Formaldehydbelastung 01.10.2016, 00:00 Uhr

Formaldehyd in der vorklinischen medizinischen Ausbildung (Anatomie)

Reduzierung der Formaldehydbelastung im anatomischen Praktikum durch lüftungstechnische Maßnahmen: Gemeinsame Untersuchungen verschiedener Unfallversicherungsträger mit dem Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA) haben gezeigt, dass die Einhaltung des Arbeitsplatzgrenzwertes für Formaldehyd im anatomischen Praktikum eine große Herausforderung für die betroffenen Hochschulinstitute und Universitäten darstellt. Im Rahmen des Forschungsprojektes des IFA „Konzeptentwicklung eines lufttechnisch aktiven Präpariertisches und eines Luftführungssystems für Präparationssäle zur Expositionsminderung“ wurde ein schlüssiges Konzept zur effektiven Reduzierung der Formaldehydkonzentration im anatomischen Praktikum entwickelt. Die Wirksamkeit des Konzeptes konnte inzwischen sowohl im Technikum als auch im Rahmen von Strömungssimulationen (Computational Fluid Dynamics – CFD) nachgewiesen werden. Die Umsetzung der Ergebnisse in die Praxis steht kurz bevor.

Bild 1. Blick in den Versuchsraum. Quelle: UK NRW / IFA /UKH

Bild 1. Blick in den Versuchsraum.

Foto: UK NRW / IFA /UKH

1 Einleitung

Formaldehyd ist eine Grundchemikalie und wird unter anderem wegen seiner Eigenschaft, schnell Eiweißstoffe zu denaturieren und eine gleichmäßige Gewebehärtung herbeizuführen, zur Fixierung, Konservierung und Lagerung von humanem oder tierischem Gewebe und von Körperspenden eingesetzt. Deshalb findet er breite Anwendung in der Human- und Veterinäranatomie. Seitens des Chemikalienrechts ist Formaldehyd europaweit in die Gefahrenklassen Karzinogen/Kategorie 1B und Keimzellmutagen/Kategorie 2 eingestuft. Der Ausschuss für Gefahrstoffe (AGS) hat für Formaldehyd einen Arbeitsplatzgrenzwert (AGW) in Höhe von 0,37 mg/m³ beziehungsweise 0,3 ml/m³ (ppm) – Spitzenbegrenzung Überschreitungsfaktor 2 – festgelegt [1; 2].

Umfangreiche Untersuchungen verschiedener gesetzlicher Unfallversicherungsträger (UVT) der öffentlichen Hand gemeinsam mit dem Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA) haben gezeigt, dass die Einhaltung des AGW für Formaldehyd im anatomischen Praktikum eine große Herausforderung für die betroffenen Hochschulinstitute und Universitäten darstellt. Dabei hat sich herausgestellt, dass die Grenzwerteinhaltung von verschiedenen Parametern – zum Beispiel dem angewandten Fixier- und Konservierungsverfahren, der Organisation des Praktikums [1], der Wirksamkeit der Raumlufttechnischen Anlage (RLT-Anlage) einschließlich der Luftführung und der Bauart der eingesetzten Präpariertische – abhängig ist. Nur durch eine gut aufeinander abgestimmte Kombination dieser Parameter lässt sich der AGW sicher einhalten. Einzelmaßnahmen, wie beispielsweise der Austausch oder Umbau der vorhandenen Präparier­tische, werden nur sehr selten zielführend sein.

Aus diesem Grunde wurde im Zuge des IFA-Forschungsprojektes „Konzeptentwicklung eines lufttechnisch aktiven Präpariertisches und eines Luftführungssystems für Präparationssäle zur Expositionsminderung“ mit einem Partner für Gebäude- und Anlagentechnik ein schlüssiges Konzept zur effektiven Reduzierung der Formaldehydkonzentration im anatomischen Praktikum entwickelt. Dieses Konzept basiert auf der direkten Erfassung der Gefahrstoffemission an einem während des Forschungsprojektes neu entwickelten Präpariertisch und einer wirksamen RLT-Anlage für Präpariersäle. Die tatsächliche Wirksamkeit des Konzeptes konnte sowohl im Technikum als auch im Rahmen von Strömungssimulationen (Computational Fluid Dynamics – CFD) nachgewiesen werden. Nachfolgend werden die Ergebnisse des Forschungsprojektes näher beschrieben.

2 Bisherige lüftungstechnische Situation in den Präpariersälen für das anatomische Praktikum

Im Verlauf der Untersuchungen suchten die UVT gemeinsam mit dem IFA 22 anatomische Institute und Universitäten auf, um sich vor Ort unter anderem einen Überblick über die lüftungstechnische Situation in den jeweiligen Präpariersälen zu verschaffen. Die Zuluft in den Präparier­sälen wurde üblicherweise oberhalb der Präpariertische zugeführt. Bei dieser Art der Zuluftführung wurde davon ausgegangen, dass sich eine Raumluftströmung von oben nach unten einstellt. Infolgedessen wurde die Abluft stets bodennah abgeführt. Diese Art der Luftführung basierte letztendlich auf der Annahme, dass Formaldehyddämpfe schwerer als Luft sind und in Richtung Boden sinken. Im Rahmen des Projektes konnte hingegen festgestellt werden, dass aufgrund der Konvektionsströmung an den Personen (thermische Auftriebsströmung) ein mit Formaldehyd belasteter Teilluftvolumenstrom in die Atemluft gelangt. Damit wird die Formaldehydexposition der anwesenden Personen in unzulässiger Weise erhöht. Dieses Phänomen konnte mit unterschiedlicher Ausprägung in Präpariersälen sowohl mit als auch ohne Absaugung (Erfassung) an den Präpariertischen festgestellt werden [1].

Darüber hinaus war zu beobachten, dass bei der Auslegung der RLT-Anlagen in der Vergangenheit oftmals nur unzu­reichend die Abfuhr der thermischen Lasten berücksichtigt wurde. Hier sind beispielsweise die Raumbelegung – d. h. die zunehmende Anzahl der Studierenden –, die Heizung und die Beleuchtungseinrichtungen zu nennen.

3 Untersuchungen im wärme- und strömungs­technischen Labor

Im wärme- und strömungstechnischen Labor der Forschungs- und Entwicklungsabteilung der Fa. Rud. Otto Meyer Technik (ROM Technik) wurden zu Beginn des Forschungsvorhabens zunächst die lüftungstechnischen Gegebenheiten in ausgewählten Präpariersälen unter vergleichbaren Randbedingungen untersucht und messtechnisch bewertet. Diese Ergebnisse dienten als Vergleichs- bzw. Referenzwerte für ein neu zu entwickelndes lüftungstechnisches Konzept.

Die Zielsetzung bestand darin, eine maximale Formaldehydkonzentration von 0,20 ppm bzw. 0,25 mg/m³ bei allen bestimmungsgemäßen Tätigkeiten im anatomischen Praktikum sicherzustellen. Ein kurzzeitiger Anstieg des Konzentrationswertes für maximal 15 min auf 0,40 ppm bzw. 0,50 mg/m³ bis zu viermal pro Schicht war dabei zulässig (Überschreitungsfaktor 2).

3.1 Versuchsbeschreibung

Für das Forschungsvorhaben wurde ein Teilbereich eines Präpariersaales als Ausschnitt nachgebildet, der den Präpariertisch und die unmittelbare Arbeitsumgebung umfasste. Dazu wurde im Labor ein Versuchsraum mit einer Grundfläche von 34 m² und einer Raumhöhe von 3,10 m errichtet, der die Anschlussmöglichkeit für einen abgesaugten Präpariertisch bot (siehe Bilder 1 und 2).

 

Bild 2. Prinzipieller Aufbau des Versuchsraums. Quelle: UK NRW / IFA /UKH

Bild 2. Prinzipieller Aufbau des Versuchsraums.

Foto: UK NRW / IFA /UKH

Alle sonstigen lüftungs- und klimatechnischen Einbauten (zum Beispiel Zu- und Abluftführung) konnten je nach dem zu untersuchenden lüftungstechnischen System verändert und angepasst werden. Die Systeme wurden entsprechend den technischen Angaben der jeweiligen anatomischen Institute, aus denen die Systeme stammen, betrieben.

Bei den vergleichenden Untersuchungen wurden sechs Personendummys um den Präpariertisch aufgestellt. Die Dummys (Größe ca. 1,75 m) schotteten strömungstechnisch den direkten Tischbereich vom Raum ab. Vier der Dummys waren mit jeweils 80 W beheizt. Über dem Präpariertisch waren zwei Leuchtstoffröhren mit einer Leistung von 45 W installiert.

Im ersten Schritt wurden drei bestehende Systeme (siehe Z, P1, P2, O)1) auf ihre Wirksamkeit der Absaugung miteinander verglichen. Unter System wird hier die Kombination aus Präpariertisch, Luftführungs- und Temperierungssystem verstanden (Tabelle 1).

Um bei den Systemen P1, P2 und O die Temperaturdifferenz zwischen der Zuluft aus dem Zuluftfeld und dem Raum so herzustellen, wie es die Vor-Ort-Messungen zeigten, wurden zusätzlich 500 W an Wärmeleistung gleichmäßig im Raum verteilt. Beim System Z ergibt sich die Temperaturdifferenz – wie auch vor Ort – durch den Einsatz einer Kühldecke (Kühlleistung 334 W).

Für die Versuchsdurchführung war die Erfassung der Temperaturdaten und der Konzentration des Testgases, hier Lachgas (N2O), erforderlich. Die Verteilung der jeweiligen Sensorpositionen im Versuchsraum ist in Bild 3 dargestellt.

Bild 3. Verteilung der Sensorpositionen im Versuchsraum: 1 – Person am Tisch, 2 – Raum 1,70 m, 3 – Abluft Tisch (Kanal), 4 – Zuluftfeld über Tisch, 5 – Raum 0,5 m. Quelle: UK NRW / IFA /UKH

Bild 3. Verteilung der Sensorpositionen im Versuchsraum: 1 – Person am Tisch, 2 – Raum 1,70 m, 3 – Abluft Tisch (Kanal), 4 – Zuluftfeld über Tisch, 5 – Raum 0,5 m.

Foto: UK NRW / IFA /UKH

Für die (sichtbare) qualitative Bewertung wurden Strömungsversuche mit Theaternebel durchgeführt. Die Strömungsvorgänge wurden dabei mittels Bild- und Filmaufnahmen dokumentiert (siehe beispielsweise Strömungsbilder in Tabelle 1).

Tabelle 1. Übersicht der untersuchten Systeme Z, P1, P2, O und ROM. *Δ9: Temperaturdifferenz zwischen der Zulufttemperatur und der Raumlufttemperatur

Tabelle 1. Übersicht der untersuchten Systeme Z, P1, P2, O und ROM. *Δ9: Temperaturdifferenz zwischen der Zulufttemperatur und der Raumlufttemperatur

Dabei wurde zum Beispiel erkennbar, ob ein unerwünschtes Überströmen der Luft vom Präpariertischbereich in den Versuchsraum erfolgt und damit die Gefahr des Mitreißens der auf dem Präpariertisch freigesetzten Gefahrstoffe besteht oder ob Störströmungen im Versuchsraum auftraten.

Außerdem wurde durch die Nebelversuche deutlich, dass ein Einschnüreffekt (siehe Bild 4 und Infokasten 2) bei der flächig über das Zuluftfeld zugeführten Zuluft auftrat.

Bild 4. Einschnüreffekt am Beispiel eines Textilluftdurch­lasses (die Strömungsrichtung wird durch die Pfeile, die Strömungsgeschwindigkeit durch die Farbgebung dar­gestellt: rot = hohe Geschwindigkeit). Quelle: UK NRW / IFA /UKH

Bild 4. Einschnüreffekt am Beispiel eines Textilluftdurch­lasses (die Strömungsrichtung wird durch die Pfeile, die Strömungsgeschwindigkeit durch die Farbgebung dar­gestellt: rot = hohe Geschwindigkeit).

Foto: UK NRW / IFA /UKH

Vermindern lässt sich dieser Effekt durch die Anbringung von Schürzen am Zuluftelement (siehe Tabelle 1, System ROM).

Zum qualitativen und quantitativen Vergleich der Präpariertisch- und Lüftungssysteme wurde aus Gründen des Gesundheitsschutzes im Versuchsraum nicht mit Formaldehyd, sondern mit Lachgas (N2O) gearbeitet. Die Freisetzung des Lachgases erfolgte flächig über eine Körperspendenattrappe (Bild 5).

Bild 5. Körperspendenattrappe. Quelle: UK NRW / IFA /UKH

Bild 5. Körperspendenattrappe.

Foto: UK NRW / IFA /UKH

Der freigesetzte N2O-Massenstrom war für alle Versuchsvarianten gleich. Nach Erreichen eines quasi stationären Zustandes wurden zeitversetzt an verschiedenen Positionen im Raum sowie an einem Dummy Konzentrationsmessungen durchgeführt (Bild 3).

Anhand der Messergebnisse konnte über den Stoffbelastungsgrad (siehe Abschnitt 3.2) eine quantitative Beurteilung der Wirksamkeit der Erfassung des jeweiligen Systems erfolgen.

Aus den gewonnenen Erkenntnissen wurde anschließend im Versuchsraum ein optimiertes System (ROM) entwickelt. Dieses neue System wurde den Ergebnissen der bestehenden Systeme vergleichend gegenübergestellt. Darüber hinaus wurde das ROM-System mit höherer fiktiver Personenbelegung (Wärmelast) erprobt.

Die untersuchten Bestandssysteme Z, P1, P2, O sowie das neu entwickelte ROM-System werden nachfolgend kurz beschrieben und sind in Tabelle 1 mit ihren wesentlichen Merkmalen gegenübergestellt.

3.1.1 System Z

Bei dem abgesaugten Präpariertisch des Systems Z bestand die Auflage­fläche aus drei quer aufgelegten Lochblechplatten. In der Mitte der Platten verblieb ein Streifen von ca. einem Drittel der Fläche, in der keine Lochung vorhanden war. Die Absaugung des Präpariertisches erfolgte über einen unter den Platten vorhandenen Absaugkasten. Lüftungstechnisch wurde das System Z in Kombination mit einem Zuluftfeld inklusive Beleuchtungseinrichtung über dem Präpariertisch und einer Kühldecke zur Kühlung der Raumluft betrieben (siehe Spalte „Skizze“ in Tabelle 1).

3.1.2 Systeme P1 und P2

Bei dem abgesaugten Präpariertisch des Systems P1 – ohne teilweise Versperrung der Zuluft durch simulierte Beleuchtungselemente – bestand die Auflagefläche aus einer geschlossenen Fläche. Diese war innerhalb eines Absaugkastens so angebracht, dass sich umlaufend ein Schlitz ergab, über den der Präpariertisch abgesaugt wurde. Lüftungstechnisch wurde auch dieses System in Kombination mit einem vollständig offenen Zuluftfeld über dem Präpariertisch betrieben (siehe Spalte „Skizze“ in Tabelle 1).

Bei System P2 wurde das Zuluftfeld über dem Präpariertisch zum Teil abgedeckt, um zwei Beleuchtungsfelder im Zuluftfeld zu simulieren. Damit sollte aufgezeigt werden, welchen mechanischen Einfluss die im anatomischen In­stitut P vorhandene Beleuchtungseinrichtung auf die Strömungsverhältnisse ausübt. Ansonsten wurden die Parameter wie bei P1 gewählt (siehe Spalte „Skizze“ in Tabelle 1).

3.1.3 System O

Der abgesaugte Präpariertisch des Systems O besaß eine geschlossene Auflagefläche. Durch diese Anordnung der Fläche auf dem Absaugkasten ergab sich umlaufend ein Schlitz, über den aus horizontaler Richtung abgesaugt wurde.

Die Zuluft erfolgte bei diesem System über Textilluftdurchlässe, die oberhalb und quer über den Präpariertischen installiert waren. Die Zuluft strömte über die gesamte Oberfläche der Textilluftdurchlässe aus. Die Abluft erfolgte einerseits über den Präpariertisch selbst und andererseits über eine Absaugung im Bodenbereich am Rand des Raumes (siehe Spalte „Skizze“ in Tabelle 1). Die Beleuchtungseinrichtung verlief längsseits des Präpariertisches quer zu den Textilluftdurchlässen und war am Zuluftkanal oberhalb des Präpariertisches befestigt.

3.1.4 System ROM

Das optimierte Präpariertisch-Lüftungssystem ROM wurde unter Berücksichtigung der Erkenntnisse aus den Untersuchungen der Bestandssysteme sowie weiterer empi­rischer Werte entwickelt, um das Ziel einer möglichst sicheren Erfassung der Formaldehydemissionen zu erfüllen. Das System besteht aus einer abgestimmten Kombination aus Zuluftführung über der Körperspende und einer aktiven Präpariertisch-Absaugung sowie einem Schichtluftsystem für die Raumlüftung über die Ecken des Versuchsraums (siehe Spalte „Skizze“ in Tabelle 1).

Um eine optimale Erfassung am Präpariertisch zu er­reichen, wurden ROM-Drall®-Elemente [3] am Umfang des Präpariertisches installiert. Diese patentierte Entwicklung setzt das Strömungsprinzip von Wirbelstürmen in eine gerichtete Absaugströmung um. In den ROM-Drall®-Elementen wird durch eine definierte Anordnung mehrerer Absaugstutzen eine Überlagerung der Ablufteinströmung in eine Drallhaube (Bild 6) erzeugt.

Bild 6. Darstellung des Prinzips der Wirbelströmung in einem ROM-Drall®-Element. Quelle: UK NRW / IFA /UKH

Bild 6. Darstellung des Prinzips der Wirbelströmung in einem ROM-Drall®-Element.

Foto: UK NRW / IFA /UKH

Dadurch wird ein Rota­tionsfeld erzeugt, das zu einer erwünschten Wirbelströmung führt. Diese Wirbelströmung erzeugt in der Drallhaube und in deren unmittelbarem Nahbereich ein Druckpotenzialfeld (einen auf die Fläche bezogenen Unterdruck), das die Gefahrstoffe spiralförmig in das Drallzentrum und von dort über die Absaugstutzen in den Absaugkasten des Präpariertisches zum Abluftkanal leitet. Mit dieser Technik wird eine lineare gleichmäßige Erfassung über den gesamten Umfang des Präpariertisches mit einem relativ geringen Erfassungsvolumenstrom erreicht.

In Bild 7 wurde die charakteristische Strömung über dem Präpariertisch durch Zugabe von Theaternebel in den Zuluftstrom des Durchlassfeldes visualisiert.

Bild 7. ROM-System: Zugabe von Theaternebel über das Zuluftfeld. Quelle: UK NRW / IFA /UKH

Bild 7. ROM-System: Zugabe von Theaternebel über das Zuluftfeld.

Foto: UK NRW / IFA /UKH

Es ist so gut wie kein Überströmen der Luft über die Präpariertischumrandung zu erkennen; d. h. die Absaugung ist optimal abgestimmt.

Bild 8 zeigt die Ausströmung der Zugabe von Theaternebel in die Zuluft der Schichtluftdurchlässe.

Bild 8. ROM-System: Zugabe von Theaternebel über die Schichtluftdurchlässe.

Bild 8. ROM-System: Zugabe von Theaternebel über die Schichtluftdurchlässe.

Foto: UK NRW / IFA /UKH

Die Zuluft strömt von den Seiten mit geringer Geschwindigkeit im unteren Bereich in den Raum ein und wird mit dem thermischen Auftrieb an den Dummys nach oben bzw. in Richtung der Absaugung des Präpariertisches transportiert.

3.2 Versuchsergebnisse und deren Bewertung

Die Versuchsergebnisse wurden sowohl qualitativ als auch quantitativ bewertet.

  • System Z: Das impulsarme Zuluftfeld2) wirkte sich positiv auf das Strömungsbild über dem Präpariertisch aus. Die Abfuhr von Wärmelasten über die Kühldecke hielt die Temperaturdifferenz zwischen Raum- und Zulufttemperatur sehr gering (Δϑ = -1,5 K, siehe Spalte „Parameter“ in Tabelle 1). Das Überströmen der Luft am Kopf- und Fußende des Präpariertisches wurde durch die fehlende Lochung im mittleren Bereich der Auflagefläche begünstigt. Aufgrund dessen gelangten unerwünschte Gefahrstoffemissionen in den Raum.
  • System P1: Das impulsarme Zuluftfeld (vergleiche System Z) sorgte für eine gleichmäßige Zuluftzuführung über dem Präpariertisch. Die Erfassung durch die umlaufende Schlitzabsaugung an den Kopf- und Fußenden war besser als bei System Z. Es erfolgte dennoch insgesamt ein Überströmen an den Längs- und Querseiten des Präparier­tisches aufgrund des großen Temperaturunterschiedes (Δϑ = -5 K, siehe Spalte „Parameter“ in Tabelle 1). Hierdurch gelangten unerwünschte Gefahrstoffemissionen in den Raum.
  • System P2: Die Beleuchtungsfelder (linke und rechte Versperrung) bewirkten unerwünschte Verwirbelungen im Strömungsfeld über dem Präpariertisch. So konnte ein verstärkter Eintrag von Emissionen in die Raumluft erfolgen.

Der Vergleich von P1 mit P2 macht deutlich, dass sich ein ungestörtes impulsarmes Zuluftfeld positiv auf das Strömungsbild über dem Präpariertisch auswirkt. Die fehlende Kühldecke führt zu einer höheren Temperaturdifferenz zwischen der Raum- und Zulufttemperatur. Daraus resultiert eine Beschleunigung der Zuluftströmung über dem Präpariertisch und damit wird ein Überströmen über den Rand des Präpariertisches in den Raum zusätzlich begünstigt.

  • System O: Die Zuluftströmung mithilfe der Textilluftdurchlässe wies ein sehr ungleichmäßiges Strömungsverhalten auf, das dem einer Mischlüftung sehr ähnlich ist. Der über dem Präpariertisch freigesetzte Theaternebel zeigte eine ungerichtete Luftströmung. Ein deutlicher Anteil strömte über die Präpariertischseiten hinweg. Die Erfassung war insgesamt deutlich schlechter als bei den anderen untersuchten Systemen. Die Mischlüftung im Raum führte über dem Präpariertisch und im unmittelbaren Nahbereich zu unerwünschten bzw. störenden Verwirbelungen und einem Mitreißen der dort freigesetzten Emissionen (siehe Spalte „Strömungsbild“ in Tabelle 1).
  • System ROM: Die Visualisierung der Luftströmung aus dem Zuluftfeld über dem Präpariertisch zeigte so gut wie kein Überströmen über den Präpariertischrand. Die Absaugung und die Zuluftführung waren optimal aufeinander abgestimmt (siehe Bilder 7 und 8). Das System ROM wies von den untersuchten Systemen die beste Erfassungswirkung auf. Dazu war erforderlich, dass der abgesaugte Luftvolumenstrom um das Zwei- bis Drei­fache höher war als bei den Bestandssystemen Z, P1, P2 und O.

Neben der (sichtbaren) qualitativen Beurteilung wurden die Systeme auch messtechnisch bewertet. Hierzu wurden sowohl an den Dummys als auch im Raum die Konzentrationen von Lachgas (N2O) bestimmt (Bild 3).

Der quantitative Vergleich der Systeme erfolgte anhand des örtlichen Stoffbelastungsgrades (μs). Der Stoffbelastungsgrad ist in der Richtlinie VDI 2262 Blatt 3 „Luftbeschaffenheit am Arbeitsplatz – Minderung der Exposition durch luftfremde Stoffe – Lufttechnische Maßnahmen“ [4] wie folgt definiert:

 

mit

μs(c) = örtlicher Stoffbelastungsgrad

c = örtliche Stoffkonzentration in mgS/m3

cZU= Stoffkonzentration der Zuluft in mgS/m3

cAB = Stoffkonzentration der Abluft in mgS/m3

 

Unter der Annahme, dass im vorliegenden Betrachtungsfall die Stoffkonzentration in der Zuluft gleich Null ist, wird die Formel vereinfacht zu:

 

 

In Tabelle 2 sind die örtlichen Stoffbelastungsgrade sowohl am Dummy als auch in der Raumluft für alle untersuchten Systeme zusammengefasst.

Tabelle 2. Vergleich der Stoffbelastungsgrade am Dummy und in der Raumluft.

Tabelle 2. Vergleich der Stoffbelastungsgrade am Dummy und in der Raumluft.

Die Ergebnisse zeigten, dass das System Z von den drei untersuchten Bestandssystemen den günstigsten Stoffbelastungsgrad sowohl am Dummy als auch in der Raumluft aufwies. Der Stoffbelastungsgrad des Systems P1 lag in vergleichbarer Höhe wie der des Systems Z. Das System P2 hingegen war deutlich schlechter. Beim System O zeigte sich, dass, obwohl der Stoffbelastungsgrad in der Raumluft sehr niedrig war, die sehr inhomogene Strömung durch die Textilluftdurchlässe stark schwankende Stoffbelastungsgrade am Dummy bewirkten.

Das optimierte System ROM wird in Tabelle 2 mit den Ergebnissen zweier Versuchsvarianten (sechs und zwölf Dummys) dargestellt. Die erste Variante mit sechs Dummys wurde unter den gleichen Randbedingungen wie die der Bestandssysteme Z, P1, P2 und O durchgeführt (siehe Abschnitt 3.1.4) und diente dem direkten Vergleich zu diesen Systemen. Für die zweite Versuchsvariante wurden zwölf Dummys am Präpariertisch eingesetzt. Diese Variante entspricht der realistischen Darstellung der thermischen Last im anatomischen Praktikum.

Alle beim System ROM gemessenen Konzentrationen unterschreiten die bei den Bestandssystemen ermittelten Werte deutlich. In der Raumluft neben dem Präpariertisch wurden weniger als 1/20 der N2O-Konzentration im Vergleich zu dem besten der Bestandssysteme (Z) gemessen. Die gemessenen Konzentrationen bestätigen den sehr guten visuellen Eindruck der Strömungscharakteristik. Dies spiegelt sich auch in den Stoffbelastungsgraden wider. Das System ROM weist ein um mindestens eine Größenordnung besseres Ergebnis als die Bestandssysteme Z, P1, P2 und O auf. Das gilt sowohl für die Messung an den Dummys als auch für die Raumluftmessung. Bemerkenswert ist, dass die Stoffbelastungsgrade für die Variante 2 mit zwölf Dummys weit unter denen der getesteten Bestandssysteme liegen.

Die bislang beschriebenen Ergebnisse resultierten ausschließlich aus Laborversuchen an nur einem Präpariertisch inklusive Zuluftsystem. Um die Ergebnisse auf einen realistischen Anatomiesaal mit zwölf Präpariertischen übertragen zu können, erfolgten weitere Untersuchungen anhand rechnerischer Strömungssimulationen (Computational Fluid Dynamics, CFD). Bei diesem Modell verfügte jeder Präpariertisch über das ROM-Absaugsystem und ein Zuluftfeld. Die Raumlüftung wurde über Schichtluftdurchlässe am Rand des Saales und/oder im Raum verteilt angenommen.

4 Rechnerische Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics, CFD)

Da ein Modellversuchsaufbau eines gesamten Präpariersaales sehr aufwendig ist und Versuche mit Formaldehyd und Körperspenden aus Gründen des Gesundheitsschutzes und aus ethischen Gründen im ROM-Labor nicht realisierbar sind, wurden Strömungssimulationen (CFD) durchgeführt.

CFD dienen der Berechnung fluider Strömungen, der Wärme- und Massentransportvorgänge, chemischer Reaktionen und anderer verwandter Phänomene. Das Strömungsvolumen wird dabei in viele Kontrollvolumina (im vorliegenden Fall bis zu 120 Millionen) eingeteilt und die Gleichungen für Kontinuität, Impuls, Energie, usw. für jedes Kontrollvolumen rechnerisch gelöst. Eingesetzt wurde das Softwarepaket Ansys Fluent 16.1.

Simulationsergebnisse sind generell sensibel hinsichtlich der ausgewählten Parameter (zum Beispiel Temperaturen, Luftgeschwindigkeiten, Freisetzungsgrad, Gitterauflösung und/oder Turbulenzmodell). Für die weiteren Strömungssimulationsberechnungen wurde daher das verwendete CFD-Modell mit den Ergebnissen der Laborversuche des Systems ROM verglichen und validiert. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass die Ergebnisse der CFD-Simulation im vorliegenden Fall eine sehr gute Übereinstimmung mit den Messwerten der Laborversuche zeigten und das CFD-Modell für die weiteren Berechnungen ausgesprochen gut geeignet war (Beispiele siehe Bilder 9 und 10).

Bild 9. Vergleich des vertikalen Temperaturprofils aus rechnerische Simulation und Modellversuch. Quelle: UK NRW / IFA /UKH

Bild 9. Vergleich des vertikalen Temperaturprofils aus rechnerische Simulation und Modellversuch.

Foto: UK NRW / IFA /UKH

 

Bild 10. Vergleich der N2O-Abluftkonzentration aus Simulation und Modellversuch. Quelle: UK NRW / IFA /UKH

Bild 10. Vergleich der N2O-Abluftkonzentration aus Simulation und Modellversuch.

Foto: UK NRW / IFA /UKH

4.1 Randbedingungen

Bei Besichtigungen verschiedener Anatomien wurde deutlich, dass sich die Präpariersäle in der Bauphysik und im umgesetzten Luftführungskonzept stark unterscheiden (siehe Abschnitt 2 dieses Artikels und Tabelle 5 in [1]). Daher wurde ein fiktiver, aber realistischer Präpariersaal inklusive des ROM-Absaugsystems sowie einem darauf abgestimmten Luftführungssystem definiert (Bild 11).

Bild 11. CFD-Modell des Präpariersaals. Quelle: UK NRW / IFA /UKH

Bild 11. CFD-Modell des Präpariersaals.

Foto: UK NRW / IFA /UKH

Angenommen wurde ein Gebäudestandard nach aktueller Energieeinsparverordnung [5], der über die gewählten Oberflächentemperaturen der Raumumschließungsflächen im Modell berücksichtigt ist. Festgelegt wurden die folgenden Randbedingungen für die Simulationen:

  • zwölf Präpariertische,
  • zwölf stehende Personen je Präpariertisch mit 110 W Wärmeabgabe je Person, jeweils zwei der zwölf Personen beugen sich über den Präpariertisch,
  • Fensterfassaden auf zwei Seiten mit 26 °C Oberflächentemperatur,
  • 18 °C Oberflächentemperatur für Innenwände und Fußboden,
  • 20 °C Oberflächentemperatur für die Decke,
  • vier Lichtbänder aus Leuchtstoffröhren unter der Decke mit 7,5 W/m² Fußbodenfläche,
  • Präpariertischbeleuchtung aus vier Leuchtstoffröhren mit insgesamt 90 W/Präpariertisch, davon 30 % konvektiv,
  • über jedem Präpariertisch ein Zuluftfeld mit einem Luftvolumenstrom von je 650 m³/h, einer Abströmgeschwindigkeit von 0,1 m/s und einer Zulufttemperatur von 17 °C.
  • vier Schichtluftsäulen ∅ 50 x 150 cm mit einem Zuluftvolumenstrom von je 2 500 m³/h im Raum verteilt sowie vier Schichtlufteckdurchlässe R 70 x 125 cm mit einem Zuluftvolumenstrom von je 1 500 m³/h und einer Zulufttemperatur von 16 °C
  • 2 000 m³/h Abluftvolumenstrom je Präpariertisch, Raumabluft nur über die Präpariertische,
  • 600 mg/(h KS) Formaldehydfreisetzung an den Körperspenden (KS) – siehe Tabelle 8 in [1]; die Formaldehydfreisetzung erfolgt über der gesamten Oberfläche der Körperspenden.

4.2 Ergebnisse

Die Ergebnisse der CFD zeigen, dass lokal „Ausspülungen“ an den vorgebeugten Personen (Bild 12) auftreten.

Bild 12: Ausspülung an einer vorgebeugten Person. Quelle: UK NRW / IFA /UKH

Bild 12: Ausspülung an einer vorgebeugten Person.

Foto: UK NRW / IFA /UKH

Diese Ausspülungen werden umso größer, je weiter sich die Personen über den Präpariertisch beugen. Bei der in der Simulation angenommenen unveränderlichen Vorbeugung der Personen betrug die absolut maximale Konzentrationsspitze (Momentanwert) 1,45 mg/m³. Der im Forschungsvorhaben festgelegte Zielwert von 0,25 mg/m³ (Viertelstundenmittelwert) wurde nicht überschritten (siehe Abschnitt 3).

In Bild 12 ist in violetter Farbe eine Isofläche (siehe Infokasten 3) mit einer Formaldehydkonzentration von 0,25 mg/m³ (Momentanwert) dargestellt. Diese Fläche kann bis in den Kopf- bzw. Schulterbereich einer vorgebeugten Person reichen.

Neben den Formaldehydkonzentrationen wurden die Verteilungen der Strömungsgeschwindigkeiten und der Temperaturen im Präpariersaal ausgewertet. Die maximale Geschwindigkeit von 0,3 m/s tritt nur in unmittelbarer Nähe der Schichtluft-Eckdurchlässe im unteren Bereich auf. In der Mitte des Präpariertischs über der Körperspende treten Geschwindigkeiten um 0,2 m/s auf. In allen anderen Bereichen liegt die Geschwindigkeit im Bereich von nahe 0 bis 0,1 m/s (Bild 13).

Bild 13: Verteilung der Strömungsgeschwindigkeiten im Saal. Quelle: UK NRW / IFA /UKH

Bild 13: Verteilung der Strömungsgeschwindigkeiten im Saal.

Foto: UK NRW / IFA /UKH

Die Auswertung der Temperaturverteilung zeigt, dass die geforderte Temperatur von 17 °C über dem Präpariertisch eingehalten werden kann. Im Bodenbereich liegt die Temperatur nahe der Zulufttemperatur der Schichtluftdurchlässe von 16 °C. Ab etwa 1 m steigt die Temperatur dann an, bis in etwa 2,3 m die maximale Temperatur von 22 °C erreicht wird (Bild 14).

Bild 14: Temperaturverteilung als Längsschnitt über den Präpariertischen. Quelle: UK NRW / IFA /UKH

Bild 14: Temperaturverteilung als Längsschnitt über den Präpariertischen.

Foto: UK NRW / IFA /UKH

4.3 Bewertung

Bei den vorgegebenen Randbedingungen erfüllt das System ROM die Zielvorgaben des Forschungsprojektes vollumfänglich. Auf bestehende Präpariersäle mit ihren jeweils speziellen Gebäudeeigenschaften können die Ergebnisse allerdings nicht ohne geeignete Anpassungen übertragen werden. Bei allen bestimmungsgemäßen Tätigkeiten im anatomischen Praktikum wird der Zielwert des Forschungsprojektes für die Formaldehydkonzentration von 0,20 ppm beziehungsweise 0,25 mg/m³ eingehalten. Beugen sich Personen über den Präpariertisch, so kommt es an diesen Personen zu temporären, zeitlich begrenzten Expositionsspitzen (Momentanwerte). Die Spitzenkonzentrationen (für maximal 15 min) von 0,40 ppm bzw. 0,5 mg/m³ bis zu viermal pro Schicht werden deutlich unterschritten. Die Luftgeschwindigkeiten und die Temperaturen im Präpariersaal liegen nur leicht unter den Anforderungen der Technischen Regeln für Arbeitsstätten – ASR A3.5 „Raumtemperaturen“ [6] beziehungsweise der ASR A3.6 „Lüftung“ [7]. Eine exakte Einhaltung der dort geforderten Werte erscheint gegenwärtig technisch nicht möglich.

5 Umsetzung der Ergebnisse in die Praxis

Im Rahmen des Forschungsprojektes hat sich gezeigt, dass eine Unterschreitung des Formaldehyd-Zielwertes von 0,25 mg/m³ (siehe Abschnitt 3) nur durch eine genau abgestimmte Kombination von verfahrenstechnischen, organisatorischen und lufttechnischen Maßnahmen möglich ist. Mögliche verfahrenstechnische und organisatorische Maßnahmen sind beschrieben [1]. Im Folgenden wird daher nur auf die lufttechnischen Maßnahmen (siehe Bild 15) eingegangen:

Bild 15. Lüftungskonzept für einen Präpariersaal. Quelle: UK NRW / IFA /UKH

Bild 15. Lüftungskonzept für einen Präpariersaal.

Foto: UK NRW / IFA /UKH

 

  • Die Emission von Formaldehyd steigt mit zunehmender Temperatur an. Daher ist die Lufttemperatur in unmittel­barer Nähe der Körperspende auf 18 °C zu begrenzen.
  • Die Austrittstemperatur der Luft des Zuluftfeldes sollte ca. 17 °C betragen.
  • Die Raumlufttemperatur in 2 m Höhe darf 21 °C nicht überschreiten.
  • Die Präpariertische sind abzusaugen. Im Rahmen des Projektes wurden für eine umlaufende Wirbelhaubenabsaugung (ROM-Drall®) am Präpariertisch 2 000 m³/h benötigt. Bei geringeren Absaugvolumenströmen und/oder anderen Präpariertisch-Absaugsystemen ist die Wirksamkeit z. B. mithilfe von Simulationsrechnungen zu überprüfen.
  • Oberhalb des Präpariertisches ist ein Zuluftfeld vorzu­sehen. Das Zuluftfeld sollte in der Fläche mindestens so groß wie der Präpariertisch sein. Die Abströmgeschwindigkeit der Zuluft sollte 0,1 m/s nicht überschreiten. Im Rahmen des Projektes wurde ein Zuluftfeld mit einer Fläche von 2 m x 0,9 m verwendet.
  • Die Zuluft des Zuluftfeldes trägt nicht zur Kühlung des Raumes bei, da diese zu einem großen Teil direkt im – hier erforderlichen – Kurzschluss über den Präpariertisch wieder abgesaugt wird.
  • Um den Einschnüreffekt der herabströmenden Luft zu minimieren, sollte das Zuluftfeld mit einer umlaufenden ca. 20 cm hohen Schürze versehen sein (siehe Tabelle 1, Bild System ROM und Bild 15).
  • Für die Zeiten, in denen nicht an den Körperspenden gearbeitet wird, sind sowohl die Zuluft über das Zuluftfeld als auch die Absaugung über die Präpariertischoberfläche abschaltbar auszuführen, um ein zusätzliches Austrocknen der Körperspenden zu verhindern.
  • Über die Schichtluftdurchlässe ist eine Grundlüftung des Raumes vorzusehen, um Formaldehydanreicherungen zu verhindern. Eine zusätzliche Raumabluft ist bodennah erforderlich, wenn keine thermischen Lasten im Raum vorhanden sind (Ruhephase), ansonsten im Deckenbereich (siehe Bild 15).
  • Die Abfuhr der thermischen Lasten muss weitestgehend über die Raumlüftung erfolgen. Aus diesem Grund muss die Schichtlüftung so dimensioniert werden, dass die zuvor genannten Raumtemperaturverhältnisse eingehalten werden können. Ist die Summe der Zuluftvolumenströme (Schichtlüftung und Zuluftfeld) größer als der Abluftvolumenstrom des Präpariertischs, muss gegebenenfalls zusätzliche Abluft aus dem Raum im Deckenbereich abgeführt werden. Die Zulufttemperatur aus den Schichtluftdurchlässen sollte aus Gründen der Behaglichkeit 16 °C nicht unterschreiten.

Alternativ bietet sich zur Abfuhr höherer thermischer Lasten der Einbau von geschlossenen Kühldecken mit einem hohen Strahlungsanteil an. Die Kühldecken müssen jedoch in einer separaten Auslegung dimensioniert werden, da sie bei höheren Leistungsdichten Einfluss auf die Raumströmung nehmen können.

  • Beleuchtungselemente sind außerhalb des Zuluftfeldes zu installieren, um Störungen des Strömungsfeldes zu vermeiden.
  • Bei multifunktionaler Nutzung des Präpariersaales (zum Beispiel Mikroskopierkurs) sollte sich der flächenbezogene Zuluftvolumenstrom an der DGUV-Information 213-850 [8] orientieren.

Die Ergebnisse des Forschungsprojektes zeigen, dass nur ein abgestimmtes Gesamtkonzept unter Berücksichtigung aller Einflussparameter zielführend ist. Daher ist für die Umsetzung die Zusammenarbeit aller Beteiligten notwendig.

Hierzu ist eine intensive Kommunikation in der Planungsphase zwischen den Nutzenden und Planenden erforderlich, da Letztere oftmals nur eine nicht ausreichende Vorstellung von den tatsächlichen Arbeitsabläufen/Prozessen und die Nutzenden nur geringe Kenntnisse über die bau­lichen und technischen Möglichkeiten sowie Grenzen haben. Vor einer vorzeitigen Festlegung auf Teillösungen, wie zum Beispiel ausschließliche Beschaffung von abgesaugten Präpariertischen ohne Berücksichtigung des Luftführungskonzeptes und der thermischen Lasten, wird an dieser Stelle dringend abgeraten.

Im Rahmen einer Planung ist ein integraler Planungsansatz zu wählen, der die Bereiche Architektur, Tragwerke, technische Gebäudeausrüstung und die technischen Einrichtungen umfasst. Neben diesen technischen Aspekten sind die Anforderungen der Nutzenden ebenfalls zu berücksichtigen (zum Beispiel multifunktionale Nutzung der Räume).

Bei der Planung ist eine thermische Lastrechnung nach VDI 2078 [9] zwingend notwendig. Sind raumspezifische Besonderheiten zu berücksichtigen (z. B. Denkmalschutz), ist die Anwendung von entsprechenden Simulationen (beispielsweise ther­mische Gebäude- und Strömungssimulation) empfehlenswert.

6 Fazit und Ausblick

Die Reduzierung der Formaldehydexposition im anatomischen Praktikum stellt eine Herausforderung dar, die sowohl das Fixier- und Konservierungsverfahren als auch die technischen Maßnahmen zur Reduktion der inhalativen Exposition gegenüber Formaldehyd im anatomischen Praktikum betrifft.

Für die technischen Maßnahmen wurde ein mehrstufiges Forschungsprojekt von den Unfallkassen Hessen und Nordrhein-Westfalen initiiert, das vom IFA bei der Fa. Rud. Otto Meyer Technik (ROM Technik) in Auftrag gegeben wurde und vom IFA und den Unfallkassen gemeinsam mit Anatomen und Präparatoren aus zwei Anatomischen Instituten (Institut für Anatomie und Zellbiologie der Universität Marburg und Anatomische Anstalt der Ludwig-Maximilians-Universität München) eng begleitet wurde. Das Ziel des Projektes bestand im Wesentlichen in der Entwicklung eines abgestimmten Lüftungskonzeptes für Präpariersäle. Die Entwicklung dieses Konzeptes ist inzwischen vom Projektpartner mit einem positiven Ergebnis abgeschlossen worden.

Der im vorliegenden Artikel beschriebene umfassende lüftungstechnische Lösungsansatz – insbesondere unter Berücksichtigung der thermischen Lasten in anatomischen Präpariersälen – leistet einen entscheidenden Beitrag dazu, dass die anatomischen Institute und Universitäten sowie deren Planer die gesetzlichen Anforderungen an die Sicherheit und den Gesundheitsschutz sowie der Gefahrstoffverordnung [10] erfüllen können.

Eine Umsetzung der Ergebnisse des Forschungsprojektes in die Praxis erfolgt in Kürze.

 

Anlässlich des DGUV Fachgesprächs „Reduzierung der Formaldehydbelastung im anatomischen Praktikum – Lösungsansätze“ am 13. Oktober 2016 in Berlin werden die Lösungsvorschläge mit den Verantwortlichen von Wissenschaft und Lehre sowie deren Planungs- und Bauabteilungen, Fachkräften für Arbeitssicherheit, Betriebsärztinnen und -ärzten und Aufsichtspersonen der Länder und Unfallversicherungsträger vorgestellt und erörtert.

 

Einschnüreffekt: Wird Luft, die kühler ist als die Umgebungstemperatur, gleichmäßig über einen Luftdurchlass in den umgebenden Raum geführt, so erhöht sich die Geschwindigkeit der abströmenden Luft umso mehr, je höher die Temperaturdifferenz ist. Dadurch wird die abströmende Zuluft gebündelt (eingeschnürt).

 

Isoflächen sind Flächen, die im Raum benachbarte Punkte gleicher Merkmale oder Werte einer bestimmten Größe wie zum Beispiel Temperatur oder Dichte miteinander verbinden.

1) Z, P, O: Synonyme für verschiedene im Rahmen des Forschungsvorhabens aufgesuchte Anatomische Institute und Universitäten [1]

2) Bei einem impulsarmen Zuluftfeld wird die Luft mit einer niedrigen und über die gesamte Fläche gleichmäßigen Luftaustrittsgeschwindigkeit zugeführt.

Literatur

  1. Thullner, I.; Stockmann, R.; Hohenberger, L.: Formaldehyd in der vorklinischen medizinischen Ausbildung (Anatomie). Gefahrstoffe – Reinhalt. Luft 75 (2015) Nr. 6, S. 219-228.
  2. Technische Regel für Gefahrstoffe: Arbeitsplatzgrenzwerte (TRGS 900). BArbBl. (2006) Nr. 1, S. 41-55; zul. geänd. GMBl. (2015) Nr. 7, S. 139-140.
  3. Detzer, R.: Drallströmung in der Lüftungstechnik. IHKS-Fachjournal (2012), S. 52-55.
  4. VDI 2262 Blatt 3: Luftbeschaffenheit am Arbeitsplatz – Minderung der Exposition durch luftfremde Stoffe – Lufttechnische Maßnahmen. Berlin: Beuth 2011.
  5. Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden (Energieeinsparverordnung – EnEV). BGBl. I (2007), S. 1519-1563; zul. geänd. BGBl. I (2015), S. 1789-1790.
  6. Technische Regeln für Arbeitsstätten: Raumtemperatur (ASR A3.5). GMBl. (2010) Nr. 35, S. 92-97; zul. geänd. GMBl. (2014) Nr. 13, S. 287.
  7. Technische Regeln für Arbeitsstätten: Lüftung (ASR A3.6). GMBl. (2012), Nr. 6, S. 92-97; zul. geänd. GMBl. (2013) Nr. 16, S. 359.
  8. DGUV Information: Sicheres Arbeiten in Laboratorien Grundlagen und Handlungshilfen (213-850, bisher BGI/GUV-I 850-0). Hrsg.: Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung, Berlin 2015.
  9. VDI 2078: Berechnung der thermischen Lasten und Raumtemperaturen (Auslegung Kühllast und Jahressimulation). Berlin: Beuth 2015.
  10. Verordnung zum Schutz vor Gefahrstoffen (Gefahrstoffverordnung – GefStoffV) vom 26. November 2010. BGBI. I (2019), S. 1643-1692; zul. geänd. BGBl. I (2015), S. 49.

 

Von M. Dahncke, L. Hohenberger, H. Klusmann, R. Stockmann, P. Thiel, I. Thullner

Mike Dahncke M. Eng., Dipl.-Ing. Holm Klusmann, Dipl.-Ing. Peter Thiel - Fa. Rud. Otto Meyer Technik, Hamburg.

Dipl.-Ing. Ludger Hohenberger - Unfallkasse Nordrhein-Westfalen (UK NRW), Münster.

Dipl.-Ing. Reinhard Stockmann - Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA), Sankt Augustin.

Dipl.-Ing. Ingrid Thullner, Unfallkasse Hessen (UKH), Frankfurt am Main.

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