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1 Einleitung

Die mathematische Abschätzung der Migration kann verwendet werden, um die Anforderungen der KTW-Leitlinie, Beschichtungsleitlinie oder der Schmierstoffleitlinie an die Migration von Einzelstoffen anstelle eines experimentellen Nachweises zu überprüfen.

Organische Materialien - z.B. Kunststoffe -, die Kontakt mit Trinkwasser haben, können Stoffe an das Wasser abgeben (Stoffübergang oder Migration). Dabei sinkt die Konzentration der Stoffe in dem organischen Material und nimmt im Wasser zu (Stofftransport). Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt des Stoffübergangs ist die Diffusion der Stoffe im organischen Material. Der Übergang von Stoffen aus organischen Materialien ins Trinkwasser kann einerseits unter standardisierten Bedingungen (Oberflächen-Volumen-Verhältnis, Anzahl Wechselzyklen, Zeit, Temperatur) im Labor gemessen (Durchführung des Migrationstests und Analyse des Prüfwassers auf rezepturspezifische Einzelstoffe mit einer Migrationsbeschränkung) oder andererseits durch Simulation auf der Basis von Diffusionsmodellen (Modellierung) berechnet werden. In der Anlage 1 ist die Einbindung der Simulation bei der Beurteilung von organischen Materialien im Kontakt mit Trinkwasser dargestellt.

2 Besonderheiten der Modelle

Die Beurteilung von Materialien im Kontakt mit Lebensmitteln und Trinkwasser erfordert ein hohes Maß an hygienischer Sicherheit. Aus diesem Grund ist für die Simulation ein Modell erforderlich, das bei einem direkten Vergleich mit experimentell ermittelten Migrationswerten systematisch höhere Migrationswerte liefert (Überschätzung).

Für den direkten Kontakt von organischen Materialien mit Lebensmittel lässt sich dieses Ziel relativ einfach umsetzen, da nur ein Migrationszyklus berechnet wird. Für die Simulation der Migration werden Stoffkonstanten verwendet, die einerseits zu einem beschleunigten Stofftransport in der Berechnung führen (erhöhte Diffusionskoeffizienten) und andererseits einen erhöhten Übergang in das Lebensmittel im Gleichgewicht zulassen (erniedrigte Verteilungskoeffizienten).

Für die Beurteilung von organischen Materialien, die mit Trinkwasser in Kontakt kommen, sind dagegen mehrere Migrationszyklen zu bestimmen. Hiermit soll der Austausch des Trinkwassers in Leitungen bzw. der Installation berücksichtigt werden. In den Leitlinien des Umweltbundesamtes wird für den Kaltwassertest die 3. Prüfperiode und für den Warm- und Heißwassertest die 7. Prüfperiode für die Bewertung herangezogen. Eine Überschätzung der Berechnung der ersten Prüfperiode kann bei direktem Vergleich mit dem realen Migrationsverhalten eine Unterschätzung in der Berechnung der letzten Prüfperiode zur Folge haben.

Bei genauer Betrachtung kann diese Unterschätzung nur eintreten, wenn rechnerisch stark überschätzt wird und in der ersten 24-stündigen Stagnationsperiode (Vorbehandlung der Prüfkörper im Migrationstest) mehr als 20% bei 23°C bzw. mehr als 10% bei 60°C und 85°C des insgesamt im organischen Material vorhandenen Stoffs in das Trinkwasser übergeht. Diese Fälle lassen sich sehr einfach bei der Simulation identifizieren. Für die Beurteilung des Stoffübergangs sollte dann die erste simulierte Prüfperiode herangezogen werden.

In der Anlage 2 sind Beispiele für die mathematische Abschätzung der Migration eines Additivs enthalten. In den Beispielen wird die berechnete Migration verglichen, wenn Vorgaben der Richtlinie 2002/72/EG oder speziell für Trinkwasser ermittelte Koeffizienten berücksichtigt werden.

3 Modellannahmen

Der Stoffübergang (Migration) aus organischen Materialien in das Trinkwasser ist durch den Stofftransport im organischen Material beschränkt. Der Stofftransport und damit der Stoffübergang kann mit Hilfe des 2. Fickäschen Gesetzes (differentielle Stoffbilanz) abgeschätzt werden.

Abbildung 1 Diffusionsmodell und differentielle Stoffbilanz

Für das Modell werden folgende Annahmen getroffen:

• Stoffübergang ist durch den Stofftransport (Diffusion) im organischen Material beschränkt
• Es finden keine chemischen Reaktionen statt (Keine Hydrolyse des Migranten, keine Bildung des Migranten im Feststoff)
• Homogene Verteilung des migrierenden Stoffes im Wasser
• Das Material bzw. die Schichten im Material liegen parallel zueinander (eindimensionales Problem)
• Notwendige Stoffkonstanten und Kennwerte können dem Annex 1 des Practical Guide [3] entnommen werden.

Folgende Start- und Randbedingungen werden angenommen:

• Vor dem Beginn des ersten Migrationszyklus ist der migrierende Stoff im Polymer homogen verteilt c_p,0.
• An den Grenzflächen der unterschiedlichen Schichten bzw. an der Grenzschicht Wasser/Polymer stellt sich spontan der mit dem Verteilungskoeffizienten (siehe unten) beschriebene Gleichgewichtszustand ein.

Es muss zwischen ein- und mehrschichtigen Materialien unterschieden werden. Befindet sich ein organisches Material (bestehend aus einem Polymer) in direktem Kontakt mit Trinkwasser, so wird das System von zwei Stoffkonstanten beschrieben, dem Diffusionskoeffizienten des Migranten in dem organischen Material und dem Verteilungskoeffizienten des Migranten zwischen dem organischen Material und Trinkwasser.