Explosionsbereiche moderner Anästhesiemittel bei nichtatmosphärischen Bedingungen

Transkript

1 Abschlußbericht zum Forschungsvorhaben Explosionsbereiche moderner Anästhesiemittel bei nichtatmosphärischen Bedingungen E. Brandes, PTB, Braunschweig

2 1. Ausgangssituation Beim Umgang mit Anästhesiemitteln müssen zum Schutz von Patienten und Personal Explosionsgefahren vermieden werden. Dies geschieht in medizinisch genutzten Räumen durch das Ausweisen explosionsgefährdeter Bereiche einschließlich der daran gebundenen Schutzmaßnahmen. Die aktuelle Ausgabe der Medizinprodukte-Betreiberverordnung [1] schreibt in Abs. 7 vor, dass in Bereichen, in denen die Atmosphäre explosionsfähig werden kann, die Verordnung über elektrische Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen (ElexV) Anwendung findet. Mit Ablösung der ElexV durch die Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) [] findet diese somit auch in medizinisch genutzten Räumen Anwendung. Um insbesondere die 3, 5 und sowie den Anhang A (organisatorische Maßnahmen) erfüllen zu können, ist die Kenntnis sicherheitstechnischer Kenngrößen der zum Einsatz kommenden brennbaren Produkte notwendig. Zu diesen brennbaren Produkten zählen vor allem Anästhesie- und Desinfektionsmittel. Im Rahmen ihres Präventionsauftrages erarbeiten und aktualisieren die Berufsgenossenschaften z. Z. Vorschriften und Regelungen für Bereiche, die der BetrSichV unterliegen und somit auch für Bereiche, in denen entsprechend der Medizinprodukte-Betreiberverordnung, die Atmosphäre explosionsfähig werden kann.. Ziel Aus klinischer Sicht zeichnet sich ein optimales Inhalationsnarkotikum durch folgende Eigenschaften aus: Fehlende Explosions- und Brandgefahr, Lagerungsstabilität, angenehmer Geruch, fehlende Schleimhautreizung, gute Steuerbarkeit der Anästhesietiefe, kurze An- und Abflutungszeit, große therapeutische Breite, fehlende Biotransformationsprodukte, chemisch inertes Verhalten gegenüber dem Absorberkalk, fehlende unerwünschte Wirkungen, Reversibilität der Ausfallerscheinungen nach der Anästhesie sowie analgetische, sedierende und muskelrelaxierende Potenz [3, ]. Alle heute verwendeten Inhalationsanästhetika erfüllen die genannten Kriterien nur teilweise [3, ]. Auch wenn die in Deutschland heute noch erlaubten und eingesetzten flüssigen Inhalationsnarkotika Sevofluran, Isofluran und Desfluran mit Luft keine explosionsfähigen Dampf/Luft- Gemische bilden, so sind diese doch keinesfalls als inert zu betrachten. Mit stärkeren Oxidationsmitteln als Luft, z.b. Sauerstoff oder Lachgas (N O), sind explosionsfähige Dampf/ Oxidationsmittel-Gemische möglich. Mit Hilfe dieses Forschungsvorhabens soll eine verlässliche und belastbare Grundlage für die aktuell in Deutschland verwendeten Inhalationsnarkotika erarbeitet werden, indem Explo- 1

3 sionsbereiche und Zündtemperaturen in Abhängigkeit des Oxidationsmittels (Sauerstoff, Lachgas, Sauerstoff-Stickstoff-Gemische) ermittelt werden. Sauerstoff und Lachgas sind von Interesse, da Inhalationsnarkotika in Sauerstoff-Lachgas-Gemischen zur Anwendung kommen. Existierende Untersuchungen (19) [5] an älteren, meist nicht mehr in Gebrauch befindlichen Inhalationsnarkotika erlauben keine Extrapolation für die modernen Narkosemittel. Auch umfassen die im Rahmen der Zulassung vorgeschriebenen sicherheitstechnischen Untersuchungen weder die Bestimmung der Explosionsbereiche noch die Bestimmung der Zündtemperaturen im Detail. 3. Versuchsprogramm Für die modernen Inhalationsnarkotika Isofluran, Desfluran und Sevofluran wurden - die untere Explosionsgrenze in Sauerstoff/Lachgas-Gemischen unterschiedlicher Zusammensetzung, - die untere Explosionsgrenze in Sauerstoff/Stickstoff-Gemischen unterschiedlicher Zusammensetzung - die Oxidationsmittelgrenzkonzentration in Sauerstoff/Stickstoff-Gemischen sowie - die Zündtemperatur in Sauerstoff, Lachgas und Luft untersucht. 3.1 Charakterisierung der untersuchten Inhalationsnarkotika Seit 1 der Zahnarzt Horace Wells aus Conneticut seine Patienten vor der Operation erfolgreich mit Lachgas betäubte, sind bis heute insgesamt 19 Gase und Flüssigkeiten als Inhalationsnarkotika bekannt (Abb. 1). Anzahl der bekannten /eingesetzten Inhalationsnarkotika Chlorofrom CHCl 3 Ether C H 5 OC H 5 Ethylvinylether C H 5 OC H 3 Propylmethylether C 3 H 7 OCH 3 Trifluorethylvinylether CF 3 CH OC H 3 Isopropenylvinylether C H 3 OC 3 H 5 Trichlorethylen C HCl 3 Ethylchlorid C H 5 Cl Lachgas N O Einführungsjahr Sevofluran (CF 3 ) COCH CHF Isofluran CF 3 CHClOCF Methoxyfluran CHCl CF OCH 3 Halothan CF 3 CHBrCl Xenon Xe Desfluran CF 3 CHFOCF Enfluran CHFClCF OCF Cyclopropan C 3 H Divinylether C H 3 OC H 3 Ethen C H Abb 1: Klinisch genutzte Inhalationsnarkotika (modifiziert nach [])

4 In Deutschland sind aufgrund von Nebenwirkungen von den flüssigen Inhalationsnarkotika heute nur noch Sevofluran, Isofluran und Desfluran zugelassen. Sevofluran, Isofluran und Desfluran gehören zur Substanzklasse der halogenierten Ether. Sie weisen alle einen hohen Halogenierungsgrad (Verhältnis der Anzahl der Halogenatome zur Anzahle der Wasserstoffatome im Molekül) auf: Sevofluran ist ein fluorierter Isopropyl-methyl-ether mit einem Halogenierungsgrad von,33. Desfluran ist ein fluorierter Ethyl-methyl-ether mit einem Halogenierungsgrad von,. Isofluran unterscheidet sich von Desfluran dadurch, das eines der Fluoratome durch ein Chloratom substituiert ist. Desfluran hat ebenfalls einen Halogenierungsgrad von,. Sevofluran C H 3 OF 7 CAS ,1,1,3,3,3-Hexafluor--(fluormethoxy)propan Sdp.: 5,5 C Dichte: 1,5 g/ml P :,7 hpa In Deutschland als Inhalationsnarkotikum zugelassen seit Üblicher prozentualer Anteil im Inhalationsgemisch, der zur Erhaltung des Toleranzstadiums (Zustand der vollkommenen Narkose) erforderlich ist:,5 3 % Vol% [] Maximal am klinischen Verdampfer einstellbare Konzentration: Vol% [7] Isofluran C 3 H OClF 5 CAS Cl F (±)-Difluormethoxy-1-chlor-,,-trifluorethan Sdp.:,5 C Dichte: 1,5 g/ml P 5 : 5 hpa F 3 C O F In Deutschland als Inhalationsnarkotikum zugelassen seit 199. Üblicher prozentualer Anteil im Inhalationsgemisch, der zur Erhaltung des Toleranzstadiums (Zustand der vollkommenen Narkose) erforderlich ist: 1,5,5 Vol % [] Maximal am klinischen Verdampfer einstellbare Konzentration: Vol% [7] Desfluran C 3 H OF CAS (Difluormethoxy)-1,1,1,-tetrafluorethan Sdp.:, C Dichte: 1,5 g/ml P :,5 hpa In Deutschland als Inhalationsnarkotikum zugelassen seit

5 Üblicher prozentualer Anteil im Inhalationsgemisch, der zur Erhaltung des Toleranzstadiums (Zustand der vollkommenen Narkose) erforderlich ist:,5,5 Vol% [] Maximal am klinischen Verdampfer einstellbare Konzentration: 1 Vol% [7] Bestimmungsverfahren.1 Untere Explosionsgrenze und Oxidationsmittelgrenzkonzentration.1.1. Definition: Die untere Explosionsgrenze (UEG) ist die untere (brennstoffarme) Grenze des Explosionsbereiches im jeweiligen Gemisch aus brennbarer Substanz und Oxidationsmittel. Der Explosionsbereich ist der Konzentrationsbereich eines brennbaren Stoffes im Gemisch mit einem Oxidationsmittel, in dem eine Explosion auftreten kann. Mit steigender Temperatur und steigendem Druck weitet sich der Explosionsbereich auf: Die UEG sinkt, die OEG (obere Explosionsgrenze) steigt. Die Oxidationsmittelgrenzkonzentration (OGK) ist der maximale Stoffmengenanteil des Oxidationsmittels in einem Gemisch der brennbaren Substanz mit Oxidationsmittel und Inertgas, bei dem noch keine Explosion auftritt. Sie ist substanzspezifisch und hängt ab vom Oxidationsmittel und vom Inertgas. Sie sinkt mit steigender Temperatur und steigendem Druck. Zur Bestimmung der unteren Explosionsgrenzen und der Oxidationsmittelgrenzkonzentrationen wurde das Verfahren nach EN 139 [] Methode T eingesetzt..1. Apparatur Die Abmessungen des Zündgefäßes wurden so gewählt, dass die Löscheffekte durch die Glaswand bei schwerbrennbaren Substanzen, zu denen die untersuchten Inhalationsnarkotika aufgrund ihres hohen Halogenierungsgrades zählen, minimiert sind. Die Höhe des Explosionsgefäßes betrug 5 mm und der Durchmesser mm. ABLUFT FLÜSSIGKEIT BYPASS LUFT Abb. : Prinzipskizze der Apparatur zur Bestimmung der Explosionsgrenzen und der Oxidationsmittelgrenzkonzentration 1: Explosionsgefäß mit Zündelektroden : Mischgefäß 3: Verdampferrohr :Temperiereinrichtung (Wärmeschrank) 5: Zündtrafo

6 .1. Bestimmungsverfahren Prinzip Die Zusammensetzung des Dampf/Oxidationsmittel-Gemisches (für die Bestimmung der UEG) bzw. des Dampf/Oxidationsmittel/Inertgas-Gemisches (für die Bestimmung der OGK) wird so lange variiert, bis keine Entzündung mehr festgestellt werden kann. Durchführung: Die Dampf/Oxidationsmittel-Gemische werden erzeugt, indem die brennbare Flüssigkeit (Inhalationsnarkotikum) und das Oxidationsmittel(-gemisch) im Gleichstrom in ein Verdampferrohr dosiert werden. Das Verdampferrohr wird so beheizt, dass die Flüssigkeit vor dem Austritt aus dem Verdampferrohr vollständig verdampft ist. Anschließend wird das aus dem Verdampferohr austretende Dampf/Oxidationsmittel-Gemisch zum vollständigen Homogenisieren turbulent durch das Mischgefäß und von dort in das Explosionsgefäß geleitet. Das Explosionsgefäß wird mit dem Zehnfachen seines Volumens gespült. Anschließend wird im ruhenden Gemisch mit einer Folge von Induktionsfunken (x7kv) gezündet, und beobachtet, ob sich eine Flamme von den Elektrodenspitzen aus mindestens cm aufwärts bewegt. Wenn sich von den Elektrodenspitzen keine Flamme ablöst, gilt, entsprechend EN 139 Methode T auch eine Aureole von mindestens cm Höhe, die während der Funkendauer auftritt, als Entzündung. Die Schrittweite für die Änderung der Konzentration an Inhalationsnarkotikum betrug für die Bestimmung der unteren Explosionsgrenzen,1 vol% und für die Bestimmung der Oxidationsmittelgrenzkonzentration,1 vol% sowohl für die Konzentration des Inhalationsnarkotikums als auch für den Oxidationsmittelanteil. Abmessungen Explosionsgefäß Höhe der Elektrodenspitzen cm Abb.3: Zündung von Sevofluran in N O nahe der UEG Abmessungen Explosionsgefäß cm Höhe der Elektrodenspitzen Abb.: Aureole 5

7 . Zündtemperatur..1 Definition Die Zündtemperatur ist die, nach festgelegter Arbeitsweise ermittelte niedrigste Temperatur, bei der im Prüfgerät eine Entzündung der Prüfsubstanz im Gemisch mit Luft (oder anderem Oxidationsmittel) festgestellt wird. Die Bestimmung der Zündtemperatur erfolgte nach EN 15 [9]. Für die Bestimmung der Zündtemperatur in O und N O wird die Apparatur modifiziert, indem der Erlenmeyerkolben mit einen durchbohrten Glasdeckel versehen wird. Diese Maßnahme dient dazu, Rückmischung der Oxidationsmittel mit der umgebenden Luft zu vermeiden...1 Apparatur 3 T 1 1 T Abb.5: Prinzipskizze der Apparatur zur Bestimmung der Zündtemperatur 1: Zündgefäß (Erlenmeyerkolben) ml : Ofen 3: Brennstoffdosierung : durchbohrter Glasdeckel.. Bestimmungsverfahren Prinzip: Temperatur und Menge des zugetropften Inhalationsnarkotikums werden solange variiert, bis die niedrigste Temperatur gefunden ist, bei der gerade noch eine Entzündung beobachtet wird. Durchführung: Das Inhalationsnarkotikum wird tropfenweise in den erwärmten Erlenmeyerkolben dosiert. Entsprechend der Norm wird nach Beendigung der Zugabe für 5 min beobachtet, ob eine Entzündung auftritt oder nicht. Anschließend wird die Temperatur des Kolbens erhöht bzw. erniedrigt. Nachdem mit dem Oxidationsmittel gespült wurde, wird das Einstellen des Temperaturausgleichs abgewartet und ein neuer Versuch durchgeführt.

8 5. Ergebnisse: 5.1 Untere Explosionsgrenzen für die Oxidationsmittel O und N O sowie deren Gemische Die Tabellen 1 bis 3 und Abbildung zeigen die unteren Explosionsgrenzen der Inhalationsnarkotika Isofluran, Desfluran und Sevofluran für unterschiedliche Zusammensetzungen des es aus O und N O Sevofluran Isofluran Desfluran Volumenanteil O im N O/O Abb. : Vergleich der UEGs von Sevofluran, Isofluran und Desfluran in N O/O -Gemischen Tabelle 1: Untere Explosionsgrenzen (UEG) für das Inhalationsnarkotikum Sevofluran in O /N O-Gemischen unterschiedlicher Zusammensetzung Sevofluran Sauerstoff (O ) Lachgas (N O) UEG Vol.% 1 7,1,7,3,,5,5,,3,7 5, 1 5 Tabelle : Untere Explosionsgrenzen (UEG) für das Inhalationsnarkotikum Isofluran in O /N O-Gemischen unterschiedlicher Zusammensetzung Isofluran Sauerstoff (O ) Lachgas (N O) UEG Vol.% 1 1,,7,3 9,,5,5,,3,7,5 1 1, 7

9 Tabelle 3: Untere Explosionsgrenzen (UEG) für das Inhalationsnarkotikum Desfluran in O /N O-Gemischen unterschiedlicher Zusammensetzung Desfluran Sauerstoff (O ) Lachgas (N O) UEG Vol.% 1 1,,7,3 1,,5,5 11,7,3,7,9 1 9, 5. Untere Explosionsgrenzen und Oxidationsmittelgrenzkonzentration für Oxidationsmittel-Gemische aus O und N Die Tabellen bis 7 und Abbildung 7 zeigen die unteren Explosionsgrenzen der Inhalationsnarkotika Isofluran, Desfluran und Sevofluran für unterschiedliche Zusammensetzungen des es aus Sauerstoff (O ) und Stickstoff (N ), sowie die Oxidationsmittelgrenzkonzentration für das Oxidationsmittel Sauerstoff und das Inertgas Stickstoff. Tabelle : Untere Explosionsgrenzen (UEG) für das Inhalationsnarkotikum Sevofluran in O /N -Gemischen unterschiedlicher Zusammensetzung Sevofluran Sauerstoff (O ) Stickstoff (N ) UEG Vol.% 1 7,1,5,5 9,7,5,55,3,, 11,7,39,1 1, Tabelle 5: Untere Explosionsgrenzen (UEG) für das Inhalationsnarkotikum Isofluran in O /N -Gemischen unterschiedlicher Zusammensetzung Isofluran Sauerstoff (O ) Stickstoff (N ) UEG Vol.% 1 1,,9, 1,,, 1,,7, 19,

10 Tabelle : Untere Explosionsgrenzen (UEG) für das Inhalationsnarkotikum Desfluran in O /N -Gemischen unterschiedlicher Zusammensetzung Desfluran Sauerstoff (O ) Stickstoff (N ) UEG Vol.% 1 1,,9, 15,,3,17 1, Tabelle 7: Oxidationsmittelgrenzkonzentrationen (OGK) der Inhalationsnarkotika Sevofluran, Isofluran, Desfluran für das Oxidationsmittel Sauerstoff und das Inertgas Stickstoff Inhalationsnarkotikum OGK (für N ) Vol% Sevofluran 3, Desfluran, Isofluran 77, 1 1 UEG / Vol% 1 1 Sevofluran Isofluran Luft Desfluran Volumenanteil O im O /N Abb. 7: Vergleich der UEGs von Sevofluran, Isofluran und Desfluran in O /N -Gemischen Die Messreihen zeigen deutlich, das in Luft bei C und Umgebungsdruck kein Explosionsbereich existiert 5.3 Zündtemperatur Tabelle fasst die Ergebnisse der Zündtemperaturbestimmungen zusammen. Lediglich in % O konnte für die Inhalationsnarkotika eine Zündtemperatur bestimmt werden. In % N O konnten keine Zündtemperaturen bis 5 C/5 C be stimmt werden In Luft konnten keine Zündtemperaturen bis 55 C be stimmt werden. 9

11 Tabelle : Zündtemperaturen von Sevofluran, Isofluran und Desfluran in O Oxidationsmittel Inhalationsnarkotikum Zündtempertur in Sauerstoff (EN 15) C % O Sevofluran 31 % O Isofluran 19 % O Desfluran 9. Zusammenfassung Die Messungen zeigen klar, dass für keines der untersuchten Inhalationsnarkotika ein Explosionsbereich in Luft unter Umgebungsbedingungen existiert. Die Oxidationsmittelgrenzkonzentrationen für das Oxidationsmittel Sauerstoff und das Inertgas Stickstoff liegen für Isofluran und Desfluran vergleichbar hoch (77, vol% und, vol%). Für Sevofluran ergibt sich aufgrund der längeren C-Kette eine niedrigere Oxidationsmittelgrenzkonzentration (39, vol%). Ein Vergleich der unteren Explosionsgrenzen in Sauerstoff/Lachgas-Gemischen mit den üblichen prozentualen Anteilen im Inhalationsgemisch, die zur Erhaltung des Toleranzstadiums eingesetzt werden [] zeigt, dass bei Umgebungsbedingungen nur im Falle von Isofluran explosionsfähige Dampf/Oxidationsmittel-Gemische vorliegen können (Abbildungen und 13). Bei Sevofluran und Desfluran liegen die maximalen prozentualen Anteilen der üblichen Inhalationsgemisch, die zur Erhaltung des Toleranzstadiums eingesetzt werden, niedriger als die jeweilige UEG (Abbildung, 9 und 11) üblicher prozentualer Anteil im Inhalationsgemisch Isofluran Sevofluran Desfluran Volumenanteil O im N O/O Abb.: Vergleich der UEGs und der üblichen prozentualen Anteilen im Inhalationsgemisch, die zur Erhaltung des Toleranzstadiums eingesetzt werden für Sevofluran, Isofluran und Desfluran

12 Der Vergleich der unteren Explosionsgrenzen in Sauerstoff/Lachgas-Gemischen mit den maximal am klinischen Verdampfer einstellbaren Konzentrationen zeigt, dass in allen Fällen explosionsfähige Dampf/Oxidationsmittel-Gemische vorliegen können (Abbildungen, 1, 1). Für Sevofluran und Desfluran gilt dies unabhängig von der Zusammensetzung des Sauerstoff/Lachgas-Gemisches (Abbildungen,1). Die maximal möglichen Konzentration liegen höher als die UEGen Sevofluran üblicher prozentualer Anteil im Inhalationsgemisch 1 1 Sevofluran maximal am klinischen Verdampfer einstellbare Konzentration Volumenanteil O im N O/O Volumenanteil O im N O/O Abb.9: Vergleich der UEG von Sevofluran mit den üblichen prozentualen Anteilen im Inhalationsgemisch, die zur Erhaltung des Toleranzstadiums eingesetzt werden. Abb.: Vergleich der UEG von Sevofluran mit der maximal am klinischen Verdampfer einstellbaren Konzentration im Inhalationsgemisch 1 Desfluran üblicher prozentualer Anteil im Inhalationsgemisch 1 Desfluran maximal am klinischen Verdampfer einstellbare Konzentration Volumenanteil O im N O/O Volumenanteil O im N O/O Abb. 11: Vergleich der UEG von Desfluran mit den üblichen prozentualen Anteilen im Inhalationsgemisch, die zur Erhaltung des Toleranzstadiums eingesetzt werden. Abb. 1: Vergleich der UEG von Desfluran mit der maximal am klinischen Verdampfer einstellbaren Konzentration im Inhalationsgemisch 11

13 Im Gegensatz dazu können bei Isofluran explosionsfähige Dampf/Oxidationsmittel-Gemische bei Umgebungsbedingungen sowohl bei Gemischen mit den üblichen prozentualen Anteilen im Inhalationsgemisch als auch bei den Gemischen mit den maximal am klinischen Verdampfer einstellbaren Konzentrationen vorliegen. Dies gilt allerdings nur, wenn der O - Anteil im Sauerstoff/ Lachgas-Gemisch niedrig (<,5) ist (Abbildungen 13, 1). Dieser O - Anteil im Sauerstoff/Lachgas-Gemisch ist jedoch nicht gleich (Abbildungen 13, 1). Naturgemäß liegt er für die maximal am klinischen Verdampfer einstellbaren Konzentration im Inhalationsgemisch höher Isofluran üblicher prozentualer Anteil im Inhalationsgemisch 1 1 Isofluran maximal am klinischen Verdampfer einstellbare Konzentration Volumenanteil O im N O/O Volumenanteil O im N O/O Abb. 13: Vergleich der UEG von Isofluran mit den üblichen prozentualen Anteilen im Inhalationsgemisch, die zur Erhaltung des Toleranzstadiums eingesetzt werden. Abb. 1: Vergleich der UEG von Isofluran mit der maximal am klinischen Verdampfer einstellbaren Konzentration im Inhalationsgemisch 1

14 Literatur: [1] Verordnung über das Errichten, Betreiben und Anwenden von Medizinprodukten (Medizinprodukte-Betreiberverordnung -MPBetreibV) in der Fassung der Bekanntmachung vom 1. August (BGBl. I S. 339), zuletzt geändert vom 9. Juli 9 (BGBl. I S. 3) 59. [] Verordnung über Sicherheit und Gesundheitsschutz bei der Bereitstellung von Arbeitsmitteln und deren Benutzung bei der Arbeit, über Sicherheit beim Betrieb überwachungsbedürftiger Anlagen und über die Organisation des betrieblichen Arbeitsschutzes (Betriebssicherheitsverordnung BetrSichV) vom 7. September (BGBl. I S. 3777) [3] Heijke S, Smith G. Quest for the ideal anaesthetic agent. Br J Anaesth 199;:3-. [] C.-J. Eslter, H- Schmidt: Pharmakologie und Toxikologie; Schattauer Verlag, [5] T. Redeker: Sicherheitstechnische Kenngrößen für halogenierte Anästhesiemittel im Gemisch mit verschiedenen Oxidationsmitteln, PTB-W-3, 19 [] B. M. Graf: Vorteilhafte Indikationen für Desfluran, (Suprane ); DAC, Leipzig [7] Mitteilung der BG RCI (Berufsgenossenschaft Rohstoffe und chemische Industrie) [] DIN EN 139: Bestimmung der Explosionsgrenzen von Gasen und Dämpfen (3), Beuth-Verlag, Berlin [9] DIN EN 15: Bestimmung der Zündtemperatur von Gasen und Dämpfen (5), Beuth-Verlag, Berlin 13