Mikrowellengeräte

Hinweise zum sicheren Umgang im Labor

In den letzten Jahren haben sie nicht nur in vielen Haushalten ihren festen Platz gefunden, auch in vielen Teeküchen, Arbeitsräumen und Laboratorien haben sie Einzug gehalten: die Mikrowellen­geräte. Der Einsatzbereich von Mikrowellen ist weit gestreut, meist dienen sie jedoch in Herden und Öfen zum Erhitzen von Speisen und Getränken, aber immer mehr auch zum Erwärmen von Lösungen und Reaktions­mischungen oder zur Herstellung von Gelen. Natürlich weiß jedermann, dass man keine Pudel in solchen Geräten trocknen darf, Eier darin platzen und eine aus einem defekten Gerät austretende Mikrowellen­strahlung gefährlich sein könnte. Den Geräten liegen Bedienungs­anleitungen und Sicherheits­hinweise bei, die man eigentlich vor dem Gebrauch studieren sollte. Da die Geräte meist jedoch recht einfach in Gang zu bringen sind, erfolgt dies nicht immer mit der nötigen Sorgfalt. So sind immer häufiger Unfälle zu beklagen, die durch die falsche Benutzung eines Mikrowellen­ofens verursacht wurden.

Durch Mikrowellen­öfen können mehrere Arten von Gefährdungen auftreten.

Aus Geräten, deren Abschirmung, beispielsweise wegen einer defekten Türdichtung, nicht mehr intakt ist, kann Strahlung austreten und eine Erwärmung menschlichen Gewebes bewirken, wodurch insbesondere die Augen gefährdet werden.

Substanzen in Mikrowellen­öfen erhitzen sich in Abhängigkeit bei entsprechend hoher Absorptionsfähigkeit für Mikrowellen­strahlung sehr schnell. Lösemittel können innerhalb von Sekunden ihren Siedepunkt erreichen. Feststoffe können sich sehr hoch erhitzen, Kohlenstoff – beispielsweise aus überhitztem organischen Material gebildet – schnell bis auf Rotglut, so dass Brandgefahr herrscht.

Werden Aufschlüsse unter Druck in Mikrowellen­öfen ausgeführt, so muss darauf geachtet werden, dass die eingesetzten Mengen, die Strahlungs­leistung und die Heizdauer so gewählt werden, dass es nicht zu einem Bersten der Aufschlussgefäße kommen kann. Aufschlüsse unter Druck erfordern speziell dafür ausgelegte Geräte mit zusätzlichen Überwachungs­funktionen. Wenn aus dem Ofenraum im Fall des Abblasens oder Platzens eines Gefäßes Stoffe austreten können, so sollten diese möglichst nicht in den Laborraum gelangen können, sondern erfasst und gefahrlos fortgeführt – erforderlichenfalls vernichtet – werden.

Siedeverzüge sind ein häufiger Effekt beim Erhitzen von Flüssigkeiten durch Mikrowellen. So verbrühte sich eine Mitarbeiterin beim Versuch, eine aufgewärmte Tasse Kaffee aus dem Mikrowellen­herd zu nehmen, an den Armen stark. Insbesondere bei viskosen Flüssigkeiten, beispielsweise beim Ansetzen von Gelen für die Gelelektrophorese, kann es zu sehr heftigen Siedeverzügen kommen, die stark genug sind, um die Türen gewöhnlicher Haushalts­mikrowellen­öfen aus den Scharnieren zu reißen und umherzuschleudern. Zur Vermeidung sollen die Ansatzmengen klein gehalten, Erlenmeyerkolben und Bechergläser zum Ansetzen nur wenige cm hoch gefüllt (die Eindringtiefe, bei der die Leistung auf 50 % abgefallen ist, beträgt bei der meist angewandten Frequenz von 2,454 GHz (λ = 12,2 cm) etwa 2,5 cm), die Leistung und die Heizdauer niedrig gehalten, der Ansatz gelegentlich umgeschwenkt und persönliche Schutzausrüstung (Brille, Gesichtsschirm, der auch den Halsbereich bis zum geschlossenen Labormantel (Kittel) schützt, Stulpenhandschuhe) getragen werden. Hier kommen zu den thermischen Gefahren auch noch mechanische sowie Gefährdungen durch die Eigenschaften (ätzend, giftig oder andere) der verspritzten Stoffe. Auch hier gilt es, die Heizleistung und die Heizdauer der Menge des zu erhitzenden Gutes anzupassen, gegebenenfalls Siedehilfen vorzusehen. Besonders zu Siedeverzügen neigen durch ihre Viskosität in der Mikrowelle angesetzte Gele für die Mikrobiologie. Es ist zu empfehlen, hier nur die gerade zum Guss des Geles benötigte Menge anzusetzen, Heizleistung und Dauer sorgfältig einzustellen und den Heizvorgang zum gelegentlichen Durchmischen zu unterbrechen. Ein höchstens zu einem Drittel gefüllter Weithals-Erlenmeyerkolben tut hier gute Dienste, da sich in diesem durch Schwenken eine gute Durchmischung erzielen lässt. Vom Ansatz größerer Gelmengen, die zum Guss wieder aufgeheizt werden müssen, ist abzuraten, da sich hier Siedeverzüge nicht sicher verhindern lassen. Auch hat es sich bewährt, die Geräte nicht in Augenhöhe aufzustellen. Eine bessere Dosierung der eingestrahlten Leistung bieten Labor-Mikrowellen­öfen mit einer kontinuierlichen Leistungsregelung an, als es die vielfach anzutreffenden und preiswerten Haushaltsgeräte ermöglichen, die eine Leistungskontrolle nur durch Pulsen des Senders besitzen. Auch vom Bau her sind Laborgeräte den Anforderungen des Laborbetriebes her besser gewachsen, so dass vom Einsatz von Haushalts­geräten in diesem Bereich abzuraten ist. In vielen Laborgeräten kann auch gerührt werden.

Etliche Metalle und Legierungen wirken als Antenne für die Mikrowellen­strahlung und sind in der Lage, Kunststoffbehälter durchzuschmelzen. Metallische Stücke mit einer Länge von mehr als 1 mm können zu heftigen Funken­entladungen durch die eingekoppelte Energie führen. Dies ist auch für einige Flüssigkeiten, wie etwa konzentrierte Natronlauge, Kupfer(II)-nitratlösung oder Salpetersäure, beobachtet worden.

Unbedingt erforderlich ist auch ein Wissen um die richtige Nutzung von Durchbrüchen in der Gerätewandung und damit auch im Faradayschen Käfig, um Verbindungen zu außerhalb der Mikrowelle untergebrachten Teilen der Apparatur oder anderen Geräten zu ermöglichen. Insbesondere müssen geeignete, ausreichend dimensionierte Dämpfungselemente möglichst geringen Durchmessers benutzt werden. Die Dämpfungen und alle übrige herausführenden metallischen Leiter, die sonst als Abstrahl­antenne fungieren können, müssen sorgfältig geerdet werden.

Werden brennbare Flüssigkeiten erhitzt, so müssen zusätzliche Sicherheitseinrichtungen im Gerät vorhanden sein (beispielsweise eine mechanische Durchlüftung, Ex-Sensor). Ein erneutes Inbetriebsetzen kommt erst nach vollständigem Entfernen der brennbaren Stoffe in der Atmosphäre des Ofenraumes in Frage. Wird bei Aufschlüssen in Säure Wasserstoff freigesetzt, besteht ebenfalls Explosionsgefahr. Eine Schutzmaßnahme kann im Inertisieren des Ofenraumes bestehen.

Werden Apparaturen eingebaut, die aus dem Ofenraum herausragen, so müssen Geräte eingesetzt werden, die entsprechende Durchbrüche mit Dämpfungen für die Strahlung besitzen.

Behälter und alle anderen Geräte und Zubehörteile für den Einsatz in Mikrowellen­geräten müssen bezüglich ihrer chemischen und mechanischen Eigenschaften sowie ihrer Absorptionsfähigkeit für die Strahlung hin beurteilt werden. Dabei ist zu beachten, dass ein Teil durchaus aus mehreren Werkstoffen gefertigt sein kann, die diesbezüglich unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, beispielsweise Schraubkappen und Dichtringe.

Mikrowellenöfen bieten die Möglichkeit, darin beispielsweise Veraschungen, Trocknungen, Aufschlüsse ohne und unter Druck sowie kontinuierliche und batchweise Synthesen (auch unter Druck) durchzuführen. Viele Reaktionen laufen dabei unerwartet schnell ab, so dass diese bei ungeeigneter Reaktionsführung durchgehen können. Zersetzungsreaktionen können rascher als bei konventioneller Reaktionsführung auftreten und zur Bildung gefährlicher Reaktionsprodukte oder zum Druckaufbau durch Gasbildung führen. Reaktionsgemische in Mikrowellen­öfen, deren Feld­inhomogenitäten zu ungleichmäßiger Erwärmung führt, müssen besonders intensiv gerührt werden. Reaktions­gemische ohne Lösemittel oder solche, aus denen sich metallische Filme abscheiden können, können durch starke Aufheizung der Wandungen zum Schmelzen oder Bersten von Reaktionsgefäßen führen. Die Bedienungsanleitung des Geräteherstellers, insbesondere die Hinweise zur mittleren Standzeit von Druck-Reaktionsgefäßen, müssen beachtet werden. Eine entsprechend stabile Ausführung und Ausstattung der Geräte mit Sensoren zur Druck- und Temperatur­überwachung ist erforderlich.

Mitarbeiter sollten über den richtigen Gebrauch solcher Geräte anhand einer Betriebsanweisung unterwiesen werden. So können Fälle so groben Missbrauchs, wie dem Entfernen des Abschirm­gitters in der Tür, um das Innere besser beobachten zu können, vermieden werden. Mikrowellen­öfen sind aus der Anwendung nicht mehr wegzudenken, jedoch zeigt es sich, dass auch solche „Allerweltsapparate“ richtig bedient sein wollen, um damit sicher arbeiten zu können.