Hielo seco: Propiedades, producción y aplicaciones del CO₂ sólido

Introducción

El hielo seco es el nombre que recibe el dióxido de carbono en estado sólido. El CO₂ está presente en la atmósfera terrestre; es un gas que los humanos exhalamos y que las plantas usan para la fotosíntesis. Este compuesto químico es incoloro, inodoro, insípido y aproximadamente 1,5 veces más denso que el aire. El dióxido de carbono pasa de gas a un sólido blanco opaco bajo presión y a bajas temperaturas, solidificándose a -78,5 °C (-109 °F). El hielo seco se fabrica principalmente en dos formas: bloques de más de 22,7 kg (50 lb) o en piezas pequeñas que varían desde el tamaño de un grano de arroz hasta pellets más grandes. El hielo seco no se derrite, sino que sublima, es decir, el sólido se transforma directamente en gas (saltándose el estado líquido) al subir la temperatura. Esta característica inusual produce un efecto de humo, y el hielo seco parece estar humeando mientras sublima. Por ello, se usa a menudo para simular niebla o humo.

El hielo seco en sí no es venenoso, pero su superficie es tan fría que no debe tocarse sin guantes. Además, aunque el gas es estable e inerte, es más pesado que el aire y puede concentrarse en zonas bajas o espacios cerrados. Cuando la concentración de CO₂ en el aire supera el 5 %, se vuelve tóxico. Por tanto, cualquier área donde se use hielo seco debe estar bien ventilada.

Convertir CO₂ de gas a sólido es relativamente sencillo. Existen muchos fabricantes en Estados Unidos y el hielo seco se envía a todo el país para diversos usos. Es un refrigerante importante para mantener alimentos fríos y prevenir el crecimiento bacteriano durante el transporte. El hielo seco usado para enfriar o congelar alimentos debe ser muy limpio y considerado «grado alimenticio» para garantizar que no contamine los alimentos que toque. Como el sólido sublima en lugar de derretirse, se pueden colocar grandes cantidades en contenedores de envío sin tener en cuenta el volumen de agua de deshielo que se acumula al usar hielo convencional. Los usos relacionados con alimentos son extensos e incluyen la congelación rápida de alimentos para uso futuro en plantas de procesamiento, retardar el crecimiento de levadura activa en panaderías y mantener alimentos refrigerados para catering en la industria aérea.

Otros usos incluyen: frenar el crecimiento de yemas florales en viveros para mantener las plantas frescas, congelación rápida en la industria del caucho durante la fabricación, absorción de fugas de refrigeración de amoníaco y creación de humo para producciones teatrales. La aplicación más significativa reciente es la limpieza con chorro de hielo seco (o *dry ice blasting*), en la que pellets de hielo seco son disparados a alta velocidad contra una superficie a limpiar. Los pellets eliminan los contaminantes, subliman en la atmósfera y no dejan gases tóxicos. El único residuo es la suciedad o pintura removida para su eliminación.

Historia

El hielo seco no se inventó, sino que se descubrieron las propiedades del dióxido de carbono sólido a principios del siglo XX. Se produjo comercialmente por primera vez en la década de 1920 en Estados Unidos. Una empresa registró la marca *dry ice* en 1925 y desde entonces el CO₂ sólido se conoce como hielo seco. Hasta hace poco, a menudo se le llamaba *hot ice* (hielo caliente), en referencia a la sensación de quemadura al tocar su superficie fría.

Parece que la Prest-Air Devices Company de Long Island, Nueva York, produjo hielo seco con éxito por primera vez en 1925. Ese mismo año, Schrafft's de Nueva York usó el producto por primera vez para evitar que su famoso helado se derritiera en su salón. El hielo seco se usó mucho más extensamente para refrigeración y congelación de alimentos a mediados del siglo XX que hoy. Prácticamente todas las heladerías del mundo usaban hielo seco para mantener el helado congelado hasta bien después de la Segunda Guerra Mundial, cuando la refrigeración eléctrica se volvió asequible y eficiente. La fabricación de hielo seco no ha cambiado significativamente en muchas décadas y es un proceso relativamente simple de presurizar y enfriar CO₂ gaseoso. Los usos del hielo seco han disminuido algo con la llegada de una mejor refrigeración eléctrica. Algunos desarrollos recientes incluyen el uso de pellets en limpieza por chorro y su uso creciente en el transporte de especímenes médicos, incluidos corazones, extremidades y tejidos, para reimplantación y trasplante.

Materias primas

La única materia prima usada en la fabricación de hielo seco es dióxido de carbono. Este material es subproducto de la refinación de gases emitidos durante la fabricación o refinación de otros productos. La mayor parte del CO₂ usado para fabricar hielo seco en Estados Unidos proviene de la refinación de gases emitidos durante la refinación de petróleo y amoníaco. El CO₂ emitido en estos procesos se captura y «lava» para eliminar impurezas y obtener CO₂ de grado alimenticio que eventualmente se convertirá en hielo seco.

Proceso de fabricación

1. El dióxido de carbono se licúa comprimiendo y enfriando, licuándose a una presión de aproximadamente 395 kg/cm² (870 lb/pulg²) a temperatura ambiente. El CO₂ líquido se bombea, mediante tuberías, a enormes tanques de almacenamiento para que los fabricantes puedan retirar el líquido necesario.
2. El CO₂ líquido se envía en grandes cantidades, a veces de muchas toneladas. Por ello, la mayoría de fabricantes ubican sus fábricas cerca de refinerías de petróleo o amoníaco para mantener bajos los costes de transporte. El líquido presurizado y refrigerado se canaliza directamente a un tanque presurizado o vagón cisterna propiedad del fabricante y se dirige a la planta.
3. El camión cisterna llega a la fábrica y vierte el CO₂ líquido en enormes tanques en las instalaciones. Estos tanques mantienen el líquido bajo presión, refrigerado para que permanezca en estado líquido. Están situados junto a la pared de la fábrica y, mediante tuberías, el líquido entra directamente cuando se requiere para la fabricación.
4. El CO₂ líquido se libera, nuevamente por tuberías, desde los tanques adyacentes a través de la pared de la fábrica y hacia la prensa de hielo seco. Cuando el líquido pasa de un entorno altamente presurizado a presión atmosférica, se expande y evapora a gran velocidad, enfriándose hasta su punto de congelación de -78,3 °C (-109 °F). Una boquilla inyecta el líquido en el bloque superior de una prensa de hielo seco, que mide aproximadamente 4,9 m (16 pies) de altura. Esta prensa incluye un gran bloque superior que ejerce presión extrema sobre el producto. Cuando el CO₂ líquido golpea el bloque de la prensa, se solidifica inmediatamente al estar ahora a temperatura ambiente. El CO₂ ahora parece nieve.
5. Esta nieve, ahora en la parte superior de la prensa, debe comprimirse en un bloque de hielo seco. Así, la parte superior de la prensa sube y baja con una presión extraordinaria (unas 60 toneladas), compactando la nieve en un bloque sólido. Es un proceso de aproximadamente cinco minutos. Cuando el bloque está sólido, mide generalmente unos 61 cm (2 pies) de ancho y 25 cm (10 pulg) de alto, pesando unos 100 kg (220 lb).
6. Este bloque de hielo seco blanco opaco se expulsa de la prensa y sobre un rodillo. Una sierra neumática corta el bloque por la mitad y los bloques pasan a otra sierra que los corta nuevamente. Así, el bloque único fabricado en la prensa queda en cuatro piezas, cada una de unos 25 kg (55 lb).
7. Los bloques más pequeños se colocan en contenedores que los mantienen fríos para minimizar la sublimación. Si se envían como piezas sin envolver, deben empaquetarse紧密amente en un contenedor, generalmente incluyendo cuatro bloques, con muy poco aire dentro para reducir la sublimación. Si se retira un bloque durante el envío, los demás comenzarán a disiparse rápidamente. Muchos fabricantes envuelven los bloques en papel usando máquinas (es prudente no tocar la superficie tan fría) y los envían a distribuidores o mayoristas.

Control de calidad

Los problemas de control de calidad giran principalmente en torno al grado del CO₂ usado en la fabricación de hielo seco de grado alimenticio. Recientemente, el gobierno federal estableció estándares bastante estrictos para la pureza del CO₂ usado en la fabricación de hielo seco, obligando a los fabricantes a certificar y probar el CO₂ líquido usado, así como la pureza del producto fabricado.

Otros problemas de control de calidad incluyen asegurar que los tanques y equipos funcionen con precisión. Si la presión no se mantiene adecuadamente, no se puede producir el producto. Mover el producto rápidamente y eficientemente del corte al almacenamiento es muy importante, ya que el hielo seco sublima rápidamente a temperatura ambiente, reduciendo el peso y precio del producto vendible. El envío debe empaquetar los bloques densamente para reducir la sublimación en tránsito.

Subproductos y residuos

No se crean productos químicos significativos en la producción de hielo seco. Como el producto se hace solo de CO₂, cuando sublima los gases se emiten a la atmósfera. El único residuo detectable es la sublimación del producto en forma de bloque, que se mantiene al mínimo.

El futuro

Aunque el uso de hielo seco en refrigeración y almacenamiento de alimentos puede estar disminuyendo, su uso en otras áreas promete. Como se mencionó, limpiadores domésticos y operadores de maquinaria están interesados en los pequeños pellets de hielo seco por su capacidad para bombardear una casa o máquina a alta presión, eliminar suciedad u otros contaminantes, y luego disiparse en la atmósfera. Recientemente, una compañía telefónica usó pellets de hielo seco para limpiar de forma segura equipos electrónicos de prueba sensibles sin usar disolventes peligrosos. Los talleres de reparación de carrocerías han descubierto que aplicar hielo seco a abolladuras en la carrocería a veces elimina la deformación. Además, se aboga por dejar caer bloques de hielo seco en madrigueras de topos para erradicar las plagas o colocarlos en el patio trasero para atraer mosquitos y mantenerlos alejados de los humanos.

Para saber más

Libros

Russell, Allan S. McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology. Vol. 5. Nueva York: 1997.

The Handy Science Answer Book. 2ª ed. Detroit: 1997.

Otros recursos

“Dry Ice.” About.com Web Page. Agosto 2001. < https://inventors.about.com/library/inventors/bldryice.htm >.

dryicelnfo.com Home Page. Julio 2001. < https://www.dryiceinfo.com >.

Entrevista con Chuck Hines. Propietario de Arctic Dry Ice Company. Baltimore. 31 julio 2001.

Nancy EV Bryk