Industrie & Technik

<h2>Kunststoff fürs Wachstum</h2>Das Unternehmen Shenzhen Ecomann Technology produziert 5000 t Polyhydroxyalkanoate (PAH) und 25 000 t PHA-Komposite pro Jahr. Mulchfolien daraus scheinen das Wachstum zumindest von Erdnüssen zu verbessern, weil wachstumsfördernde Rhizobakterien unter dieser Folie besser gedeihen als unter Polyethylenfolien: Die PHA-Folien halten mehr Wasser zurück, der Boden bleibt kühler.<h2>Kalt verformbares Polymer</h2>Ein Hydrogel mit Formgedächtnis und selbstheilenden Eigenschaften entwickelte die Gruppe von Chen Tao am Ningbo Institute of Material Technology and Engineering der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Sie polymerisierte dazu Acrylamid, Polyvinylalkohol und phenylboronsäuremodifiziertes Alginat. Ist dieses supramolekulare Hydrogel einmal geformt, lässt sich die Form stabilisieren, ohne thermische Energie aufzuwenden. Es stabilisieren sowohl pH-Wert-Änderungen über die Bildung von Borsäurediolestern als auch Calciumionen über die Chelatbildung der Alginate.<ul><li>
1 X. Le, W. Lu, J. Zheng et al., Chem. Sci. 2016, doi: 10.1039/C6SC02354A</li></ul>
<h2>Vibrationsstabiles Aerogel</h2>Die Gruppe von Junfeng Zou am Raumfahrtinstitut in Peking entwickelte ein Aerogel, das im Temperaturbereich von –100 bis +2500 °C wirkt und starken Vibrationen standhält. Das Gel isoliert etwa die Treibstoffleitungen der Long March 5, Chinas neuester Trägerrakete. Es wird zudem in großen Schiffen und Hochgeschwindigkeitszügen eingesetzt. Aerogele sind hochporöse Materialien aus Silicium- oder Metalloxiden.Rolf Schmid, <a href="mailto:rolf.schmid@asia-tech.eu">rolf.schmid@asia-tech.eu</a>

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Blick nach China

Kunststoff fürs WachstumDas Unternehmen Shenzhen Ecomann Technology produziert 5000 t Polyhydroxyalkanoate (PAH) und 25 000 t PHA-Komposite pro Jahr. Mulchfolien daraus scheinen das Wachstum zumindest von Erdnüssen zu verbessern, weil wachstumsfördernde Rhizobakterien unter dieser Folie besser ge...

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In modernen Gesellschaften halten sich Menschen im Tagesverlauf in verschiedenen Innenräumen auf. Dazu zählen sowohl Wohnräume, öffentliche Bildungsstätten und Arbeitsplätze als auch Verkehrsmittel, Einkaufszentren und Freizeiteinrichtungen. Eine gesunde und als angenehm empfundene Raumluftqualität ist daher von besonderer Bedeutung. Diese wird von mehreren Faktoren beeinflusst, die zueinander in Wechselwirkung stehen.Zu den Einflussfaktoren gehören klimatische Bedingungen, wie Temperatur, relative Luftfeuchte und Luftwechselrate sowie Gebäudecharakteristika und Nutzung. Auch Emissionen chemischer Verbindungen spielen eine entscheidende Rolle. Diese werden sowohl durch Materialien im Innenraum und Mobiliar freigesetzt als auch durch die Raumnutzung, wozu handwerkliche Tätigkeiten, Kochen und die Anwendung parfümierter Raum- und Körperpflegeprodukte zählen.In der Raumluft nachgewiesene Bestandteile von Produktformulierungen bezeichnet man als Primäremissionen. Chemische Reaktionen im Material können zu Sekundäremissionen führen. Bei den freigesetzten Substanzen handelt es sich in der Regel um flüchtige organische Verbindungen (volatile organic compounds, VOC), die durch irritative, allergisierende oder toxische Eigenschaften das Wohlbefinden und die menschliche Gesundheit beeinträchtigen können.Gesundheitliche Auswirkungen von Emissionen aus Werkstoffen sind in der europäischen Bauproduktenrichtlinie und folglich auch in der europäischen Bauproduktenverordnung berücksichtigt.1) In dieser ist auch verankert, dass Schadstoffe in Innenräumen zu begrenzen oder zu vermeiden sind. Die europäische Bauproduktenrichtlinie von 1989 wurde im Jahr 1992 durch das Bauproduktengesetz in nationales Recht umgesetzt. Im Zuge der Harmonisierung der Vermarktung von Bauprodukten gilt seit dem Jahr 2013 die europäische Bauproduktenverordnung.In Deutschland hat der Ausschuss zur gesundheitlichen Bewertung von Bauprodukten (AgBB) ein Schema zur einheitlichen und objektiven Bewertung der Emissionen aus Bauprodukten erarbeitet.2) Weitere, nationale Bewertungsschemata existieren bereits in Frankreich, Belgien und Litauen. Eine europäische Norm zur Emissionsprüfung von Bauprodukten wird auf Basis der CEN/TS 165163) voraussichtlich ab 2018 verfügbar sein. Gremien auf EU-Ebene arbeiten derzeit an einer harmonisierten Klassifizierung chemischer Emissionen.<h2>Emissionsprüfung von Innenraummaterialien</h2>Die chemische Analytik von Material- und Produktemissionen erfolgt unter praxisnahen Bedingungen in Emissionsprüfkammern und über definierte Zeiträume. In den Kammern werden Einzelmaterialien, -produkte oder auch Aufbauten mit definierten Parametern auf ihr Emissionsverhalten in Abhängigkeit von der Zeit untersucht. Die Prüfbedingungen, unter anderem Luftwechsel, Temperatur und Beladung, können sich an denen von realen Innenräumen orientieren. Das Kammervolumen variiert je nach Anwendung zwischen wenigen Kubikzentimetern und mehreren Kubikmetern (Abbildung 1).4)<figure><img src="https://media.graphcms.com/3nOoXE48TEGEpz2R9QR8"><figcaption><label>Abb. 1: </label>48-m³-Emissionsprüfkammer (walk-in-type, links) und 45-cm³-Mikrokammer (rechts). Dazwischen existieren Emissionsprüfkammern in weiteren Volumina, beispielsweise 1-m³-, 500-L- und 250-L-Kammern. <named-content>Foto: Fraunhofer WKI, Manuela Lingnau</named-content></figcaption></figure>
Um freigesetzte Substanzen zu identifizieren und zu quantifizieren, wird Luft aus der Prüfkammer über eine Sammelphase geleitet. Die angereicherten Verbindungen werden in der Regel mit chromatographischen Methoden getrennt (GC, IC, HPLC und andere).Als Adsorber für unpolare bis mittelpolare VOC mit Siedepunkten zwischen zirka 60 °C und 310 °C dient üblicherweise das Polymer Tenax TA (Poly(2,6-diphenyl-p-phenylenoxid)). Die Analyse erfolgt mit GC/MS nach Thermodesorption.<h2>Geruchsstoffe</h2>Ob ein Nutzer mit einem Werkstoff oder einem Möbel zufrieden ist oder sich in einem Raum wohlfühlt, hängt auch mit chemischen Emissionen zusammen, die als Gerüche wahrnehmbar sind.Die Akzeptanz der Raumluftqualität kann von den Emissionen organischer Primär- und Sekundärprodukte mit niedrigen Geruchsschwellen abhängen und somit vom Geruchseindruck,5) zumal Gerüche die Wahrnehmung und die Emotionen von Menschen entscheidend beeinflussen.6,7) Daher ist es wichtig, geruchsaktive Stoffe im Innenraum sowie deren potenzielle Quellen zu identifizieren, da Substanzen auch schon weit unterhalb der Konzentration wahrgenommen werden können, ab der sie die Gesundheit beeinträchtigen.6,8)Meistens sind Raumnutzer vielen Geruchsstoffen ausgesetzt, deren Wechselwirkungen nur schwer vorhersagbar sind.7) Die durch Energiesparmaßnahmen stark verringerten Luftwechselraten in Gebäuden führen dazu, dass sich freigesetzte Stoffe anreichern. Nur selten werden sie durch Lüften ausreichend reduziert. Dies gilt auch für Geruchsstoffe. Stattdessen werden zunehmend Duftspender und Lufterfrischer eingesetzt, die nicht nur Gerüche überdecken, sondern dem Nutzer auch ein Gefühl der Reinheit und des Wohlbefindens vermitteln sollen.9) Solche Produkte sind allerdings häufig eine zusätzliche Quelle für VOCs.Doch wie lassen sich geruchsrelevante VOCs identifizieren und wie lässt sich ein Geruch sensorisch bewerten?<h2>Gaschromatographie und Geruchssinn</h2>Da geruchsrelevante VOCs oft in sehr geringen Konzentrationen wahrnehmbar sind, ist es kaum möglich, die Stoffe ausschließlich über GC/MS zu identifizieren. Eine in der Lebensmittelchemie übliche Methode, um Gerüche aufzuklären und geruchsaktive von -inaktiven Stoffen zu unterscheiden, ist die Gaschromatographie in Kombination mit Olfaktometrie (GC/O).Die GC/O-Analytik basiert ebenfalls auf der Entnahme einer Luftprobe aus einer Emissionsprüfkammer mit einem Adsorber wie Tenax TA. Nach thermischer Desorption und gaschromatographischer Trennung wird das Eluat am Ende der Kapillarsäule in zwei Gasströme geteilt. Ein Flammenionisationsdetektor (GC/FID) analysiert die Substanzen, parallel laufen sie über einen Geruchsport (ODP: Olfactory Detection Port), dort detektiert sie ein Prüfer mit seinem Geruchssinn (Abbildung 2). Die wiederholte sensorische Untersuchung einer Probe durch verschiedene Personen soll die Subjektivität in der Wahrnehmung und Bewertung verringern.<figure><img src="https://media.graphcms.com/bthtLDeKRYC6UNOxfXPQ"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Verriechung einer Probe an einem Geruchsport (OPD) eines GC, um geruchsrelevante VOCs zu identifizieren. <named-content>Foto: Fraunhofer WKI, Manuela Lingnau</named-content></figcaption></figure>
Die Testpersonen am Geruchsport beschreiben mündlich den Geruch eluierender geruchsaktiver Substanzen. Eine Spracherkennungssoftware zeichnet dies auf und erzeugt so ein GC/O-Chromatogramm. Zusätzlich werden die GC/O-Chromatogramme mit Massenspektren der jeweiligen Einzelsubstanz verglichen. Die Massenspektren stammen aus der parallelen GC/MS-Messung einer Vergleichsprobe, die ebenfalls auf Tenax TA genommen wurde. Die Einzelsubstanzen werden über die Retentionszeiten, berechnete Retentionsindices sowie den Geruchseindruck identifiziert.Um geruchsrelevante VOCs zu erfassen, reicht ein Probennahmevolumen von zwei bis vier Litern, bei sehr geruchsintensiven Materialien reduziert sich das Probennahmevolumen auf einen halben bis einen Liter.Bei der Untersuchung von Duftkerzen und mit parfümierten Tinten bedruckten Postkarten ließen sich mit GC/O nahezu 300 geruchsrelevante VOCs identifizieren, darunter Duftstoffallergene wie Citronellol, Linalool und Limonen. Emissionsquellen waren die verwendeten Duftstoffe selbst und nicht die in den Produktformulierungen enthaltenen Lösemittel oder andere Zusatzstoffe.10)<h2>Sensorische Bewertung</h2>Gerüche lassen sich in Innenräumen und in Emissionsprüfkammern auch sensorisch bewerten. In den letzten Jahren wurden ein ISO-Standard zur Geruchsbewertung von Bauprodukten11) sowie zwei VDI-Richtlinen12,13) erarbeitet, um das Vorgehen bei der Geruchsbewertung von Innenräumen, Innenraummaterialien und Bauprodukten zu vereinheitlichen.Nach dem ISO-Standard bewerten Testpersonen den wahrgenommenen Geruch anhand der Akzeptanz, der hedonischen Wirkung und der empfundenen Intensität.Die Akzeptanz dient als Bewertungsgröße für die zu erwartende Unzufriedenheit der Raumnutzer mit der Luftqualität. Dabei stellt sich die Testperson vor, sie wäre täglich für mehrere Stunden der zu prüfenden Luft ausgesetzt. Die Bewertung erfolgt auf einer Skala von „klar akzeptabel“ (1) bis „klar unakzeptabel“ (–1).Die hedonische Wirkung beschreibt den emotionalen Effekt eines Geruchs und ist stark von persönlichen und kulturellen Faktoren geprägt. Auch hängt die Bewertung von der Situation ab, in der eine Person einen Geruch zum ersten Mal wahrnimmt.14) Die Bewertung wird auf einer neunteiligen Skala von „extrem angenehm“ (+4) bis „extrem unangenehm“ (–4) vorgenommen.Die Geruchsintensität beschreibt die Stärke der Empfindung, die ein Geruchsreiz auslöst. Sie ist konzentrationsabhängig und kann sich durch die Art des Einatmens und Riechens verändern.Die VDI-Richtlinien berücksichtigen zusätzlich die Geruchsart. Die Probanden beschreiben, wie sie den Geruch empfinden, zum Beispiel fischig, süßlich, holzig, lösemittelartig.12,13)Nach der VDI-Richtlinie13) gibt es für die Intensitätsbestimmung eines Geruchs zwei Ansätze: ein Verfahren mit Kategorienskalen und eines mit Vergleichsmaßstab, das dem Verfahren nach ISO-Standard entspricht. Bei der Verwendung von Kategorienskalen bewerten ungeschulte Probanden den Geruch auf einer siebenstufigen Skala von „nicht wahrnehmbar“ (0) bis „extrem stark“ (6). Bei dem Verfahren mit Vergleichsmaßstab bestimmen geschulte Proband die empfundene Intensität des Geruchs.<h2>Empfundene Intensität</h2>Bei der Geruchsbewertung anhand einer Kategorienskala streuen die Werte unter Umständen stark. Ein Vergleichsmaßstab dient dazu, die Streuung zu verringern und die Bewertung reproduzierbar zu machen. Die Probanden bewerten die Intensität der Probenluft im Vergleich zur Referenzsubstanz Aceton am Vergleichsmaßstab, der eine Standardisierung der Intensitätsbewertung ermöglicht. Das Ergebnis wird in pi (Π), der Einheit der empfundenen Intensität angegeben. Schwache Gerüche liegen bei 0 bis 4 pi, starke Gerüche bei über 12 pi.Bei der direkten Verfahrensvariante wird die Prüfkammerluft direkt am Kammerauslass über einen Trichter bewertet (Abbildung S. 982). Bei der indirekten Variante wird die Prüfkammerluft in einen Probenbehälter aus Kunststoff überführt und anschließend den Probanden zur Bewertung angeboten. Die Ergebnisse der Intensitätsbestimmung hängen im Wesentlichen von der Geometrie des Bewertungstrichters und der Kalibrierung des Vergleichsmaßstabs ab. Zudem gibt es Unterschiede zwischen direkter und indirekter Bewertung. Aufgrund dieser starken Einflüsse auf die empfundene Intensität und dadurch verursachter signifikanter Abweichungen im Prüfergebnis ist die Methode nicht ausreichend robust und die Ergebnisse sind nicht vergleichbar. Daher eignet sich die Methode bisher nicht für zulassungsrelevante Untersuchungen von Produkten.15,16)<figure><img src="https://media.graphcms.com/eghlSmmjT06GsulFdCmb"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Eine Testerin bewertet Geruchsstoffemissionen an einer Prüfkammer. Im folgenden Schritt bestimmt sie die Geruchsintensität im Vergleich zu einer Referenzsubstanz (Vergleichsmaßstab). <named-content>Foto: Fraunhofer WKI, Marek Kruszewski</named-content></figcaption></figure>
Die Methode der empfundenen Intensität nach DIN ISO 16000–28 dient zur Intensitätsbestimmung der Emissionen von Geruchsstoffen aus Bauprodukten an Emissionsprüfkammern. Für die Durchführung von Geruchsprüfungen im Innenraum dient die DIN ISO 16000–30.17)<h2>Fazit und Ausblick</h2>Geruchsrelevante VOCs zu identifizieren und die Emissionen aus Bauprodukten sensorisch zu bewerten, ist zeit- und methodenaufwendig. Insbesondere die sensorische Bewertung zum Beispiel mit der Methode der empfundenen Intensität, zeigt, wie schwierig es ist, einen Sinneseindruck objektiv und reproduzierbar zu beurteilen. Nur ein robustes und belastbares Verfahren ist für die gesundheitliche Bewertung von Emissionen hilfreich und zielführend.Weiterführende Informationen zum Thema Innenluftqualität finden sich unter <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.iaqip.org" target="_blank">www.iaqip.org</a></ext-link>.18) Die Seite richtet sich vor allem an Endnutzer, bietet aber auch Informationen für Planer und Betreiber öffentlicher Einrichtungen.<h2>Quergelesen</h2>Baumaterialien, Einrichtungsgegenstände und Konsumgüter setzen chemische Verbindungen frei und beeinflussen so die Innenraumluftqualität.Wie ein Raumnutzer die Luftqualität wahrnimmt, hängt unter anderem vom Geruchseindruck ab, also auch davon, ob der Nutzer einen Geruch mag oder nicht.Geruchsrelevante flüchtige organische Substanzen lassen sich unter anderem über GC/MS und die Kopplung von GC mit Olfaktometrie identifizieren.Einen Geruch objektiv und reproduzierbar sensorisch zu bewerten, ist schwierig.Alexandra Schieweck, Jahrgang 1977, studierte Konservierung und Restaurierung an der Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst Hildesheim/ Holzminden/Göttingen und promovierte im Jahr 2009 an der Hochschule für Bildende Künste Dresden über Luftfremdstoffe in Museumsvitrinen. Seitdem ist sie Projektleiterin am Fraunhofer Wilhelm-Klauditz-Institut (WKI) im Fachbereich Materialanalytik und Innenluftchemie. Ihre Forschungsschwerpunkte umfassen die Bewertung von Materialemissionen und Innenluftqualität sowie korrosive Auswirkungen von Luftfremdstoffen auf Werkstoffe.<div><img src="https://media.graphcms.com/3Gzzbm76RuK0lSfLQhv6">

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<ul><h2>Literatur und Anmerkungen</h2><li>
1 Rat der Europäischen Gemeinschaften, Richtlinie des Rates vom 21. Dezember 1988 zur Angleichung der Rechts- und Verwaltungsvorschriften der Mitgliedsstaaten über Bauprodukte (89/106/EWG). Amtsblatt der EG Nr. L 40/12–26, 1989.</li><li>
2 AgBB (Ausschuss zur gesundheitlichen Bewertung von Bauprodukten), Bewertungsschema für VOCs aus Bauprodukten, Februar 2015.</li><li>
3 DIN CEN/TS 16516, Bauprodukte – Bewertung der Freisetzung von gefährlichen Stoffen – Bestimmung von Emissionen in die Innenraumluft, Beuth, Berlin, 2013.</li><li>
4 T. Salthammer, „Environmental test chambers and cells“. In: T. Salthammer, E. Uhde (Hrsg.), Organic Indoor Air Pollutants, Wiley-VCH, Weinheim, 2009, 101.</li><li>
5 M. Devos, F. Patte, J. Rouault, P. Laffort, L.J. van Gemert, Standardized human olfactory thresholds. Oxford University Press, Oxford, 1992.</li><li>
6 P. Wolkoff, G.D. Nielsen, Atmos. Environ. 2001, 35, 4407.</li><li>
7 M. Brattoli, E. Cisternino, P. Dambruoso, et al., Sensors 2013, 13, 16759.</li><li>
8 J. E. Cometto-Muniz, W. S. Cain, M. H. Abraham, Indoor Air 2004, 8, 108.</li><li>
9 C. Villa, R. Gambaro, E. Mariani, S. Dorato, J. Pharm. Biomed. Anal. 2007, 44, 755.</li><li>
10 J. Bartsch, E. Uhde, T. Salthammer, Anal. Chim. Acta, 2016, 904, 98.</li><li>
11 DIN ISO 16000–28, Innenraumluftverunreinigungen – Teil 28: Bestimmung der Geruchsstoffemissionen aus Bauprodukten mit einer Emissionsprüfkammer, Beuth, Berlin, 2012.</li><li>
12 Verein Deutscher Ingenieure, VDI 4302 Blatt 2, Geruchsprüfung von Innenraumluft und Emissionen aus Innenraummaterialien – Prüfstrategie für Geruchsprüfungen von Innenraumluft. Beuth, Berlin, 2015.</li><li>
13 Verein Deutscher Ingenieure, VDI 4302 Blatt 1, Geruchsprüfung von Innenraumluft und Emissionen aus Innenraummaterialien – Grundlagen. Beuth, Berlin, 2015.</li><li>
14 W. Mücke, C. Lemmen, Duft und Geruch: Wirkungen und gesundheitliche Bedeutung von Geruchsstoffen, ecomed Medizin, Landsberg am Lech, 2009.</li><li>
15 <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.wki.fraunhofer.de/content/dam/wki/de/documents/WKI-Fachbereiche/maic/WKI_SENSORIK_2016_Final.pdf" target="_blank">www.wki.fraunhofer.de/content/dam/wki/de/documents/WKI-Fachbereiche/maic/WKI_SENSORIK_2016_Final.pdf</a></ext-link></li><li>
16 T. Salthammer, N. Schulz, R. Stolte, E. Uhde, Indoor Air, 2015, DOI: 10.1111/ina.12262.</li><li>
17 DIN ISO 16000–30, Innenraumluftverunreinigungen – Teil 30: Sensorische Prüfung der Innenraumluft, Beuth, Berlin, 2015.</li><li>
18 Die Informationsplattform wurde in einem vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit geförderten Projekt vom Fraunhofer WKI in Braunschweig gemeinsam mit dem WHO Competence Center des International Laboratory for Air Quality and Health (ILAQH) an der Queensland University of Technology in Brisbane/Australien aufgebaut: die Indoor Air Quality Information Platform IAQIP.</li></ul>

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