Grundinformation – Propylenglykol

Monopropylenglykol, wird allgemein als Propylenglykol bezeichnet, aber auch als 1,2-Propandiol, MPG, PG und lebensmittelsicheres Glykol. Propylenglykol ist seit vielen Jahren das Glykol der Wahl für den Einsatz in Lebensmittel- und Getränkeverarbeitungssystemen oder wenn eine ungiftige Klassifizierung erforderlich ist. Zum Beispiel, wenn der Spezifikateur oder Endnutzer jedes Risiko einer versehentlichen Vergiftung beseitigen möchte, die bei Mischungen aus Wasser und Ethylenglykol auftreten kann.

Propylenglykol wird kommerziell durch eine chemische Reaktion zwischen Propylenoxid und einem Katalysator hergestellt. Die weltweite Kapazität liegt bei über 1,5 Millionen Tonnen pro Jahr.

Propylenglykol – Hauptverwendungszweck

  • Wärmeträgerflüssigkeiten auf Wasserbasis, die eine Gefrierschutzfunktion brauchen.
  • Flüssige Kälteträger in großen Kühlanlagen, bei denen sich das primäre Kältemittel (Gas) und die zugehörige Anlage an einem zentralen Ort befinden.
  • Kühlglykol ist ein alternativer Begriff für Kältemittel, aber die letztere Kategorie umfasst auch salzbasierte Sole, Alkohole und nichtwässrige Flüssigkeiten.
  • Wasserlose und wasserbasierte Gefrierschutzformulierungen für Motoren.
  • Als chemisches Ausgangsmaterial für die Herstellung von Polyesterharzen.
  • Enteisungsflüssigkeit für Flugzeuge und Start- und Landebahnen.
  • Tabak und einige Lebensmittel wirken feuchthaltend, um den Feuchtigkeitsgehalt (Wasser) aufrechtzuerhalten.

Propylenglykol – Eigenschaften

  • Klare wasserhelle, mild-süße, leicht viskose Flüssigkeit.
  • Reines Propylenglykol siedet bei 198 °C und gefriert bei –51 °C, wenn es vermischt wird mit wasser
  • Hygroskopisch und in jedem Verhältnis mit Wasser mischbar.
  • Leicht biologisch abbaubar und nicht bioakkumulierbar.
  • Konzentrationen über 25 % v/v in Wasser sorgen für eine biostatische Funktion.

Propylenglykol wird manchmal als Pharmakopöe oder als für die Verwendung in pharmazeutischen Produkten geeignet eingestuft. Bsp.: USP, EP und JP. Eine weitere Standardklassifizierung, die in den USA verwendet wird, ist GRAS (Generally Considered As Safe), was oft als „lebensmittelsicher” interpretiert wird. Es gibt jedoch kein europäisches Land, das Propylenglykol für die Verwendung als Lebensmittelzusatzstoff zugelassen hätte, und daher könnte das Etikett „lebensmittelsicher” als falsch angesehen werden.

Reines Propylenglykol hat eine LD50 von > 20.000 mg/kg KG, wodurch es laut der Toxizitätsskala von Hodge und Sterner „relativ harmlos” ist. Zum Vergleich: Ein Kind mit einem Gewicht von 30 kg müsste etwa 600 ml reines Propylenglykol zu sich nehmen, bevor es an einer schweren Krankheit leiden würde. Toxizität ist also ein relativer Begriff.

Propylenglykol hat im Vergleich zu Mischungen auf Ethylenglykolbasis eine viel geringere Fähigkeit für eine effiziente Wärmeübertragung. Es ist auch bei niedrigen Temperaturen viel viskoser und verursacht daher mehr Schwierigkeiten beim Pumpen.

Seit Kurzem ist ein pflanzliches Propylenglykol im Handel erhältlich, das jedoch nicht immer finanziell tragfähig ist. 1,3-Propandiol hat sehr ähnliche Wärmeübertragungs- und Pumpeigenschaften wie 1,2-Propandiol, aber eine bessere Umweltverträglichkeit.

Empfohlene Mindestmengen an Propylenglykol

um die biologische Kontamination auf ein Minimum zu senken.

Häufig wird die Frage nach der empfohlenen Mindestkonzentration von Propylenglykol gestellt, die in einer Wasserlösung verwendet werden sollte. Hydratech empfiehlt eine Konzentration von mindestens 25–30 % Vol.. für einen Gefrierschutz von unter –10 °C. Oft braucht der Betreiber jedoch nur einen Gefrierschutz von beispielsweise –2°C, was deutlich weniger Propylenglykol je Volumen erfordern würde.

Es gibt mehrere Gründe für die empfohlene Mindestkonzentration: 

1) Schutz vor Korrosion, Kesselstein und biologischer Verunreinigung. Hydratechs Wärmeträgerflüssigkeiten auf der Basis von Propylenglykol sind so formuliert, dass sie sowohl in Kühl- als auch in Heizsystemen in einem breiten Konzentrationsbereich eingesetzt werden können. Für einen lang anhaltenden Schutz muss die Ausgangsmischung auch das richtige Gleichgewicht zwischen Korrosions-, Kesselstein- und biologischen Inhibitoren haben. Nur so kann ein ausreichender Korrosionsschutz bei verschiedenen Konzentrationen aufrechterhalten werden. Die Inhibitoren in CoolFlow NTP sind so formuliert, dass sie bei Propylenglykolwerten zwischen 25 und 60 % Vol. die bestmögliche Leistung bieten und den Flüssigkeiten die längste Lebensdauer verschaffen. Reduziert man die Propylenglykolkonzentration auf unter 25 %, sinkt auch die Inhibitorkonzentration auf einen Pegel, der möglicherweise keinen ausreichenden Schutz vor Korrosion, Kesselstein und biologischer Kontamination bietet.

2) Erhöhte pH-Pufferung gegen Säureabbau. Sowohl Ethylen- als auch Propylenglykol zerfallen bei hohen Temperaturen. Bei einer höheren Flüssigkeitskonzentration ist auch eine höhere Inhibitorkonzentration in der Lösung vorhanden. Die höhere Konzentration an Inhibitoren erzeugt eine erhöhte pH-Pufferung, um sauren Nebenprodukten entgegenzuwirken, die durch die Zersetzung von Propylenglykol entstehen können.

3) Biologische Integrität der Flüssigkeit. Der dritte Grund für die Verwendung von mindestens 25 % Propylenglykol im System ist, dass die Möglichkeit von Bakterienwachstum besteht. Bei Konzentrationen von mindestens 20 % hemmen sowohl Ethylen- als auch Propylenglykol das Wachstum und die Vermehrung der meisten Mikroben und Pilze. Durch die geringe Oberflächenspannung in der Glykollösung werden die Zellwände der Bakterien unterbrochen. So entsteht eine Umgebung, die dem Bakterienwachstum nicht förderlich ist. Bei sehr niedrigen Glykolkonzentrationen, zum Beispiel unter 1 %, wirken sowohl Ethylen- als auch Propylenglykol als Nährstoff für Bakterien. Bei diesen Konzentrationen bauen Bakterien das Propylenglykol biologisch ab, was zu einer rapiden Zunahme der Bakterienkontamination führt. Bei Werten über 1 % und unter 20 % können einige Bakterien mit begrenztem Wachstum überleben, insbesondere bei moderaten Temperaturen.

Nicht immer führt das Vorhandensein von Bakterien zu Bakterienwachstum. Lösungen mit 25 % oder mehr Glykol sind biostatisch, nicht biozid. Wird also eine Bakterienquelle in Lösungen mit Propylenglykol eingebracht, kann die Flüssigkeit Bakterien aufweisen. Aus diesem Grund empfiehlt Hydratech die Reinigung neuer Anlagen vor der Inbetriebnahme und die regelmäßige Prüfung der Systemflüssigkeit auf biologische Aktivität. Weitere Informationen hierzu finden Sie im SureFlow-Flüssigkeitswartungsprogramm. Um die Möglichkeit einer Kontamination von außen weiter zu reduzieren, enthalten alle Hydratech-Formulierungen sowohl kurz- als auch langfristig wirkende Biozide.

Gesundheits-, Sicherheits- und Umweltinformationen zu Propylenglykol

1. Bewertung des OECD-Screening-Informationsdatensatzes (SIDs) für Propylenglykol

Chemische Bezeichnung Propylenglykol (1,2-Dihydroxypropan)   CAS-Nr. 57-55-6
Strukturformel CH3-CHOH-CH2OH
Empfehlungen  Die Chemikalie hat derzeit geringe Priorität für weitere Arbeiten.

Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

Menschliche Gesundheit:
Propylenglykol ist nicht akut toxisch. Die niedrigsten LD50-Werte bei oraler Aufnahme liegen zwischen 18 und 23,9 Gramm (5 verschiedene Tierarten) und die berichtete LD50 bei Aufnahme über die Haut beträgt 20,8 Gramm. Propylenglykol ist grundsätzlich nicht hautreizend und leicht augenreizend. Zahlreiche Studien belegen, dass Propylenglykol nicht hautsensibilisierend wirkt. Die wiederholte Exposition von Ratten gegenüber Propylenglykol in Trinkwasser oder Futtermitteln führte über einen Zeitraum von bis zu 2 Jahren bei Mengen von bis zu 10 % in Wasser nicht zu Schadwirkungen (geschätzt auf etwa 10 g pro kg Körpergewicht und Tag) oder 5 % in Futtermitteln (Dosierung mit 2,5 g pro kg Körpergewicht und Tag angegeben). Bei Katzen zeigten zwei Studien von mindestens 90 Tagen Dauer eine artspezifische Wirkung von erhöhten Heinz-Körpern (NOAEL = 80 mg pro kg Körpergewicht und Tag; LOAEL = 443 mg pro kg Körpergewicht und Tag), wobei andere hämatologische Wirkungen (Abnahme der Anzahl der Erythrozyten und überlebenden Erythrozyten) bei höheren Dosen (6-12 % in der Nahrung oder 3,7-10,1 g pro Katze und Tag) berichtet wurden. Propylenglykol verursachte keine auf den Fötus oder die Entwicklung wirkende Toxizität bei Ratten, Mäusen, Kaninchen oder Hamstern (NOAEL-Werte zwischen 1,2 bis 1,6 g pro kg Körpergewicht und Tag bei vier Arten). Es wurden keine Auswirkungen auf die Fortpflanzung festgestellt, wenn Propylenglykol mit bis zu 5 % im Trinkwasser von Mäusen verabreicht wurde (angegeben mit 10,1 g pro kg Körpergewicht und Tag). Propylenglykol war kein genetisch toxischer Stoff, wie aus einer Reihe von In-vivo-Studien (Mikronukleus, dominant letal, Chromosomenaberration) und In-vitro-Studien (Bakterien- und Säugetierzellen und -kulturen) hervorgeht. Es wurde in keinem der untersuchten Gewebe eine Zunahme von Tumoren festgestellt, wenn Propylenglykol in der Nahrung von Ratten (2,5 g pro kg Körpergewicht und Tag über 2 Jahre) verabreicht oder auf die Haut von weiblichen Ratten (100 % Propylenglykol; Gesamtdosis nicht angegeben; 14 Monate) oder Mäusen (Mäusedosis auf etwa 2 g pro kg Körpergewicht und Woche geschätzt; lebenslang) aufgetragen wurde. Diese Daten belegen eine fehlende Karzinogenität für Propylenglykol.

Umwelt [Also refer to Environmental Fate information in section 2) below]
Propylenglykol ist nicht flüchtig, sondern mit Wasser mischbar. Luftüberwachungsdaten stehen nicht zur Verfügung, aber es wird vermutet, dass die Konzentration von Propylenglykol in der Atmosphäre aufgrund seines niedrigen Dampfdrucks und seiner hohen Wasserlöslichkeit äußerst niedrig ist. Es wird in Wasser oder Erde leicht biologisch abgebaut. Vier Studien berichteten über einen biologischen Abbau von mehr als 60 % in Wasser innerhalb von 10 Tagen. Bei einem berechneten BCF von 18.000 mg/l wird nicht erwartet, dass Propylenglykol bioakkumuliert. Daher ist Propylenglykol für Wasserorganismen nur in sehr hohen Konzentrationen akut toxisch. Unter Verwendung eines Bewertungsfaktors von 100 und der Ceriodaphnia-Daten (48-Stunden-EC 50 = 18.340 mg/l) beträgt die PNEC 183 mg/l.

Exposure
Die Produktionskapazität von Propylenglykol in den USA betrug 596 Kilotonnen (1.312 Millionen Pfund) im Jahr 1998. Die Inlandsnachfrage betrug 477 Kilotonnen (1050 Millionen Pfund). Propylenglykol wird als Inhaltsstoff in Konzentrationen von 50 % in Kosmetika verwendet. Im Jahr 1994 enthielten rund 4.000 Kosmetikprodukte Propylenglykol. Verwendungszwecke von Propylenglykol mit Nachfrage in Prozent: ungesättigte Polyesterharze 26 %; Frostschutz- und Enteisungsflüssigkeiten 22 %; Lebensmittel-, Arzneimittel- und Kosmetikanwendungen 18 %; Flüssigwaschmittel 11 %; Funktionsflüssigkeiten (Tinten, Spezialfrostschutzmittel, Enteisungsschmiermittel) 4 %; Tiernahrung 3 %; Farben und Lacke 5 %; Tabak 3 %; sonstiges, einschließlich Verwendung als Weichmacher 8 %.

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2. Umweltverhalten von Propylenglykol

2.1 Im Boden:
Bodenfaktoren, die den Verbleib und das Verhalten von Propylenglykol im Erdreich beeinflussen, sind der pH-Wert, das organische Material, der Tongehalt, die Kationenaustauschkapazität, die Belüftung und die Textur. Die wichtigsten Prozesse, die die Mobilität und Verteilung von Propylenglykol im Erdreich beeinflussen, sind die Verteilung in Oberflächen- und Grundwasser (aufgrund der hohen Wasserlöslichkeit) sowie die schnelle biologische Abbaubarkeit und Photolyse. Verflüchtigung und Sorption in Böden sind Prozesse mit nur geringer Bedeutung.

Es wird geschätzt, dass Propylenglykol aufgrund des biologischen Abbaus eine Halbwertszeit im Boden hat, die gleich oder geringer ist als die in Wasser (1 bis 5 Tage). Die Abbauraten variieren jedoch mit den Bodeneigenschaften, der Temperatur und anderen Umweltbedingungen. ATSDR (1997) schätzte die Halbwertszeit von Propylenglykol in Wasser auf 1 bis 4 Tage unter aeroben und 3 bis 5 Tage unter anaeroben Bedingungen, wobei eine Kinetik erster Ordnung angenommen wurde. Es wird erwartet, dass die Halbwertszeit im Boden gleich oder etwas geringer ist als die für Wasser. Die Bodentemperatur hat möglicherweise einen großen Einfluss auf die biologischen Abbauraten von Propylenglykol. Klecka et al. (1993) untersuchten die Auswirkungen von Substratkonzentration und -temperatur in Mikrokosmen auf die mikrobiell vermittelten Verlustraten von fünf verschiedenen ADF, zu denen Ethylenglykol, Propylenglykol und Di-Ethylenglykol gehörten. Der Boden war ein sandiger Lehm mit 2,8 % organischem Kohlenstoffgehalt. Hohe Konzentrationen von Glykolen hemmten den biologischen Abbau nicht, und alle drei Glykole wurden in Böden mit Anfangskonzentrationen von 390 bis 5.300 mg/kg schnell abgebaut (die Böden wurden aus einem Gebiet neben der Landebahn eines internationalen Flughafens entnommen).

Ein vollständiger biologischer Abbau bei Böden mit niedrigeren Anfangskonzentrationen (>400 ppm Propylenglykol) trat nach etwa 11 Tagen auf; ein Boden mit einer Anfangskonzentration von etwa 3.300 ppm (w:w) Propylenglykol zeigte jedoch einen Verlust bei 8 °C von etwa 76 % über einen Zeitraum von 111 Tagen (wobei eine Restkonzentration von etwa 800 ppm verblieb). Der anfängliche Abbau schien einer Kinetik nullter Ordnung zu folgen, d. h. die Verlustrate war bei Werten über 100 ppm w:w unabhängig von der anfänglichen Konzentration. Die durchschnittlichen Abbauraten lagen im Bereich von 66 bis 93 mg pro kg Boden und Tag bei 25 °C; 20 bis 27 mg pro kg Boden und Tag bei 8 °C; und nur 2,3 bis 4,5 mg pro kg Boden und Tag bei –2 °C. Die Umgebungstemperatur ist daher ein wichtiger Faktor, der die biologischen Abbauraten beeinflusst. Es wurden keine Informationen über die Konzentration von Propylenglykol im Boden innerhalb einer realen Umgebung gefunden.

2.2 In Wasser
ist Propylenglykol gut löslich und wird von Mikroben und höheren Organismen leicht verstoffwechselt, sobald es in die Umwelt freigesetzt wird. Der biologische Abbauprozess erfordert Sauerstoff; daher können die Konzentrationen von gelöstem Sauerstoff (DO) in den aufnehmenden Gewässern nach einer großen Propylenglykolfreisetzung negativ beeinflusst werden. Korrosionshemmende Additive können auch negative Auswirkungen auf die am biologischen Abbau beteiligten Mikroorganismen haben, wodurch der Abbauprozess verlangsamt wird. Ergebnisse von Forschungsarbeit an einer Wärmeträgerflüssigkeit auf Propylenglykolbasis, die Tolyltriazol in Wasser enthielt, zeigten eine Abbaurate, die etwa dreimal niedriger (langsamer) war als bei reinem Propylenglykol. Bielefeldt et al. (2002) untersuchten mithilfe von gesättigten 15-cm-Sandsäulen, welche sekundären Auswirkungen die Einleitung von Propylenglykol in Böden auf den Grundwasserfluss hat. Es wurde festgestellt, dass der rasche biologische Abbau von Propylenglykol mit einer Abnahme der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit um ein bis drei Größenordnungen einhergeht, was wahrscheinlich auf die Ansammlung von bakterieller Biomasse um die Bodenpartikel herum zurückzuführen ist.

2.3 In Luft
Es wird erwartet, dass sich Propylenglykol aufgrund seiner hohen Löslichkeit und seines niedrigen Dampfdrucks nicht leicht aus Wasser in die Luft verflüchtigt. Wenn Propylenglykol bei hohen Temperaturen in die Atmosphäre freigesetzt wird, dürfte es fast vollständig in der Dampfphase vorliegen und es dürfte eine schnelle photochemische Oxidation stattfinden. Die Halbwertszeit für diese Reaktion wurde auf 20-32 Stunden geschätzt.