Entwicklung desorptionsfähiger Filter für Narkosegase und eines Verfahrens zur Desorption ZeoSys GmbH Pneumatik Berlin GmbH PTM 19 Februar 2008
Projektübersicht
Aufgabestellung und Zielsetzung Narkosegase sind zumeist fluorierte bzw. chlorierte Kohlenwasserstoffe und somit schädlich für Patienten, Personal und Umwelt. Die Treibhauswirksamkeit (Global Warming Potential GWP) der volatilen Narkosegase ist etwa 2,000 fach höher als bei CO 2.
Funktionsprinzip des Kreisprozesses
Auswahl der Adsorbentien Im experimentellen Teil dieses Projekts sollten Adsorbentien bezüglich ihrer: - Adsorptionskapazität - Durchbruchscharakteristik - Strömungswiderstandes bzw. Flow-Wiederstandes Desorptionsverhalten getestet werden. Regeneration bzw. Wiederverwendbarkeit, 16 verschiedene Adsorbentiensorten (12 TYP A und 4 TYP B) wurden eingesetzt.
Experimenteller Teil Die Gesamtaufgabenstellung des experimentellen Teils lässt sich in vier Labordurchführungen gliedern: Vorversuche zur Charakterisierung verschiedener neuer Adsorbentien Adsorptions- und Desorptionsversuche Einkomponent (Rein) Multikomponent (Gemisch) Untersuchungen an zurückgewonnen Adsorptiven (Narkosegase): PH-Wert Bestimmung, Massezunahme des Adsorbens (gravimetrisch) und GC Untersuchungen Desorptionsversuche Untersuchung an der Wiederverwendbarkeit von Adsorbentien/Regeneration
Versuchsaufbau Adsorption Desorption D = Druckluft, B = Befeuchter, W = Vorwärmer, V = Verdampfer
Charakterisierung neuer Adsorbentien (TYP A) Unterschiedliche Adsorbentien des TYP A wurden unter gleichen Bedingungen (25g Adsorbens, Luft: 1 l/min, 30 C, Sevoflurangabe 5,3 ml/h = 8,06 g/h => 1,5 Vol-%) bezüglich: ihrer Kapazitäten, Durchbruchs- und Desorptionsverhalten getestet Abbildung 1: Durchbruchkurve Die dabei erhaltenen Ergebnisse gehen aus Abb.1 und Tab.1 hervor.
Charakterisierung neuer Adsorbentien (TYP A) Adsorbens Dichte [g/l] Mass, beladen [g] Desorbat [g] Kapazität [g/g] Kapazität A1 450 38,3 11,1 0,53 (0,446) 239 (201) A2 500 41,8 13,9 0,672 (0,556) 336 (278) A3 400 40,6 12,8 0,624 (0,512) 250 (205) A4 580 38,3 9,2 0,532 (0,368) 309 (213) A5 420 35,4 7,6 0,414 (0,304) 174 (128) A6 320 46,4 19 0,856 (0,76) 274 (243) [g/l] Tabelle 1 Die ersten Werte der Kapazitäten beziehen sich auf die Gesamtmassenzunahme, bei der aufgenommenes Wasser mit eingeht, die in Klammern stehenden Werte beziehen sich auf die Desorbate und Destillationsverluste werden nicht berücksichtigt. A7 410 40,9 14,2 0,636 (0,568) 261 (233) A8 450 38,3 10 0,532 (0,40) 239 (180) A9 345 40,5 15 0,62 (0,60) 214 (207)
Charakterisierung neuer Adsorbentien (TYP B) Unterschiedliche Adsorbentien des TYB B wurden unter gleichen Bedingungen (50g Adsorbens, Luft: 1 l/min, 28 C, Sevoflurangabe 5,3 ml/h = 8,06 g/h => 1,5 Vol-%) bezüglich: Abbildung 2: Durchbruchkurve ihrer Kapazitäten, Durchbruchs- und Desorptionsverhalten getestet
mm WS Messung des Strömungswiderstands Um den Strömungswiderstand unterschiedlicher Adsorbentien zu bestimmen, wurde der Staudruck an je einer Schüttung von 15 cm Höhe und 12,9 cm² Querschnitt (ca. 1/9 des Filters) bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten gemessen und die Differenz zur leeren Anlage gebildet. 60 50 40 30 20 10 0 0 2 4 6 8 10 l/min B1 B1, fein B2 "A7" Die dabei erhaltenen Ergebnisse gehen aus Abb.3 hervor. "A10" A6 A11 A9 Abbildung 3: Strömungswiderstand unterschiedlicher Adsorbentien
Durchbruchscharakteristik reiner Adsorbens und einem Adsorbentiengemisch Eine Schichtung von 10g B1 (25 Vol-%) und 20g A6 (75 Vol-%) wurde unter Standard Bedingungen bezüglich ihres Durchbruchsverhaltens getestet. Zum Vergleich ist die Durchbruchskurve von reinem A6 (25g) mit dargestellt. Abbildung 4: Durchbruchkurve Vergleich zwischen dem reinen Adsorbens und einem Adsorbentiengemisch
Versuch zur Wiederverwendbarkeit (zwei Beispiele) Abbildung 5: Versuche zur Wiederverwendbarkeit der Adsorbentien
Entwicklung der sensorischen Füllstandsanzeige Eine optische Füllstandsanzeige signalisiert, wann die Filter gewechselt werden müssen. Dafür wurden im ersten Schritt der Aufbau und die Funktion der Sensorsysteme verschiedener Hersteller recherchiert und miteinander verglichen. Aus verschiedene Lösungsvarianten wurden die geeigneten Halbleiter- Gassensoren bewertet, für diesen Zweck charakterisiert und auf bestimmte Messbereiche kalibriert. Die Untersuchungen liefern dann die Grundlage für eine Entwicklung der optischen Füllstandsanzeige. Einige Untersuchungsergebnisse sind in der Abbildungen 6 und 7 dargestellt
Entwicklung der sensorischen Füllstandsanzeige Charakterisierung die Sensoren Mit den drei ausgewählten Halbleiter-Sensoren wurden zur Kalibrierung unterschiedliche Konzentrations-Spannungs-Messreihen aufgenommen und in Konzentrations- Widerstandsreihen umgerechnet. Aufnahme einer Durchbruchskurve mit Isofluran An den Sensoren wurde ein Filterdurchbruch unter Verwendung von Isofluran simuliert. Als R(0) in der Abbildung unten wurde der Mittelwert des jeweiligen Sensors für 0,02 Vol-% Isofluran gewählt. Abb. 6 Abb. 7
Ergebnisse aus der Entwicklung CONTRAfluran TM -System Ausgehend von den erhaltenen FuE Ergebnissen wurden die ersten marktreifen volatilen Narkosegasfilter und eine sensorische Füllstandsanzeige (CONTRAfluran TM - System) entwickelt. CONTRAfluran TM- Restgasfilter Die Halterung mit sensorischer Füllstandanzeige
Zusammenfassung Parameter Filterqualität Filterkapazität Flow-Widerstand Zusätzliche Absauganlagen Sensorische Füllstandsanzeige Multiadsorbentiensystem Flexibilität des Filtereinsatzes Preis-Leistungsverhältnis Umwelt-schonung Eigenschaften der entwickelten Narkosegasfilter Vollständige Eliminierung der Anästhetika, keine Freisetzung in die Umgebung Eine hohe Filterkapazität von mindestens 400 ml, die eine Einsatzdauer von bis zu 7 Tagen ermöglicht < 1,5 mm WS Der neue Filter macht wegen seines geringen Flow-Widerstandes zusätzliche Absaugvorrichtungen überflüssig. Die Ausstattung des Filtersystems mit einer sensorischen Füllstandsanzeige soll eine permanente Überwachung ermöglichen. Füllstände werden kontrollierbar, was die Sicherheit für Patienten und Personal deutlich erhöht. Das innovative Multiadsobentiensystem erlaubt die Anpassung der Filtereigenschaften an unterschiedliche Gerätetypen und Einsatzfälle. Damit wird eine weite und flexible Verwendung der Filtersysteme national und international möglich. Als eigenständig zugelassenes Filtergerät ist es geräteunabhängig und autark einsetzbar. Das neue Filtersystem mit stark verbesserten Eigenschaften zeichnet sich durch ein ausgewogenes Preis-Leistungsverhältnis aus. Es soll kostengünstiger als handelsübliche Systeme sein. ja, da Eliminierung aus der Expirationsluft und Bindung im Filter mit anschließender Aufbereitung von Desorbaten geplant
Danksagung Wir danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen Otto von Guericke e.v. (AIF) für die Förderung des hier teilweise behandelten Projekts (KU0473001AJ7).