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Laborabzug für Aerosol-belastete Arbeitsplätze Null Potenzial, volle Sicherheit: Kleines Upgrade für Laborabzüge

Autor / Redakteur: Prof. Ulrich Gärtner* / Christian Lüttmann

Elektrostatische Aufladungen können dafür sorgen, dass Partikel an den Abzugwänden haften und Kontaminationen verschleppt werden. Forscher der Steinbeis-Stiftung nutzen deshalb Elektroden, die das Potenzial der Aerosole im Luftstrom auf 0 V entladen. Zum Validieren der Methode haben sie ein neues Prüfverfahren entwickelt.

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Abb.1: Laborabzug für Aerosol-belastete Arbeitsplätze
Abb.1: Laborabzug für Aerosol-belastete Arbeitsplätze
(Bild: HS Esslingen, Waldner)

Das Sicherheitskonzept klassischer Laborabzüge konzen­triert sich darauf, Ausbrüche von Schadstoffen durch die Arbeitsöffnung zu vermeiden und so die Anwender vor Kontamination zu schützen. Dieses Konzept kommt aber an seine Grenzen, wenn zu den klassischen Ausbreitungsmechanismen wie Verwirbelung und Diffusion noch eine weitere Einflussgröße hinzukommt: die elektrostatische Aufladung. Dies ist immer dann der Fall, wenn mit Stäuben oder Aerosolen gearbeitet wird, also häufig in der Pharmazie, aber auch in vielen anderen Anwendungsbereichen. Die Aufladung an sich ist zwar ungefährlich, aber die aufgeladenen Partikel und Tröpfchen können an den Innenwänden anhaften, wie man es von Staub auf dem Bildschirm eines Röhrenfernsehers kennt. Damit wird der Arbeitsplatz durch solche unerwünschten Anziehungskräfte langfristig kontaminiert, was nicht nur die Reinheit der verarbeiteten Produkte gefährden kann, sondern auch potenziell die Gesundheit der Beschäftigten. Für derartige Fälle haben Forscher der Steinbeis-Stiftung nun ein neues Abzugsystem entwickelt, das nachweislich die elektrostatische Aufladung der Oberflächen und der Aerosole in Wandnähe reduziert. Dadurch wird die Anhaftung von Partikeln und Aerosolen systematisch vermieden.

Maßnahmen gegen Aufladung

In konventionellen Verfahren leitet man die Aufladungen bereits oft über das elektrische Versorgungsnetz ab. Damit lassen sich jedoch nicht die Oberflächen im Arbeitsbereich ausreichend entladen, ebenso wenig wie eingebrachte Gegenstände und Aerosole, die sich im Arbeitsbereich des Abzuges befinden. Die Potenzialdifferenzen im Arbeitsbereich müssen daher durch die Abzugdurchströmung selbst kon­trolliert werden. Dazu haben die Entwickler der HS Esslingen im Austrittsbereich der Wandstrahlen eines Laborabzugs Hochspannungselek­troden installiert, die die Luftströmung an der Wand abwechselnd positiv und negativ ionisieren (+/- 5 kV, s. Abb. 2).

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Eine besondere konstruktive Herausforderung ergab sich dabei aus dem Ziel, bestehende Anwendungen mit dieser Technik nachrüsten zu können, um so die erweiterte Sicherheit auch in existierenden Installationen zu gewährleisten. Dazu wurden die Aluminiumhohlprofile so modifiziert, dass eine problemlose modulare Nachrüstung bestehender Standardabzüge möglich ist. Die erforderlichen Hochspannungselektroden sind wandbündig in die geänderten Aluminiumprofile eingepasst. Dadurch bleiben alle bisher vorhandenen Funktionalitäten erhalten. Durch die Ionisierung der Wandstrahlen ergeben sich mehrere Effekte:

  • Durchmischung der Wandstrahlen mit positiven und negativen Ionen, sodass das mittlere Potenzial der wandnahen Strömung bei 0 V liegt.
  • Wandstrahlen entladen die überströmten Oberflächen auf ein elektrisches Potenzial von 0 V.
  • Entladung aller Aerosole in der wandnahen Strömung durch Angleichen der Potenziale.
  • Entfallen der elektrostatischen Anhaftungen auf den überströmten Oberflächen; Oberflächen verschmutzen langsamer oder gar nicht.
  • Entladen von Gegenständen, die bei Annäherung an die überströmte Oberfläche in die wandnahe Strömung gelangen; Hieraus ergibt sich ein zusätzlicher Sicherheitsgewinn gegen statische Entladungen.

Die Hochspannungselektroden werden rein kapazitiv aufgeladen. Da sie trotz der verwendeten Spannung von 5 kV nur eine geringe Energiemenge speichern, ist ihr Betrieb selbst bei direkter Berührung ungefährlich. Zur Veranschaulichung sei hier erwähnt, dass selbst beim Verschieben einer Kaffeetasse auf einem Kunststofftisch leicht Spannungen von 3 bis 5 kV entstehen können. Wenn man einen elektrischen Schlag von der Türklinke bekommt, sind sogar bis zu 30 kV im Spiel. Aber selbst das ist aufgrund der minimalen Stromstärke und der kurzen Zeit ungefährlich.

Die Methode im Test

Die Auswirkungen der ionisierten Wandstrahlen auf die elektrischen Potenziale in einem Laborabzug haben die Entwickler von der HS Esslingen in einem umfangreichen Entwicklungsprojekt nachgewiesen. Dazu wurde in einem ersten Test die Oberfläche einer Arbeitsplatte elektrostatisch aufgeladen und anschließend mit den ionisierten Wandstrahlen überströmt. Die Messergebnisse (s. Abb. 3) zeigen deutlich, dass besonders im vorderen Eingriffsbereich des Arbeitsraumes die Oberflächen sehr schnell entladen werden. Läuft somit ein Abzug während eines Arbeitstages im Dauerbetrieb, kann insgesamt von elektrisch neutralen Oberflächen ausgegangen werden.

Um zu überprüfen, ob die Oberflächen durch die ionisierten Wandstrahlen auch besser von anhaftenden Partikeln freigehalten werden, zerstäubten die Forscher während der Messung das Prüfaerosol DEHS (s. Ergänzendes zum Thema). Dieses wurde elektrostatisch aufgeladen und in Richtung der Arbeitsplattenoberfläche emittiert, sodass sich die Entladung des Aerosols bei Annäherung an die Wand überprüfen ließ. Mit einem eigens entwickelten, hochempfindlichen Streulichtverfahren haben die Wissenschaftler dann die Reinhaltung der Oberflächen experimentell nachgewiesen.

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„DEHS“ statt SF6

Noch kommt bei Abzugprüfungen Schwefelhexa­fluorid zum Einsatz. SF6 ist allerdings ein starkes Treibhausgas: 1 kg davon ist genauso wirksam wie ca. 26 000 kg CO2. Aus diesem Grund wird die Verwendung von SF6 in immer mehr Ländern verboten. Eine mögliche Alternative für die Abzugprüfung ist Di-Ethyl-Hexyl-Sebacat (DEHS). Die unlösliche, farb- und geruchslose Flüssigkeit wird bereits zur Überprüfung von Reinraumströmungen und Filtersystemen verwendet.

Prüfverfahren für Aerosole

Jeder Laborabzug muss natürlich die bekannte Basisfunktionalität gewährleisten, Schadstoffausbrüche sicher im Abzuginneren zurückzuhalten. Aus diesem Grund musste für den neuen Abzugtyp ein Prüfverfahren entwickelt werden, das in der Lage ist, das Verhalten von Aerosolen im Abzug nachzuweisen.

Die bestehenden Messverfahren nach DIN EN 14175-3 sehen vor, das Spürgas Schwefelhexafluorid (SF6) im Laborabzuginnenraum zu verströmen und anschließend dessen Konzentration in der Luft vor der Arbeitsöffnung (Fensteröffnung) zu messen. Da das Gas selbst nicht elektrostatisch beeinflusst werden kann, unterscheidet sich das Ausbreitungsverhalten von SF6 aber deutlich vom Verhalten von Partikeln, insbesondere in Wandnähe, sodass bisher keine validen Aussagen über die Partikelemissionen von Laborabzügen getroffen werden können.

Das neue Prüfverfahren lehnt sich hinsichtlich des Prüfablaufes stark an die bestehende Norm an. Der entscheidende Unterschied ist, dass im Laborabzug nicht eine gasförmige Emission mit SF6 erfolgt, sondern eine definierte Partikelemission. Diese erfolgt in Anlehnung an DIN EN 14175-3 im Arbeitsraum in der Nähe der Arbeitsöffnung. Dadurch kann die Abzugseinströmung auf die gleiche Weise hinsichtlich ihres Rückhaltevermögens und ihrer Stabilität überprüft werden wie bei der bisher üblichen SF6-Messung. Ein zertifizierter Partikelgenerator erzeugt dazu ein Aerosol aus DEHS, das hauptsächlich Partikel mit einer Größe unter einem Mikrometer enthält. Diese Partikelgröße ist hinsichtlich der Arbeitssicherheit relevant und mit optischen Messverfahren noch gut detektierbar. Derart kleine Partikel folgen der Strömung im Abzug und bieten damit die Möglichkeit, gemessene Ausbrüche von Partikeln mit den gesuchten Strömungsinstabilitäten in der Arbeitsöffnung (Fensteröffnung) gleichzusetzen. Die Partikelausbrüche werden mithilfe eines Partikelzählers quantitativ erfasst. Im Gegensatz zur konventionellen SF6-Messung erzielt man hier jedoch nicht Messwerte in der Nähe der Nachweisgrenze der verwendeten Messgeräte. Stattdessen liegen die Messwerte bei dieser Methode deutlich über dem Rauschpegel der Umgebung, sofern eine hinreichend reine Prüfumgebung sichergestellt ist.

Mit dem neuen Prüfverfahren lässt sich, im Gegensatz zum zurzeit üblichen Verfahren, lokal die Stabilität der Abzugeinströmung überprüfen. Dazu wird der Messkopf mithilfe einer Traversiervorrichtung in der Arbeitsöffnung positioniert (s. Abb. 4). Die Entwickler der Steinbeis-Stiftung haben in einem Erprobungsprogramm bereits nachgewiesen, dass sich das partikelbasierte Messverfahren äquivalent zu der bestehenden Prüfnorm einsetzen lässt. Das neue Verfahren ist daher zurzeit Gegenstand einer Normungsdiskussion, die das Ziel hat, das umweltschädliche SF6 durch eine umweltfreundlichere Partikelemission zu ersetzen.

* Prof. U. Gärtner, Steinbeis-Transferzentrum Wärme- und Strömungstechnik, 72555 Metzingen

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