Validierung QAV (Benzalkoniumchloride)
5.1.4 Parametrisierung der einatembaren Freisetzungsanteile
Unter der Annahme, dass die Aerosolbildung vornehmlich an der Grenzfläche zwi-schen Schaumstrahl und Luft erfolgt, sollten die Austrittsgeschwindigkeit der vorge-mischten Schaummasse aus der Düse sowie die Dimension der Düse Prozesspara-meter sein, die die Aerosolbildung beim Verschäumen beeinflussen. Dies wird anhand der Abb. 5.9 deutlich.
Abb. 5.9 Schematische Darstellung der Schaumdüsen und des unterstellten Aero-solfreisetzungsmechanismus. Die Größe U ist die Umfangslänge der Austrittsdüse. Die Austrittsgeschwindigkeit wird mit 𝒗𝒗 gekennzeichnet.
Naheliegenderweise sollte eine positive Korrelation mit der Austrittsgeschwindigkeit, 𝑣𝑣, und der pro Strahlvolumen generierten Oberfläche ~(1⁄𝑈𝑈) bestehen. Hierbei be-deutet U die Umfangslänge der Austrittsdüse. Dies legt eine Abhängigkeit der Freiset-zungsanteile von der Größe 𝑣𝑣 𝑈𝑈⁄ nahe. Weiterhin sollte die Wirkstofffreisetzung von
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00
thoraxgängig alveolengängig extra-thorakal tracheo-bronchial
Anteile an der Gesamtfreisetzung
Handdruckspeicher Sprühgerät 2 Handdruckspeicher Sprühgerät Handsprühflasche Drucksprühgerät P Drucksprühgerät G
der Wirkstoffkonzentration im Schaum abhängen. Diese ist umgekehrt proportional zur Schaumzahl Sz. Je kleiner die Schaumzahl (= Verhältnis von Schaumvolumen zu Flüs-sigkeitsvolumen) desto größer ist bei gleicher Wirkstoffkonzentration in der Formulie-rung die Wirkstoffkonzentration im Schaum. Daraus ergibt sich folgende Korrelation:
(5.4) 𝑅𝑅𝑒𝑒𝑊𝑊~𝑣𝑣⁄(𝑈𝑈 ∙ 𝑆𝑆𝑆𝑆).
Die Abb. 5.10 unterstützt diese Hypothese. Die entsprechenden numerischen Daten sind in Tab. 5.2 aufgeführt.
Die Schaumzahlen (Schaumvolumen/Flüssigkeitsvolumen) wurden durch Wägung ei-nes vorgegebenen Schaumvolumens bestimmt. Dies erfolgte ab Versuch V24 für je-den Versuch bzw. eine Versuchsserie unter gleichen Randbedingungen. Für die Schaumzahlen für davorliegende Versuche wurden Nachmessungen durchgeführt bzw. Daten aus Versuchen verwendet, die unter gleichen Randbedingungen ermittelt wurden.
Die Austrittsgeschwindigkeit wurde aus der Summe aus Luftvolumenstrom 𝑄𝑄𝐿𝐿 und Vo-lumenfluss der Formulierung 𝑄𝑄𝐹𝐹 und der Düsenquerschnittsfläche A berechnet. Der Luftvolumenstrom wurde für die vorgemischten Schaumverfahren mittels Massen-flussmesser ermittelt, der in die Luftzuleitung geschaltet wurde. Der Flüssigkeitsvolu-menstrom ergab sich jeweils aus der verbrauchten Menge an Formulierung während des Freisetzungsversuchs.
Die auf dem Injektionsprinzip beruhenden Geräte: Hochdruckdüse, Niederdruckdüse und Handdruckspeicher Gerät wurden ebenfalls in der Abbildung berücksichtigt. Da der Luftvolumenstrom hier nicht direkt gemessen werden konnte, wurde er aus der Schaumzahl und dem Flüssigkeitsvolumen (𝑄𝑄�𝐿𝐿 = (𝑆𝑆𝑆𝑆 −1)∙ 𝑄𝑄𝐹𝐹 abgeleitet. Diese Be-ziehung gilt nur näherungsweise. Aus den Versuchen, bei denen sowohl die beiden Volumenströme als auch die Schaumzahl durch Wägung bestimmt wurden, ergab sich im Mittel ein Korrekturfaktor von 0,60 (±0,35) zwischen dem gemessenen und dem wie oben berechneten Volumenstrom. (Alle Daten außer V40-V42 mit extrem wässrigem Schaum). Dieser Faktor wurde für die Abschätzung des Luftvolumenstroms bei den Injektordüsen verwendet: 𝑄𝑄𝐿𝐿 =𝑄𝑄�𝐿𝐿/0,6. Dies kann nur eine grobe Abschätzung sein, da die Korrekturfaktoren für die einzelnen Versuche erheblich schwanken. Eine detail-lierte Analyse zeigt eine systematische Abnahme mit zunehmender Austrittsgeschwin-digkeit.
Insgesamt wird für den Wirkstoffaerosolfreisetzungsanteil ein Wertebereich von na-hezu vier Größenordnungen überdeckt. In der Abb. 5.10 gehören die quadratischen grauen Punkte zu den Versuchen V52-V54, durchgeführt mit der Kombinationsformu-lierung aus PER F und Schaummittel. Bei diesen Versuchen lag, wie oben schon er-wähnt, eine Wirkstoffsuspension vor, die sich teilweise im Behälter abgesetzt hatte.
Die Punkte wurden in der Regressionsanalyse nicht berücksichtigt. Ebenso der mit einem grauen Dreieck markierte Datenpunkt (V60), der als Ausreißer gewertet wurde.
Hier wurde mit 1,3∙10-6 eine sehr geringe Aerosolfreisetzung gemessen (nahe der Nachweisgrenze), die auf die geringe Austrittsgeschwindigkeit und der großen Dü-sendimension zurückzuführen ist. Außerdem entsprach die angegebene Schaumzahl
von 3 nicht dem visuellen Eindruck.14 Der Wert des Freisetzungsanteils lag deutlich unterhalb der beiden in den Versuchen 61 und 62 gemessenen Werten von ca.
4∙10-6.
Abb. 5.10 Freisetzungsanteile als Funktion von Austrittsgeschwindigkeit, Düsenum-fang und Schaumzahl. Den Messpunkten liegen die Messdaten für verschiedene Dü-sen zugrunde, die in Kombination mit den drei Druckschaumgeräten B, G und P (alle grauen Symbole) sowie Hoch- und Niederdruckschaumkanone im großen Modellraum und Handdruckspeicher Schaumgerät im kleinen Raum vermessen wurden.
Im praktischen Einsatz kann die Bestimmung des Luftvolumenstroms nicht erfolgen.
Aus der Annahme der Proportionalität des Luftvolumenstroms zu Schaumzahl und Formulierungsvolumenstrom kann man jedoch eine Korrelation ableiten, die als ab-hängige Variable dann nur die einfach zugänglichen Prozessparameter hat.
14 Schaumzahl und Luftvolumenstrom wurden ebenfalls gemessen, um einen möglichen Bezug der Aerosolfreisetzung zu den Prozessparametern zu untersuchen. Im Nachhinein erwiesen sich diese Größen jedoch als nicht mehr erforderlich (siehe Gl. 5.5)
y = 8E-07x1,186 R² = 0,8346
1,0E-06 1,0E-05 1,0E-04 1,0E-03 1,0E-02
1,0 10,0 100,0 1000,0 10000,0
𝑅𝑅𝑊𝑊
𝑣𝑣/(U∙Sz) [1/s]
Druckschaumgerät G Druckschaumgerät P Druckschaumgerät B Hochdruckschaum-kanone
Niederdruckschaum-kanone
Handdruckspeicher Schaumgerät
Ausgehend von Gl. 5.4 ergibt sich:
D.h. die Schaumfreisetzung lässt sich auf den Formulierungsdurchsatz und die Dü-sengeometrie (Fläche, Umfang) zurückführen. Wie oben aufgeführt, gilt der dritte Schritt nur näherungsweise. Gl. 5.5 liefert nur einen begründeten Hinweis auf den Zu-sammenhang zwischen dem Freisetzungsanteil und der Größe 𝑄𝑄𝐹𝐹/(𝐴𝐴 ∙ 𝑈𝑈). Die so ge-bildete Korrelation ist in Abb. 5.11 dargestellt. Hierbei wurden die Versuche mit sehr niedrigen Schaumzahlen von 2 und 3 (Versuche V40-V42), die mit den sehr kleinen Lechler-Düsen erzielt wurden, nicht berücksichtigt. Bei diesen untypisch nassen Schäumen ergab sich für den aus Flüssigkeitsdurchsatz und Schaumzahl berechneten Volumenstrom im Vergleich zum gemessenen ein Faktor kleiner als 0,1 an Stelle von 0,6.
Abb. 5.11 Korrelation der Freisetzungsanteile mit den aus Düsengeometrie und For-mulierungsdurchsatz abgeleiteten Prozessparametern.
Die Korrelation ist weniger gut als diejenige in Abb. 5.10, die auf genaueren Prozess-datenwerten basiert. Dafür sind weder die Bestimmung der Schaumzahl noch des Luft-volumenstroms erforderlich. Der Formulierungsvolumenstrom ergibt sich in einfacher Weise aus dem Verbrauch und der Anwendungsdauer. Ein praktikabler Ansatz für eine
y = 2E-06x1,1075
hinreichend konservative Abschätzung der Expositionskonzentration wäre z. B. die
Eine andere Möglichkeit der Kategorisierung wären die drei blau markierten Werte als Werte für die jeweiligen Werteklassen der x-Achsenvariable oder die grau markierten Wertebereiche.
Diese Vorgehensweise kann nur auf die kontinuierlich arbeitenden, auf Lufteinmi-schung beruhenden Schaumerzeugungstechniken angewandt werden. Aus dem vor-liegenden Datensatz kann für das pumphebelbasierte Triggersystem (Handschaum-flasche) ein Freisetzungsanteil von 2∙10-3und für die Treibgasdosen von 6∙10-5 ange-nommen werden.
Die drei Freisetzungskategorien (1-3) sind gekennzeichnet durch ihre Werte von 10-3, 10-4 und 10-5 (geom. Mittelwert) und einer Wertespannweite von einem Faktor 10.
Das Druckschaumgerät P mit der Flachstrahldüse Teejet 11006 VP und das Druck-schaumgerät B ausgestattet mit der Düse H1/4U Veejet 4050 (Standardausrüstung) gehören zur Freisetzungsklasse 1. Die stationären Verfahren mit großen Schaumdü-sen und hohem Schaummitteldurchsatz wie das Druckschaumgerät G und die Hoch- und Niederdruckschaumkanonen werden der Freisetzungsklasse 2 zugeordnet. In Freisetzungsklasse 3 befinden sich vornehmlich Verfahren mit geringem Durchsatz und vergleichsweise großen Schaumdüsen wie beispielsweise das Druckschaumgerät P mit der Universalschaumdüse (A=75 mm²) oder das Handdruckspeicher Schaumge-rät mit einem Düsenquerschnittt von 95 mm².
Die Handschaumflasche und die untersuchten treibgasbetriebenen Schaumdosen (gegen Wespen und anderen Insekten) gehören den Messungen zufolge zur Klasse 1 bzw. 2.
Ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen der Freisetzungskategorie und dem no-minalen Betriebsdruck des Verfahrens konnte nicht gefunden werden. Prinzipiell er-folgt die Zuordnung der kontinuierlich arbeitenden Schaumverfahren zu den Katego-rien über die Verfahrens- und Düsenkenngößen Flüssigkeitsdurchsatz, Düsenumfang und Düsenaustrittsfläche, die aus Herstellerangaben ermittelt werden können.
Tab. 5.2 Datengrundlage zur Ableitung der Korrelationen zur Aerosolfreisetzung bei der Verwendung von vorgemischten Schaumsystemen. Vergleich auch (Tab. 3.3).
Gerät VNr. QL
Gerät VNr. QL
Gerät VNr. QL
[l/min]
QF
[l/min]
A [mm²]
U [mm
]
𝑣𝑣 [m/s ]
/(U∙Sz) 𝑣𝑣 [1/s]
QF
/(U∙A) [1/s]
Sz RW
Hoch- druck-
schaum-kanone
V49a 33 6,5 66,4 36 9,8 68,4 45,6 4 1,9E-04
Nieder- druck-
schaum-kanone
V50 51 5,6 75 56 12,7 34,8 22,2 6,5 2,8E-05 V51 93 5,6 75 56 22,0 35,7 22,2 11 1,4E-04
Hand- druck-speicher Schaum
gerät
KS10 19 1,4 95 35 3,5 11,4 7,2 9 8,5E-06
KS11 18 1,3 95 35 3,3 10,7 6,7 9 9,2E-06
KS12 18 1,4 95 35 3,4 10,9 6,9 9 1,0E-05
KS28 13 1,4 95 35 2,5 10,8 6,9 6,8 1,4E-05 KS29 13 1,3 95 35 2,5 10,6 6,7 6,8 1,7E-05 KS30 13 1,4 95 35 2,6 10,9 7,0 6,8 2,0E-05
*Der Luftvolumenstrom für die Venturischaumdüsen wurde aus dem Flüssigkeitsvolumenstrom, der gemessenen Schaumzahl und einem Korrekturfaktor abgeschätzt.