DE102006018347A1

DE102006018347A1 - Vorrichtung für die Sammlung pyrogener Stäube

Info

Publication number: DE102006018347A1
Application number: DE102006018347A
Authority: DE
Inventors: Dieter Schwechten; Bernd Looser; Johannes Baur
Original assignee: Schwechten Dieter Dr
Current assignee: Baur Johannes De; Looser Bernd De; Schwechten Dieter Dr Ch
Priority date: 2006-04-19
Filing date: 2006-04-19
Publication date: 2007-10-25

Abstract

Die fiebererregende Wirkung von einatembaren Gefahrstoffstäuben auf Mensch und Tier kann mit einem Pyrogentest nachgewiesen werden. Bei diesem Analyseverfahren hat ein geschlossener, aseptischer und steriler Staubsammelmonitor zentrale Bedeutung. Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Ausführungen zur Integration dieses in anerkannte und bewährte Staubsammelgeräte zum Zweck verbesserter aerodynamischer Probenahme.

Description

Die aerodynamische Probenahme von Stäuben vorwiegend unter 80 bis 100 μm Partikelgröße ist in besonderer Weise problematisch, weil es darum geht mit einer sehr kleinen zu analysierenden Staubprobe eine Aussage nicht nur über die vorherrschende Konzentration der Partikel in der Luft, sondern auch ggf. über ihre granulometrische und chemische Zusammensetzung zu machen. Dabei spielt es eine entscheidende Rolle, ob die Probennahme aus bewegter oder ruhender Luft erfolgt. Staubsammelköpfe und Sonden jeglicher Art stören das Strömungsfeld der Luft, mit der Folge, dass klassierende Effekte an der Sondenspitze auftreten können. Sehr kleine Partikel können der Luft folgen, dagegen werden größere, oder auch schwerere Partikel aufgrund ihrer Trägheit den Stromlinien nicht folgen und bewegen sich daher auf anderen Bahnen. Dies führt, je nach Absauggeschwindigkeit entweder zu einem Verlust oder zu einer Überzahl an großen Partikeln in der abgesaugten Probe. Aus diesem Grunde sind die meisten Sonden einerseits besonders strömungsgünstig gestaltet, andererseits muss der Absaugvolumenstrom an die Gestalt und die Größe der Sondenöffnung angepasst werden.
Um die Fehler einer aerodynamischen Probennahme möglichst klein zu halten kennt der Fachmann den Begriff der isokinetischen Probennahme. Damit ist gemeinhin die geschwindigkeitsgleiche Absaugung gemeint, bei der die Luftgeschwindigkeit an der Absaugöffnung (Bohrung) der Sondenspitze so eingestellt wird, dass sie der Umgebungsgeschwindigkeit entspricht. Dies gilt streng genommen jedoch nur für Sonden, deren Wandstärke unendlich dünn ist. Für reale Sonden mit endlicher Wanddicke müssen Kennlinien aufgenommen werden, um die besten Absaugbedingungen in Abhängigkeit der Geschwindigkeit des zu beprobenden Luftstroms festzustellen. Diese hängen dann von der Form, der geometrischen Ausbildung und der Größe der Sondenspitze einschließlich derer Wanddicke ab. Diese Kennlinie gilt dann aber nur für eine Sonde bestimmter Größe und Ausführung. Dieser Sachverhalt ist in der Literaturstelle [C. Murphy, Handbook of Particle Sampling and Analysis Methods (1983), Verlag Chemie international] besonders eindrucksvoll dargelegt. Für die Beprobung technischer Staub-Luftströme unter ständig wechselnden Bedingung werden daher nach dem Stand der Technik automatische Volumenstromregelungen vorgeschlagen. Unter Fachleuten ist die Empfehlung bekannt, dass die Probennahme mit Sonden leicht überkritisch erfolgen sollte, also mit Absauggeschwindigkeiten an der Sondenspitze, die etwas über dem isokinetischen Punkt liegen.
Bekanntlich sind die Fehler der aerodynamischen Probenahme für Partikelgrößen oberhalb 80 bis 100 μm am größten. Einatembare Fraktionen enthalten dagegen Partikelgrößen vorwiegend unter 80 μm. Auch diese und feinere Partikelgrößen sind von Fehlern betroffen, wenngleich nicht so stark.
Eine weitere Besonderheit ist die Probenahme aus ruhender Luft, weil hier im strengen Sinne Absauggeschwindigkeiten von null einzustellen wären. Dies macht aber technisch gesehen keinen Sinn. Tatsächlich arbeitet man mit fest eingestellten Absaugströmen mit der Konsequenz, dass auch in diesem Fall Probenahmefehler in nicht definierter Höhe hinzunehmen sind.
Dies mag die grundsätzlichen technischen Schwierigkeiten in kurzer Form verdeutlichen, die bei einer repräsentativen Staub-Probenahme aus Luft unter verschiedensten Bedingungen auftreten. In der Praxis der Überwachung von Staubkonzentrationen und Staubarten z.B. an Arbeitsplätzen sind eine Vielzahl von Staubsammelgeräten eingeführt. Die Verfahren und das Vorgehen bei der Staubmessung sind zum Teil Gegenstand von Vorschriften und Normen. Momentan herrscht hier jedoch eine erhebliche Unsicherheit bezüglich der praktischen Anwendung der Geräte und der Messmethoden. Fast allen anerkannten Geräten zur Staub-Probennahme aus Luft, die für die Überwachung von Lebens- und Arbeitsbedingungen vor allem bei Menschen, in zunehmenden Maße auch bei Tieren der Massentierhaltung eingesetzt werden, ist gemeinsam, dass sie 1. eine bestimmte geometrische Form und definierte Größe (Festlegung aller Abmessungen) haben und dass sie unter fest vorgeschriebenen Absauggeschwindigkeiten zu betreiben sind. Diese Absauggeschwindigkeiten sind unabhängig von den Messbedingungen vorgegeben und einzustellen, ganz egal, ob in ruhender oder bewegter Luft, ob für stationäre oder personengetragene Systeme beprobt wird. Meist wird keine Rücksicht darauf genommen, ob die Staubprobe von der Seite, von oben, oder gar von unten eingesogen wird.
Auch wenn die oben genannten technischen Fehlermöglichkeiten der aerodynamischen Probennahme damit in keiner Weise verringert werden, so ist bei diesem Vorgehen sichergestellt, dass zumindest der wichtigste Einstellparameter konstant und definiert ist. Sollen kleinere Probenströme erzeugt werden, meist mit dem Ziel längerer Beprobungsdauer, so ist bei vorgegebener Absauggeschwindigkeit einfach die Sondenöffnung zu verkleinern. Meist liefern die Hersteller daher geometrisch ähnliche Sondenköpfe mit unterschiedlichen Öffnungsdurchmessern.
Pyrogene Stäube können als Abwehrreaktion des Körpers Fieber erzeugen. Dies ist bei Menschen, aber auch bei Tieren zu beobachten. Dabei wird die Fieberwirkung durch bestimmte Blutinhaltstoffe ausgelöst. Bei lang andauernder Wirkung der Belastung kann dies zu chronischen Krankheiten, Anfälligkeit und schließlich Tod führen. Ein neuartiger Pyrogentest auf der Basis humanen Blutes ist in DE 19516247 beschreiben. Dabei kann z.B. die individuelle pyrogene Belastung einer staubexponierten Person mit ein paar Millilitern seines körpereigenen Blutes getestet werden. Dazu wird das Blut mit dem speziell gesammelten Pyrogenstaub in direkten Kontakt gebracht.
Mittlerweile wurde der Test weiterentwickelt und verfeinert. Mittlerweile ist ein sogenannter Invitro Pyrogen Test (IPT) auf dem Markt verfügbar, der von der Firma Charles River Laboratories International, Inc. Wilmington (in Deutschland Charles River Endosafe, Sulzfeld) vertrieben wird. Um Kontaminationen jeglicher Art auszuschließen muss der betreffende Teststaub in einem speziellen, sterilen, aseptischen Monitor der Firma Pall Corporation, New York, gesammelt werden. Er besteht aus Kunststoff hat eine Einlassöffnung für die staubhaltige Luft und scheidet Partikel auf einem 37mm-Feinstfilter von 5 μm Porenweite ab. Die Reinluft kann über eine Auslassöffnung zur Absaugpumpe gelangen.
Direkt nach der Probennahme des pyrogenen Staubes muss der Monitor verschlossen und in ein Labor zur Auswertung geschickt werden. Dort wird der Monitor eingangsseitig kurz geöffnet und eine bestimmte Menge des Blutes eingespritzt um die Fieberreaktion auszulösen. Die weiteren Schritte der festgelegten Analyseprozedur sollen an dieser Stelle nicht weiter erläutert werden. Wichtig ist, dass die Verwendung des 37mm-Air-Monitors ein zwingender und wesentlicher Bestandteil des IPT-Vollbluttests (IPT: In-vitro Pyrogen Test) und schon seit vielen Jahren zu eine Art Standard geworden ist.
Der 37 mm-Air-Monitor mit äußerem Durchmesser von 42 mm und 28,5 mm Höhe ist rotationssymmetrisch und hat eine äußerst eigenwillige, flachzylindrische Form. Die Stirnseiten sind nicht flach, sondern haben eine umlaufende Nut, so dass die Einlass- und Auslassöffnung als Nippel auf Höhe des Randes vorstehen. Diese Form rührt daher, dass der Monitor ursprünglich nicht für Staubprobennahmezwecke entwickelt wurde, sondern eigentlich ein Standardfilter der gängigen Labortechnik mit beidseitigen Luer-Anschlüssen nach EN 1707 ist. Der Gedanke, diesen aseptischen Laborfilter für die pyrogene Blutanalyse einzusetzen war sicher naheliegend, jedoch hat die Form des Monitors in keiner Weise Ähnlichkeit mit einer der üblichen Probenahmesonden. Er würde Fachleuten als unbrauchbar für das Staubsammeln erscheinen.
Stand der Technik
Zum Sammeln von Gefahrstoffstäuben ist das personengetragene Gefahrstoff-Probenahmesystem (PGP) der Firma GSM, Neuss am weitesten verbreitet. Es geht auf eine Entwicklung der ehemaligen BIA, heutigen BGIA (Berufsgenossenschafliches Institut für Arbeitssicherheit), St. Augustin zurück. Auch wenn der Name auf ein personengetragenes System hindeutet, werden auch stationäre Messungen an staubexponierten Stellen mit dem PGP-System gemacht. Es hat einen modularen Aufbau bei dem verschiedenartige Adapter (Befestigungssysteme) und Erfassungskegel (Sonden mit ca. 45° Kegelwinkel) über ein zylindrisches Gehäuse verbunden werden können. Im Gehäuse befindet sich ein von Hand eingelegter Filter, der aus Materialien unterschiedlicher Porenweite und Strukturen bestehen kann.
Besonders sei auf das PGP-GSP für die Gesamtstaubprobenahme hingewiesen. Es dient zum Sammeln der einatembaren Staubfraktion nach EN 481. Fünf Erfassungskegel (zu verstehen als Probenahmesonden) stehen zur Auswahl. Je nach gewünschtem, an die Messsituation anzupassenden Volumenstrom von 0,5 l/min, 1,0 l/min, 2,0 l/min, 3,5 l/min und 10 l/min sind die Sondenöffnungen genau so abgestimmt, dass die Ansauggeschwindigkeit immer 1,25 m/s beträgt. Alle PGP-Geräte werden mit volumenstromgeregelten Saugpumpen betrieben um konstante Absaugbedingungen über die Probenahmedauer zu gewährleisten.
Die Auswahl der Erfassungskegel wird der Empfehlung nach eher von Randbedingungen, wie der Staubkonzentration und Messdauer bestimmt, als von den eigentlichen Absaugbedingungen an der Sondenspitze. Da das Gerät unter vielfältigsten Bedingungen in jeder Position, sowie in bewegter oder ruhender Luft, personengetragen oder stationär zum Einsatz kommt, erscheint es vermessen an exakte Probenahmebedingungen zu denken. Dennoch: Es ist ein anerkanntes und weit verbreitetes Standardverfahren, das gewisse Anpassungs- und Optimierungsmöglichkeiten auch in Hinblick auf eine verbesserte Probenahme zulässt.
Ein weiteres, weit verbreitetes Probenahmegerät für Gefahrstoffstäube ist das Respicon der Firma Hund, Wetzlar, das ebenfalls personengetragen und stationär angewendet wird und in DE 4325664 näher beschreiben ist. Die staubhaltige Luft wird über einen ringförmigen Schlitz gemäß DE 3737129 am Umfang in radialer Richtung eingesogen. Die Geometrie dieses flachen Kopfes ist nicht veränderbar oder anpassbar. Das Gerät ist auf einen Volumenstrom von 3,11 l/min ausgelegt. Mit einem Außendurchmesser des Sondenkopfes von 38,1 mm und einer Öffnungsweite des Spaltes von ca. 1,6 mm ergibt sich eine mittlere, rechnerische Radial-Ansauggeschwindigkeit von 0,27 m/s. Unter der Annahme, dass der Respicon in Axialrichtung angeströmt wird, kann die Umströmung des Sondenkopfes und der Eintritt in den Radialspalt als eine Art Umlenksichter mit einer unbekannten vorklassierenden Wirkung aufgefasst werden. Damit dürfte der Respicon besonders gut für Stäube mit nennenswerten Anteilen größerer, unerwünschter Partikel einzusetzen sein. Große Partikel werden den Stromlinien nicht folgen können und werden somit schon außerhalb des Gerätes abgeschieden.
Im Innern des Gerätes handelt sich um einen zweistufigen virtuellen Impaktor, der den eintretenden Gesamtstaub in drei separate Fraktionen nach EN 481 auftrennt und auf genau ausgelegten Filterstufen mit 37 mm Durchmesser abscheidet. Alternativ kann das System auch mit fraktionellen Streulicht-Konzentrationsmessungen in den 3 Kammern gemäß DE 4130 586 ausgestattet werden.
Das Gerät ist ausgelegt für einen bestimmten Volumenstrom ohne Veränderungen der Geometrie, seinem Bestimmungszweck entsprechend also in keiner Weise an geänderte Sammelbedingungen anpassbar. Dennoch: Auch hier handelt es sich um ein anerkanntes und weit verbreitetes Staubsammelsystem.
Nachteile im Stand der Technik, Aufgabe und Lösung der Erfindung Der Pyrogentest für Stäube ist durch die zwingende Verwendung des 37mm-Air-Monitors von Pall in seiner Bestimmung zum Staubsammeln nur eingeschränkt einsetzbar.
Der erfindungsgemäße Gedanke ist es den 37mm-Air-Monitor von Pall in gängige, am Markt eingeführte Sammelgeräte zu integrieren. Auf diese Weise wird es möglich unter anerkannten Bedingungen Staub zu sammeln und diesen Staub anschließend einem Pyrogentest zu unterziehen. Darüber hinaus soll nach Möglichkeit sichergestellt werden, dass nicht nur Absaugvolumenströme und Sondenöffnungsdurchmesser an die jeweiligen Absaugbedingungen angepasst werden können, sondern ggf. auch die Geometrie des Sondenkopfes, wie es dem Stand industrieller Staubsammeltechnik entspricht.
Erläuterungen und Zeichnungen
1 Schnittdarstellung eines Filters mit Gehäuse zur Sammlung von pyrogenen Stäuben.
2 Ausführungsbeispiel eines Geräts zur automatischen Probenahme von Stäuben mit Integration eines Filters mit Gehäuse zur Sammlung von pyrogenen Stäuben.
3 Weiteres Ausführungsbeispiel eines Geräts zur automatischen Probenahme von Stäuben mit Integration eines Filters mit Gehäuse zur Sammlung von pyrogenen Stäuben.
Detaillierte Erklärung der Ausführungsformen
1 zeigt einen Filter mit Gehäuse zur Sammlung pyrogener Stäube im Schnitt mit seinen Komponenten. Er ist aus Montagegründen zweiteilig aus zwei fest zusammengesteckten Kunststoffteilen aufgebaut. Das Oberteil (2) trägt die Einlassöffnung (3) für die staubbeladene Luft. Pyrogene Staubpartikel werden am eingelegten Filter (6) abgeschieden, so dass die partikelfreie Luft am Austritt (4) abgesaugt werden kann. Der Boden von Filterunterteil (5) ist gleichzeitig Träger des Filters (6).
2 zeigt das Schnittbild eines Ausführungsbeispiel eines Geräts zur automatischen Probenahme von Stäuben mit Integration eines Filters mit Gehäuse zur Sammlung von pyrogenen Stäuben. Der Monitor (1) bekommt einen passgenauen kegeligen Sondenkopf (7) mit Sondenöffnung (12) aufgesteckt. Die Luer-Steckverbindung (13) gewährleistet eine dichte Verbindung zwischen beiden Teilen. Ein auf den Adapterfuss (11) aufgeschraubter Zwischenring (9) verlängert das Gehäuse für den Einsatz des Filters mit Gehäuse (1). Über den Anschluss (17) gelangt die Abluft zur Pumpe. Der elastische Dichtring (10), hier als radiale Dichtung eingesetzt, hat gleichzeitig Zentrierfunktion. Der Überwurfring (8) sorgt für einen spielfreien Zusammenbau der Anordnung.
3 zeigt das Schnittbild eines weiteren Ausführungsbeispiel eines Geräts zur automatischen Probenahme von Stäuben mit Integration eines Filters mit Gehäuse zur Sammlung von pyrogenen Stäuben Bei dieser Konstruktion wird der Staub nicht fraktioniert, sondern es wird der gesamte, in das Probensammelgerät eingesaugte Probenstrom (Gesamtstaub) in den Filters mit Gehäuse (1) gelangen und auf dessen Filter abgeschieden. Das Gehäuseteil (16) ist mehr als ausreichend hoch für den integrierten Filters mit Gehäuse, so dass ein passgenauer Distanzring (18) auf dem Boden (14) erforderlich ist, um den Filter mit Gehäuse in die obere Position unter den Sondenkopf (15) zu drücken. Ein Verbindungsstück (19) dient der dichten Ankoppelung zwischen Sondenkopf und Monitor. Eine Zentrierung des Filters mit Gehäuse kann bei dieser Konstruktion entfallen. Standardmäßig hat das Geräts zur automatischen Probenahme von Stäuben einen seitlichen Anschluss (17), der mit der Saugpumpe verbunden wird. Damit die aus dem Filter mit Gehäuse austretende partikelfreie Luft in den Ringraum zwischen Filtergehäuse und Gehäuse des Probennehmers gelangen kann, hat der Distanzring (18) radiale Nuten (20).

Claims

Vorrichtung zum Auffangen des einatembaren Gesamtstaubs, dadurch gekennzeichnet, dass ein Filter mit Gehäuse in ein Gerät zum Auffangen des einatembaren Gesamtstaubs integriert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Integration des Filters mit Gehäuse in ein Gerät zum Auffangen des einatembaren Gesamtstaubs ein Adaptor verwendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Adaptor aus einem kegeligen Sondenkopf mit Luer-Steckverbindung, einem aufgeschraubten Distanzstück und einem elastischen Dichtring besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Adaptor aus einem Verbindungsstück mit Luer-Steckverbindung und einem Distanzring mit radialen Nuten besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter mit Gehäuse ein für pyrogene Untersuchungsverfahren an humanem oder tierischem Blut benutzter geschlossener aseptischer steriler Filter mit Gehäuse ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter mit Gehäuse ein 37mm-Air-Monitor der Firma Pall Corporation, New York, ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter mit Gehäuse in ein personengetragenes oder stationäres Gerät zum Auffangen des einatembaren Gesamtstaubs integriert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter mit Gehäuse in ein Staubsammelgerät mit der Bezeichnung PGP Kombinations-Probenahmesystem der Firma GSM, Neuss, integriert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenströme durch Austausch von Sondenköpfen an konstante Absauggeschwindigkeiten angepasst werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter mit Gehäuse in ein Staubsammelgerät der Bezeichnung Respicon der Firma Hund, Wetzlar, integriert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte, in das Gerät eintretende Staub auf dem Filter mit Gehäuse abgeschieden wird.