida por homogeneización y el procedimiento de congelación en el material "celular" nativo se podría comparar frente al del material homogeneizado.

Un modo simple de medir el "parámetro de flujo térmico" HF consiste en usar un dispositivo que controla la temperatura proporcionada por un termopar tipo T insertado en el disipador de calor de una resistencia R específica de "disipación térmica elevada". El aparato de control regula la corriente eléctrica I, en amperios, que pasa a través de la resistencia R conocida. La energía eléctrica I^{2}R es entonces igual a la de calentamiento del objeto. Se ajusta para la superficie A de la resistencia, y se visualiza y/o se registra para proporcionar una medida directa de HF.

Se puede usar un "aparato de control de la temperatura sin sensores" para mantener el cuerpo a una temperatura determinada previamente, usándose una única resistencia tanto para el elemento calefactor como para el sensor de la temperatura.

Se usa una sonda que comprende un dispositivo de medida del HF para colocar el dispositivo en una posición en la que se necesita la medida del HF. La sonda es ventajosamente un elemento Dependiente de la Temperatura de la Resistencia (RTD) y se puede controlar en un "aparato de control de la temperatura sin sensor", usando el elemento RTD para medir sucesivamente la temperatura y para calentar la sonda. El aparato de control de la temperatura se fija para mantener la resistencia del elemento RTD de la sonda en el valor deseado, lo que corresponde a la temperatura que necesita la sonda para ser controlada. El valor del flujo térmico se calcula conociendo la energía eléctrica suministrada y la superficie externa de la sonda. Por ejemplo, se puede obtener mediante medida del voltaje y la intensidad de la corriente media en el circuito de la sonda. Este elemento RTD puede estar conectado en serie con una resistencia R_{p} para facilitar la medida del voltaje y de la intensidad de la corriente.

Con el fin de que la invención pueda ser entendida más completamente, se hace referencia a los dibujos que se adjuntan, en los cuales:

La Figura 1 es un ejemplo de un diagrama de conexión para una sonda con un aparato de control de la temperatura;

La Figura 2 es un ejemplo de un diseño para la sonda a ser mantenida en una corriente de gas;

La Figura 3 muestra una forma de la onda de voltaje típica medida a través de la resistencia R_{p} de la Figura 1;

La Figura 4 es una vista esquemática en sección longitudinal de un ejemplo de un túnel de enfriamiento para la realización del método de la invención; y

La Figura 5 es una sección transversal de la línea x-x de la Figura 4.

En un modo preferido de realizar el método de la presente invención, se determina el parámetro de flujo térmico de una corriente de gas frío (temperatura inferior a 0ºC) mediante mantenimiento de la sonda a 0ºC y medida de la energía suministrada a la sonda. Se usa el "aparato de control de la temperatura sin sensor", por ejemplo un Heaterstat MINCO en esta aplicación pero se podrían utilizar otros dispositivos, se ajusta para controlar la resistencia del circuito en (R_{p} + 100 + R_{cables}), siendo 100 ohmios la resistencia del PT100 a 0ºC, y se usa R_{cables} para compensar la eventual resistencia del cableado entre el Heaterstat y el PT100 mismo.

Como se muestra en la Figura 2, el elemento RTD con resistencia de platino (1) está insertado ente dos capas de lámina de cobre (2) soldadas juntas. Este está fijado al extremo de un tubo (4) usando un tornillo de nilón (3) y resina de araldite (marca comercial de resina epoxi) para minimizar las pérdidas de calor a través del tubo. La sonda está conectada al circuito usando la conexión (5)

El valor del flujo térmico se obtiene mediante medida del voltaje a través de la resistencia R_{p} y la determinación del porcentaje de tiempo que el Heaterstat está encendido. El voltaje a través de la resistencia R_{p} se puede usar también para comprobar la temperatura de la sonda.

La relación entre el voltaje medido V_{p} a través de la resistencia R_{p}, y la resistencia del elemento RTD (así su temperatura) es como sigue:

V_{p} = V_{0} \cdot \frac{R_{p}}{(R_{p} + R_{RTD} + R_{cables})}

Mediante la medida de V_{p} es posible ajustar el punto de regulación del Heaterstat en el valor deseado o conocer la temperatura de la sonda. Mediante el cambio de R_{p}, es posible elegir el valor de salida de V_{p} ajustado según se desea. Por ejemplo, usando un voltaje de suministro de 24 voltios, la resistencia R_{p} se debería fijar en 6,3 ohmios y cambiar el punto de regulación del Heaterstat con el fin de obtener un voltaje de salida V_{p} de 1,4 voltios.

La observación del voltaje V_{p} se representa en la Figura 3.

Mediante la medida de la proporción de tiempo (t_{on}/T) durante el cual el Heaterstat está encendido, se puede calcular la energía eléctrica suministrada a la sonda para mantenerla en una temperatura fijada:

P_{RTD} = \left(\frac{t_{on}}{T}\right) \cdot \frac{(V_{s})^{2}}{R_{RTD}}

Conociendo la superficie externa A_{p} sobre la que se disipa esta energía, se puede calcular el flujo térmico en la sonda: P_{RTD}/A_{p}. Esta superficie externa se puede deducir a partir de los experimentos de calibración para determinar h según se estableció anteriormente.

La Figura 4 muestra un aparato para la congelación de productos alimentarios de acuerdo con la invención, que comprende un alojamiento aislado térmicamente 4, típicamente fabricado de acero inoxidable (por razones de higiene). El alojamiento 4 tiene unas aberturas de entrada y de salida 4a, y 4b a través de las cuales pasa una cinta transportadora sin fin 6. Cuando se usa, los productos alimentarios 8 para su congelación se cargan sobre el extremo de entrada de la alimentación 6a de la cinta transportadora y a continuación se transportan a través del interior del alojamiento 4 para ser descargados en el extremo de salida de la alimentación 6b de la cinta transportadora.

Dentro del alojamiento 4 están montados los conjuntos de entrada de la alimentación y de salida de la alimentación 10a, y 10b de los medios de pulverización criogénica, comprendiendo cada uno un cierto número de barras de pulverización y adaptados y controlados independientemente para pulverizar un producto criógeno (típicamente nitrógeno líquido, pero se puede preferir cualquier otro gas - tal como dióxido de carbono o aire líquido - por debajo de su temperatura de punto crítico para la congelación de ciertos productos) internamente y separado ligeramente de la cinta transportadora 6 hacia los ventiladores 12. Cada ventilador 12 está accionado por un motor asociado 14, dispuesto de tal manera como para soplar hacia abajo hacia la cinta transportadora 6 y los productos alimentarios montados sobre ella, lo que ayuda a la evaporación del producto criógeno y mejora la transferencia de calor entre el producto criógeno y el alimento. Se proporciona un termopar 16 para detectar la temperatura ambiente dentro del alojamiento 4.

En referencia ahora a la Figura 5, se apreciará que los ventiladores 12 están dispuestos en pares transversales a la dirección del movimiento de la cinta transportadora 6 allí debajo. Una sonda de flujo 18 está localizada adyacente a cada par de ventiladores 12 con el fin de medir el parámetro de flujo térmico próximamente adyacente a la superficie de la cinta transportadora 6 sobre la cual se transportan los productos alimentarios. En la práctica, el extremo distal 18a de una sonda de flujo 18 está dispuesto próximamente adyacente o en la corriente de producto criógeno arrastrado por el aire soplado por el ventilador 12 hacia los productos alimentarios 8 y está adaptado para medir el flujo térmico allí. La sonda de flujo 18 está conectada funcionalmente (como se ilustra mediante las líneas de trazos en la Figura 5) a un aparato de control 20, tal como un aparato de control lógico programable, que compara el valor real del flujo térmico en la cinta transportadora 6 como se indica por la sonda de flujo 18 con un valor del parámetro de flujo térmico determinado previamente, y, vía el inversor de frecuencia 22, varía la velocidad de los ventiladores 12 con el fin de llevar el valor del parámetro de flujo térmico medido en convergencia con el valor deseado. La colocación del extremo distal 18a de la sonda 18 próxima a la cinta transportadora 6 y las zonas de pulverización con el producto criógeno permitirá que la sonda 18 indique si el líquido criógeno está incidiendo sobre ella. Esto es ventajoso debido a que la incidencia del producto criógeno líquido sobre la sonda 18 sugiere que el producto criógeno líquido se puede estar recogiendo en el fondo del alojamiento 4; esto es no sólo un uso ineficiente del producto criógeno, sino que también puede tener un efecto adverso sobre la congelación de los productos alimentarios 8 si ellos son impactados por el producto criógeno líquido. También, la reunión de producto criógeno líquido es particularmente indeseable cuando el producto criógeno es una mezcla de oxígeno y nitrógeno (es decir, aire líquido); debido a la diferencia en las temperaturas de los puntos de ebullición respectivos, las agrupaciones de aire líquido gradualmente llegan a estar enriquecidas en oxígeno, lo que presenta un riesgo creciente de explosión. Idealmente, el producto criógeno se evapora a medida que emerge de los medios de pulverización y antes de que pueda incidir sobre los productos alimentarios 8.

Como se apreciará por aquellas personas especializadas en la técnica, el mantenimiento de un valor del parámetro de flujo térmico sustancialmente constante como el experimentado por los productos alimentarios 8 a medida que pasan a través del alojamiento 4 puede requerir la frecuente variación de la velocidad de cada par de ventiladores 12 a lo largo de la longitud del alojamiento 4. El procedimiento de congelación de acuerdo con la invención dentro del alojamiento es, sin embargo, sustancialmente isotérmico; de acuerdo con esto, solo se requiere un único termopar 16, y este está conectado funcionalmente con el aparato de control 20, que es también eficaz, en su respuesta a la temperatura detectada por el termopar 16, para variar el caudal del producto criógeno suministrado a los conjuntos 10a, y 10b de medios de pulverización del producto criógeno. Por conveniencia, sólo se requiere una única fuente de producto criógeno (no mostrada), con tuberías de suministro (no mostradas) para cada conjunto 10a y 10b de medios de pulverización del producto criógeno, medios de válvulas (no mostradas) responsables de que las señales del aparato de control 20 sean proporcionadas en cada tubería de suministro para actuar y controlar el flujo de producto criógeno para su descarga desde los medios de pulverización. Debido a que la carga térmica dentro del alojamiento 4 es mayor hacia la abertura de entrada 4a, en donde la diferencia de temperatura entre el producto criógeno y el producto alimentario 8 está a su mayor nivel, el conjunto 10a aguas arriba de los medios de pulverización de producto criógeno usualmente descargará más producto criógeno que el conjunto 10b aguas abajo. De acuerdo con esto, aunque el conjunto 10b aguas abajo puede comprender sólo dos barras de pulverización de producto criógeno alineadas con la dirección del movimiento de la cinta transportadora 6, con el fin de asegurar un flujo térmico sustancialmente constante donde la carga térmica es más elevada, el conjunto 10a aguas arriba puede comprender también una tercera barra de pulverización (no mostrada) paralela a las ilustradas en la Figura 5 y dispuesta entre y adaptada para pulverizar producto criógeno hacia afuera hacia los ventiladores 12 adyacentes en cada par transversal. Con el fin de que los productos alimentarios que entran en la abertura de entrada 4a alcancen rápidamente el valor deseado del parámetro de flujo térmico, se puede proporcionar también una barra de pulverización adicional (no mostrada), dispuesta transversalmente a la dirección del movimiento de la cinta transportadora.

Cuando se usa, los productos alimentarios 8 se cargan sobre la cinta transportadora 6 y se congelan a medida que pasan a través del alojamiento 4 mediante el soplado de producto criógeno sobre ellos mediante los ventiladores 12. El producto criógeno caliente (esto es, gas criogénico que ha sido calentado a través de su contacto con los productos alimentarios 8) se expulsa a la atmósfera a través de un conducto de escape 26, extraido por un sistema de ventiladores 28, como se conoce bien en la técnica. El conducto de escape 26 y el sistema de ventiladores 28 están localizados en el extremo aguas abajo del alojamiento 4, hacia la abertura de salida 4b; la disposición del flujo de producto criógeno global está por lo tanto en paralelo con la dirección del movimiento de los productos alimentarios a través del alojamiento 4.

En la realización de un procedimiento de congelación de acuerdo con la invención, el aparato se opera como sigue. De acuerdo con el tipo de los productos alimentarios 8 a congelar, el aparato de control lógico programable 20 se programa con el tiempo que los productos alimentarios deben permanecer en el alojamiento 4 (lo que viene dictado por la velocidad de movimiento de la cinta transportadora 6), el parámetro de flujo térmico a mantener sustancialmente constante dentro del alojamiento 4 (que se mantiene, una vez que todas las partes del aparato 2 han sido enfriadas a la temperatura de trabajo, mediante variación del flujo másico de producto criógeno suministrado por los conjuntos 10a, y 10b de los medios de pulverización del producto criógeno de acuerdo con la velocidad de producción del producto alimentario) y el valor del flujo térmico experimentado por los productos alimentarios 8 en la superficie de la cinta transportadora 6 a ser mantenido sustancialmente constante mientras que los productos alimentarios 8 pasan a través del alojamiento 4 (lo cual, como se describió anteriormente, se consigue mediante variación de la velocidad de operación de cada par de ventiladores 12). Los productos alimentarios se cargan sobre la cinta transportadora 6 con el fin de presentar una "carga" de congelación predeterminada al aparato, y sin su separación en capas superpuestas o la protección de los artículos individuales lo que podría afectar adversamente a su congelación.

El aparato descrito anteriormente es puramente ilustrativo de los principios de la presente invención. Así, el tamaño y la forma del túnel, y el número, disposición y configuración de los ventiladores o los inyectores u otros medios de suministrar la corriente requerida de gas de refrigeración y de los medios de pulverización del producto criógeno se pueden variar como pueda ser apropiado para una gama de productos alimentarios en particular. En los ensayos con un túnel de congelación de 6,1 m por 0,61 m de acuerdo con la invención, por ejemplo, se ha encontrado que una disposición eficaz consiste en ocho pares de ventiladores dispuestos a lo largo del túnel, con dos conjuntos de barras de pulverización del producto criógeno, controlada cada una mediante una válvula de control del producto criógeno dedicada a ello, la primera, aguas arriba del conjunto que media entre los cuatro primeros pares de ventiladores y la segunda, aguas abajo del conjunto que media entre los restantes cuatro pares de ventiladores. Cada par de ventiladores tiene asociada una sonda de parámetro de flujo térmico, y un único termopar está localizado hacia el medio del túnel y es eficaz para mantener las condiciones isotermas. Con el fin de asegurar que el sistema es tan eficaz como sea posible es importante que el gas expulsado desde el conducto 26 esté tan caliente como sea posible. Esto se puede conseguir en la práctica mediante reducción de la cantidad de producto criógeno introducido cerca del conducto 26, lo que hace trabajar más duro a los ventiladores adyacentes y la creación de velocidades de gas locales más elevadas de tal manera que mantengan el flujo térmico en el valor constante deseado.

Claims (12)

1. Un método de congelar un material, que es un tejido, un órgano o una estructura multicelular simple, para minimizar el deterioro celular en la descongelación, el cual método comprende las etapas de seleccionar el parámetro del flujo térmico con el que el material se va a congelar y enfriar el material con dicho parámetro de flujo térmico, caracterizado porque, dicho parámetro de flujo térmico se selecciona con referencia al primer y segundo períodos de estabilización de la temperatura del calor latente asociados con el material y de tal modo minimizar la diferencia entre dichos períodos de estabilización, en el que el primer período de estabilización de la temperatura del calor latente es aquel asociado con el material antes de que el material sea congelado con dicho parámetro de flujo térmico y el segundo período de estabilización de la temperatura del calor latente es aquel asociado con el material después de que el material ha sido congelado con dicho parámetro de flujo térmico y posteriormente descongelado.

2. Un método de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que el material se enfría mediante exposición del mismo a una corriente de gas de enfriamiento controlada para proporcionar un parámetro de flujo térmico sustancialmente constante.

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 2, en el que el parámetro de flujo térmico se observa durante dicha congelación y la corriente de gas de enfriamiento se ajusta como sea necesario para mantener el parámetro sustancialmente constante.

4. Un método de acuerdo con la reivindicación 3, en el que el parámetro de flujo térmico se observa usando un aparato de control de la temperatura sin sensores.

5. Un método de acuerdo con la reivindicación 3 ó 4, en el que se ajusta la velocidad del gas de enfriamiento.

6. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el material se congela en un congelador por cargas o en un congelador tipo túnel.

7. Un método de acuerdo con la reivindicación 6, en el que se usa un congelador tipo túnel en una configuración de flujo en paralelo.

8. El uso de un método de acuerdo con cualquier reivindicación precedente para preservar la actividad o la viabilidad biológica de un material biológico.

9. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, para la congelación de tejidos u órganos para transplantes médicos o veterinarios, en el cual método se introducen aditivos crioprotectores en el tejido u órgano antes de la congelación.

10. Un método de acuerdo con la reivindicación 9, en el que el tejido vascular se enfría por perfusión.

11. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, para la congelación de estructuras multicelulares simples tales como las etapas primeras del desarrollo de insectos, peces, y crustáceos, en el cual método se incorporan aditivos crioprotectores antes de la congelación.

12. Un método de ensayar si una muestra de tejido ha sufrido deterioro atribuible a ser congelada y descongelada previamente, el cual método comprende congelar la muestra para obtener una curva de temperatura-tiempo la cual a continuación se compara frente a una curva de congelación de una muestra homogeneizada de dicho tejido.