Sicherheit im Labor

Polymerisationen von reaktiven Monomeren

  • Abb. 1: Anionische Polymerisation von Ethylenoxid mit einem Alkoholat als InitiatorAbb. 1: Anionische Polymerisation von Ethylenoxid mit einem Alkoholat als Initiator
  • Abb. 1: Anionische Polymerisation von Ethylenoxid mit einem Alkoholat als Initiator
  • Abb. 2: Autoklavensystem für die Polymerisation von Ethylenoxid (EO)
  • Abb. 2: Autoklavensystem für die Polymerisation von Ethylenoxid (EO)
  • Abb. 3: Labor mit Abzug und Syntheserobotern
  • Abb. 4: Anschlussplan der Sensoren am Touch-Panel mit integrierter Temperatur und Druckanzeige
  • Dr. Jürgen Vitz, Friedrich-Schiller-Universität Jena, Lehrstuhl für Organische und Makromolekulare Chemie (IOMC) und Jena Center for Soft Matter (JCSM), Dutch Polymer Institute (DPI)
  • Dr. Martin D. Hager, Friedrich-Schiller-Universität Jena, Lehrstuhl für Organische und Makromolekulare Chemie (IOMC) und Jena Center for Soft Matter (JCSM), Dutch Polymer Institute (DPI)
  • Prof. Dr. Ulrich S. Schubert, Friedrich- Schiller-Universität Jena, Lehrstuhl für Organische und Makromolekulare Chemie (IOMC) und Jena Center for Soft Matter (JCSM), Dutch Polymer Institute (DPI)

Die Polymerisation von sehr reaktiven Monomeren stellt nicht nur chemische Herausforderungen bezüglich Reinheit der Ausgangsverbindungen und absolutem Wasser- und Sauerstoffausschluss, sondern auch hohe Anforderungen an die Sicherheitsausstattung. Nur so können die Gefahren im Zusammenhang mit den meist gasförmigen Ausgangsverbindungen vermieden werden.

Einleitung

Beim Arbeiten in chemischen Laboratorien steht heutzutage die Sicherheit an erster Stelle. Diese Grundvoraussetzung ist sehr wichtig, da täglich mit unterschiedlichen und gefährlichen Substanzen umgegangen werden muss. Dabei kann es sich um Feststoffe, Flüssigkeiten und auch Gase handeln, die neben den offensichtlichen Gefahren (u. a. giftig, brennbar, ätzend) auch versteckte Gefahren, wie z. B. die Bildung explosionsfähiger Gemische, besitzen können.

Daher müssen Maßnahmen getroffen werden, um das Gefahrenpotential auf ein Minimum zu reduzieren. Im Falle von Ethylenoxid besteht die größte Gefahr in der Explosionsfähigkeit dieses Stoffes. Daher wurden spezielle Maßnahmen getroffen, um die Gefahr der Explosion aber auch der Exposition deutlich zu reduzieren. Eine zentrale Maßnahme war dabei die Installation eines stationären Gaswarnsystems mit zentraler Steuerung.

Gesetzliche Grundlagen

Geregelt werden die Sicherheit und der Gesundheitsschutz von Beschäftigten durch das Arbeitsschutzgesetz [1]. In diesem werden neben den allgemeinen Vorschriften, die Pflichten des Arbeitgebers als auch Pflichten und Rechte der Beschäftigten geregelt. So ist der Arbeitgeber dazu „verpflichtet, die erforderlichen Maßnahmen […] zu treffen […]“, und „eine Verbesserung von Sicherheit und Gesundheitsschutz der Beschäftigten anzustreben“ [1].

Dazu gehört das Bereitstellen von persönlicher Schutzausrüstung (PSA) je nach Gefahrenpotential (u. a. Augenschutz, Schutzhandschuhe, Arbeitsschuhe, etc.) aber auch die Installation von sicherheitsrelevanter Laborausstattung. Hier sind u. a. Sicherheitsschränke für brennbare Gefahrstoffe, Gasflaschenschränke, Säuren- und Laugenschränke, Chemikalienschränke aber auch Erste-Hilfe- Schränke und Zubehör zu nennen.

Details sind in den Laborrichtlinien der Berufsgenossenschaft Chemie zu finden: BGI/GUV-I 850-0: „Sicheres Arbeiten in Laboratorien – Grundlagen und Handlungshilfen“ [2].

Wichtig ist natürlich auch die Zusammenarbeit mit den Beschäftigten, die durch ihre Mitarbeit und Unterstützung selbst zu einer deutlichen Erhöhung der Sicherheit beitragen und auf evtl. vorhandene Mängel hinweisen können.

Zusätzliche Sicherheitsinstallationen

Es gibt aber auch Gefahrstoffe, die ein deutlich höheres Gefahrenpotential besitzen. Dann sind weitere Maßnahmen zu treffen, um die Sicherheit zu gewährleisten. So ist z. B. die anionische Polymerisation von Ethylenoxid (EO) zu Polyethylenoxid oder Polyethylenglykol (PEO oder PEG) ein Fall, bei dem ein sehr reaktives Gas als Ausgangssubstanz eingesetzt wird (Abb. 1).

Diese Synthese wird in unserem Institut regelmäßig durchgeführt, um wasserlösliche Polymere mit unterschiedlichen Kettenlängen und definierten Start- und Endgruppen zu synthetisieren. Diese können u.a. zur gezielten Wirkstofffreisetzung in der Medizin eingesetzt werden [3]. Für die anionische Polymerisation muss das Gas jedoch zunächst unter Abkühlung kondensiert, getrocknet und unter Druck gelagert werden.

Dazu dient ein speziell ausgerüstetes Autoklaven-System mit zwei Glasreaktoren, die bis zu einem Druck von 10 bar und einer Temperatur bis 250 °C eingesetzt werden können. Eine zusätzliche Druckbürette mit Heiz-/ Kühlmantel dient zur Lagerung des destillierten, getrockneten Ethylenoxids (EO). Dabei darf die Temperatur nicht zu hoch steigen, da das EO ab 40 °C zu einer explosionsartigen Autopolymerisation neigt.

Aus der Bürette können dann entsprechende Mengen an EO zur Polymerisation in den linken oder rechten Reaktor abgelassen werden (s. Abb. 2). Das System ist mit Temperaturfühlern, mechanischen und digitalen Drucksensoren, sowie Berstsicherungen (Berstscheiben) als Sicherheitsreserve im Falle eines Überdruckes über 10 bar ausgerüstet.

Das Ethylenoxid besitzt neben seiner Giftigkeit auch eine erbgutverändernde (Kat. 2) und krebserregenden Wirkung (Kat. 2), es ist zudem hochentzündlich. Darüber hinaus bildet es explosionsfähige Gemische in einem Bereich von 3 bis 99,9 Vol. % [4]. Aus diesem Grund werden zur Sterilisierung von medizinischen Geräten nur Gemische von Ethylenoxid mit anderen Gasen eingesetzt (z. B. 6 % Ethylenoxid, Rest Kohlendioxid bzw. 15 % Ethylenoxid, Rest Kohlendioxid). Polymerisationen können aber nur mit reinem Ethylenoxid durchgeführt werden.

Daher wurden Maßnahmen des „Primären Explosionsschutzes“ getroffen, um die Bildung einer explosionsfähigen Atmosphäre zu verhindern:

▪▪ Inertisierung in einem Umgehäuse (Syntheseroboter)

▪▪ Natürliche oder technische Belüftung (Labor und Abzug)

Zusätzlich wurde eine Anlage zur Konzentrationsüberwachung der verwendeten Gase installiert. Diese besteht aus zwei Sensoren, installiert im Abzug und im ChemSpeed Multiplant M106 Syntheseroboter (s. Abb. 3), der für Reaktionen bis 100 bar und 350 °C ausgelegt ist. Diese Sensoren sind an ein zentrales Terminal mit Touch- Panel angeschlossen. Bei Überschreiten der programmierten Grenzwerte wird zunächst optisch, danach akustisch mit einer Blitz / Hupe-Kombination gewarnt.

Es können zudem 12 Relais zur Abschaltung der Gaszufuhr und zur Schaltung von anderen Warneinrichtungen benutzt werden. In Zukunft ist der Ausbau des Systems mit einem dritten Sensor geplant, schematisch ist dies in Abb. 4 gezeigt. Des Weiteren müssen Zündquellen, z.B. durch Erdung der Apparaturen, vermieden werden. In diesem Zusammenhang wurde der existierende Abzug durch einen neuen Abzug in Ex-Ausführung ersetzt, der explosionsgeschützte Leuchtstoffröhren und Steckdosen für die Anwendung in EX-Zone 2 und 22 besitzt.

Zudem ist die Elektronik außerhalb des Abzuges installiert. Für das Arbeiten am Abzug wurde zusätzlich ein ableitfähiger Bodenbelag verlegt. Darüber hinaus müssen im Fall des Arbeitens unter Ex-Zone 2 Bedingungen, Sicherheitsschuhe mit einem geringen Ableitwiderstand getragen werden. Für Besucher kann auf Einweg-Schuherdungstreifen zurückgegriffen werden.

Ebenfalls müssen alle Installationen im Abzug den Richtlinien auf dem Gebiet des Explosionsschutzes entsprechen (ATEX-Produktrichtlinie 94/9 / EG und ATEXBetriebsrichtlinie 1999/92/EG), in diesem Fall der Zone 2 in der Gerätegruppe II und der Temperaturklasse T4 [5,6]. Falls ein Atemschutz erforderlich ist, stehen Vollmasken mit dem Filtertyp AXBEK (EN 14387) zur Verfügung.

Falls es trotz aller Vorsichtsmaßnahmen dennoch zu einem Einatmen des Gases kommen sollte, steht ein Notfallspray zum Inhalieren direkt im Labor zur Verfügung. Dabei handelt es sich um ein Glukokortikoid, dass als Akuttherapie gegen schnell auftretende Lungenödeme eingesetzt werden kann. Eine einmalige Anwendung, auch in hoher Dosierung, ist völlig unschädlich und kann daher auch im Verdachtsfall durchgeführt werden [7,8].

Die Erste-Hilfe-Ausstattung wurde zusätzlich durch ein Maskengerät zur Atemspende bereitgestellt (Beatmungsbeutel), der in diesem Fall nicht nur als Infektionsschutz sondern vielmehr zum Schutz des Helfers vor Inhalation der Gase dient.

Fazit

Das Arbeiten mit hochgiftigen und explosionsfähigen Gasen erfordert eine besondere Anpassung der Sicherheitsmaßnahmen, die die Bedingungen in einem chemischen Standard-Labor bei weitem überschreiten. Dies ist sowohl mit einem hohen technischen als auch finanziellen Aufwand verbunden, was aber zum Schutz der Mitarbeiter aufgrund der vorliegenden Gefahren nötig ist.

Danksagung

Der Ausbau der Sicherheitsmaßnahmen war nur durch die fortwährende Unterstützung des Dezernats 4 Abteilung Sicherheit und Technik der Friedrich-Schiller-Universität Jena möglich. Hierfür möchten wir uns Bedanken, zudem für die finanzielle Unterstützung des Dutch Polymer Institutes (DPI, Technologiebereich HTE) für den Ausbau der Autoklaven und bei Chemspeed Technologies für die Unterstützung im Bereich der Hochdurchsatzsynthese.

Literatur

[1] Gesetz über die Durchführung von Maßnahmen des Arbeitsschutzes zur Verbesserung der Sicherheit und des Gesundheitsschutzes der Beschäftigten bei der Arbeit (Arbeitsschutzgesetz - Arb- SchG), 1996.

[2] Laborrichtlinien BGI/GUV-I 850-0: „Sicheres Arbeiten in Laboratorien – Grundlagen und Handlungshilfen“, 2008.

[3] Knop K. et al.: Angewandte Chemie-International Edition 49, 6288-6308, (2010)

[4] Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA). GESTIS-Stoffdatenbank – Gefahrstoffinformationssystem der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung: http://www.dguv.de/ifa/de/gestis/stoffdb/index.jsp.

[5] European Commission: Official Journal of the European Commission vol. L, (1994)

[6] Das Europäische Parlament und der Rat der Europäischen Union: Amtsblatt der Europäischen Gemeinschaften vol. L, [2000]

[7] Bundesministerium für Arbeit und Sozialordnung: Bundesarbeitsblatt 6, 80, (2008)

[8] Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin: Bundesanzeiger 103a, 1−9, (2006) 

 

Autor(en)

Kontaktieren

University Jena - Jena Center for Soft Matter (JCSM)
Humboldtstr. 10
07743 Jena
Germany

Jetzt registrieren!

Die neusten Informationen direkt per Newsletter.

To prevent automated spam submissions leave this field empty.