Pettenkofers Respirationsapparat

Tafel I / Tafel II / Tafel III / Brief Gorups an Pettenkofer vom 20. Juni 1866


(Ab der zweiten Auflage von 1867 waren in Eugen von Gorup-Besanez „Lehrbuch der Physiologischen Chemie“ drei Tafeln in Holzstich, den Münchener Respirations-Apparat darstellend, enthalten. Folgende Beschreibung des Apparates befindet sich in der 3. Auflage auf den S. 838-841)


Obgleich wir in diesem Werke die Beschreibungen der experimentellen Methoden, die uns vielfach in das Gebiet der reinen Physiologie führen müssten, schon des Raumes wegen, der durch die chemischen Tatsachen bereits sehr ausgiebig in Anspruch genommen ist, grundsätzlich vermieden haben, so müssen wir doch bezüglich des Pettenkofer’schen Respirationsapparates eine Ausnahme machen, da er berufen scheint, in der ferneren Entwickelung der Ernährungslehre eine wichtige Rolle zu spielen und bereits zu zahlreichen Versuchsreihen an Menschen und Tieren benutzt ist.


Der Pettenkofer’sche Respirationsapparat, wie er im Münchener physiologischen Institut aufgestellt und in Tätigkeit ist, besteht aus einem würfelförmigen eisernen Kasten (Taf. I. a) von 8’ Seitenlänge mit eiserner Tür, Oberlicht und Seitenfenster, also aus einem kleinen Zimmer, in welchem ein Tisch, Bett und Stuhl Platz finden können und noch einiger Raum zum Auf- und Abgehen übrig bleibt. Dieses Zimmer ist in einem größeren Zimmer aufgestellt. Die Tür hat zwei, durch Rosetten verschließbare Öffnungen, durch welche der äußeren Luft Zutritt verschafft werden kann. Der Luftwechsel wird durch ein Pumpwerk: zwei Saugzylinder mit Klappenventilen und regulierbarer Hubhöhe vermittelt (Taf. II. a), welches die Luft aus dem Apparate entfernt, während die äußere durch die Rosetten und Fugen desselben in selbem Maße nachströmt. Da ein Mensch in dem Apparate 24 Stunden lang zubringen, nach den neueren Erfahrungen aber, der stündliche Luftwechsel für die Person nicht unter 60 C. M. betragen soll, so ist der Luftwechsel im Apparate so geregelt, dass er stündlich 15 bis 75 C. M. Luft betragen kann. Auch bei der stärksten Ventilation ist darin keine Zugluft wahrnehmbar und eine Kerzenflamme brennt ganz ruhig, andererseits ist aber der Luftstrom stark genug, um keine Kohlensäure durch Diffusion nach außen entweichen zu lassen. In der, der Tür gegenüber liegenden Wand des eisernen Kastens befinden sich zwei Öffnungen, eine oben, die andere unten: die Mündungen zweier weiter Röhren (Taf. I. a u. b), die sich außerhalb desselben, bald zu einer vereinigen (Taf. I. c) und durch welche die Luft aus dem Apparate gesogen wird. Dieselbe wird, nachdem ein genau messbarer Teil derselben, durch eine sich abzweigende Röhre (Taf. I. d) den Absorptionsapparaten für Wasser und Kohlensäure und gewissen zur Bestimmung des Wasserstoffs und des Grubengases dienenden Vorrichtungen (Taf. III) zugeführt ist, — nachdem sie mit Wasserdampf gesättigt ist, durch eine Clegg’sche Gasuhr (Taf. I. C) geleitet, welche ihr Volumen genau angibt und gelangt von da, durch ein sich öffnendes Klappenventil in die Saugzylinder, welche beim Niedergehen dieselbe durch vier, in den Deckeln angebrachte Kautschukventile (Taf. II. a) entweichen lassen. Der Betrag der Ventilation im Apparate wird durch die Hubhöhe und Hubzahl der Saugzylinder bedingt und letztere wird durch einen Regulierungsapparat vermittelt (Taf. II. B), der im wesentlichen ein kräftiges Uhrwerk ist. Das Uhrwerk und mithin die ganze Vorrichtung wird durch eine kleine, sich selbst regulierende Dampfmaschine (Taf. II. C) in Bewegung gesetzt. Um einer wesentlichen Bedingung der Richtigkeit der Gasmessungen mit der Gasuhr: den Wasserstand in der Gasuhr gleich zu erhalten, zu genügen, tritt die Luft, nachdem das Versuchsrohr abgezweigt ist, in einen, mit großen mit Wasser beständig getränkten Bimssteinstücken gefüllten Befeuchtungsapparat (Taf. I. B), in welchem sie sich mit Wasser vollkommen sättigt, so dass aus der Gasuhr keines mehr abdunsten kann und dann erst in dieselbe. Das Volumen der aus dem Apparate austretenden Luft ist, wenn darin ein Mensch oder ein Tier atmete, etwas geringer als jenes der einströmenden, wie es denn auch längst bekannt ist, dass das Volumen der exspirierten Luft etwas kleiner ist als jenes der inspirierten. Der Grund ist in beiden Fallen derselbe, weil nämlich der Sauerstoff nicht lediglich zur Bildung von Kohlensäure, welche ein ihr gleiches Volumen Sauerstoff enthält, sondern auch zur Bildung von Wasser und anderen Sauerstoffverbindungen im Körper verwendet wird; doch ist diese Verminderung so unbedeutend, dass sie auch bei einer Ventilation von nur 10 C. M. per Stunde vernachlässigt werden kann. Die aus dem Kasten in das Hauptrohr tretende Luft wird vor dem Befeuchtungsapparate mit der großen Gasuhr, durch eine Abzweigung (Taf. I. d), zunächst in einen vorher genau gewogenen, mit Schwefelsäure halb gefüllten zweckmäßig geformten Kugelapparat (Taf. I. e) und von da in eine U-Röhre geleitet, welche mit Schwefelsäure getränkten Bimsstein enthält und durch diese beiden Apparate ihr Wassergehalt bestimmt. Von hier aus wird die Luft in eine kleine Quecksilber-, Saug- und Druckpumpe (Taf. I. f) gesaugt, deren Bewegung durch eine Verbindungsstange von dem großen Haupt-Saugapparat aus geregelt wird und von da, durch die Wirkung der Pumpe in eine U-Röhre gedrückt (Taf. I. g), in welcher sich mit Wasser befeuchteter Bimsstein befindet; von hier aus geht sie in kleinen, leicht zu regulierenden Blasen durch zwei, mit titriertem Barytwasser gefüllte, geneigt liegende Glasröhren (Taf. I. h), welche zur vollständigen Absorption der Kohlensäure hinreichen. Die Luft durch die Kohlensäureabsorptionsröhren durch eine eigene Vorrichtung zu drücken und nicht zu saugen, schien deshalb geboten, weil die Erfahrung lehrte, dass bei Anwendung der Suction, in Folge der dann nach innen gerichteten Diffusionsströmung der äußeren Luft es sehr leicht geschieht, dass durch die geringsten Undichtheiten der Verbindungsstellen etwas Kohlensäure aus der äußeren Luft in die Absorptionsröhren gelangt und die Kohlensäurebestimmung ungenau macht. Aus den Kohlensäureabsorptionsröhren gelangt die nun kohlensäurefreie und mit Wasserdampf gesättigte Luft, in eine kleine Gasuhr (Taf. I. D), wo sie gemessen wird und dann entweicht.

Zur Bestimmung des Wasser- und Kohlensäuregehaltes der äußeren, dem Kasten zugeführten Luft saugt eine der vorerwähnten vollkommen gleiche und neben ihr stehende Saug- und Druckpumpe, Luft aus einer möglichst engen Glasröhren1eitung (Taf. I. i), welche über den Respirationskasten weg, nach der Außenseite seiner Tür geht, wo sie sich nach zwei Seiten derselben abzweigt. Die Wasser-, Kohlensäure- und Volumenbestimmung dieser Luft geschieht, genau in der oben beschriebenen Weise, mittelst Schwefelsäureapparaten, Kohlensäureabsorptionsröhren, Befeuchtungsvorrichtung und einer kleinen Gasuhr. Von den zwei kleinen Saug- und Druckpumpen saugt die eine, bei jedem Hube einen Bruchteil der Luft, wie sie in den Apparat einströmt, die andere in gleicher Weise aus dem Untersuchungsrohr einen Bruchteil der Luft, wie sie aus dem Respirationsraume fortgeht. Beide Pumpen gehen in jeder Minute 10 mal und man stellt die Hubhöhe so, dass jeder Hub zwischen 8 und 9 C. C. Luft befördert. Man erhält also in jeder Minute 10 Proben der ein- und 10 Proben der abströmenden Luft.

Die Bestimmung der Kohlensäure geschieht durch Zurücktitrieren des in den Kohlensäureabsorptionsröhren befindlichen Barytwassers mit einer titrierten Oxalsäurelösung und gestattet eine Genauigkeit bis auf 0.1 Milligramm.

Die zur Absorption dienenden Apparate, sowie die Quecksilberdruckpumpen sind auf Taf. III besonders in größerem Maßstabe abgebildet. Die einzelnen Teile sind wie folgt bezeichnet:

a u. a’ Schwefelsäure-Kugelapparate; b u. b’  Quecksilberdruckpumpen; c Verbindungsstange mit dem großen Saugapparat; d u. d’ U-Röhren, mit feuchtem Bimsstein; e u. e’, f u. f’ Barytwasserabsorptionsröhren; g u. g’ Leitungsröhren zu den kleinen Gasuhren. Die Verbindung der einzelnen Teile ergibt sich ohne Weiteres aus der Zeichnung; die Zeiger mit den Kreisbogen dienen dazu, den Absorptionsapparaten die richtige Neigung und den Gasstrome die erforderliche Regulation zu geben.

Zur Bestimmung des Wasserstoffs und des Grubengases der äußeren und der aus der Respirationskammer kommenden Luft, zweigt man von den Leitungen, welche die Luft nach den Sang- und Druckpumpen führen, je ein Rohr ab, welches mit einer eben solchen Pumpe in Verbindung steht. Dieselbe wird vom gleichen Mechanismus, wie die beiden übrigen bewegt und ist mit den gleichen Apparaten für Wasser- und Kohlensäurebestimmung in Verbindung. Die abgezweigte Luftprobe strömt, bevor sie mit der Schwefelsäure in Berührung kommt, durch eine kleine mit Platinschwamm gefüllte Verbrennungsröhre, die während des Versuchs durch Gasflammen glühend erhalten wird. Die so erhaltene Wasser- und Kohlensäuremenge, minus der aus einem gleichen Volumen der ungeglühten Luft erhaltenen, wird auf Wasserstoff and Grubengas berechnet. In der in den Apparat einströmenden Luft ist weder Wasserstoff, noch außer Kohlensäure eine andere Kohlenstoffverbindung enthalten. 232336 und 228516 Liter Luft lieferten durch Glühen 6.8 und 9.2 Gramm Wasser, was 0.75 und 1.02 H entspricht und wohl auf die Verbrennung organischen Staubes etc. zurückzuführen ist.

Bei der Berechnung der Luftvolumina wird natürlich auf die Temperatur, die Dampftension u. s. w. geeignete Rücksicht genommen und eingeschaltete Manometervorrichtungen gestatten in jedem Augenblicke, die etwaigen Druckschwankungen zu erkennen. Sie sind bei regelmäßigem Gange der Maschine, sehr unbedeutend und rechtfertigen den Schluss, dass der Luftdruck in der Respirationskammer dem äußeren gleich ist.

Von größter Bedeutung für die Anwendbarkeit des Apparates sind die über die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit desselben angestellten Kontrollversuche. Es wurden zu diesem Behufe von Pettenkofer in der Respirationskammer in fünf Versuchen Stearinkerzen verbrannt, deren Kohlenstoff und Wasserstoff durch die Elementaranalyse bestimmt war. Sie brannten bis zu 10 Stunden- und lieferten zusammen 2000.0 Gramm Kohlensäure, während die Berechnung 2005.5 Gramm verlangte; der größte Fehler lieferte noch nicht 1 Prozent und die durchschnittliche Genauigkeit ergab sich zu 0.3 Prozent Für die Kontrolle der Wasserbestimmung wurde Weingeist von bekannter Zusammensetzung verbrannt und zum Teil auch zugleich Wasser verdunstet. Diese Kontrollversuche ergaben wegen der hygroskopischen Eigenschaften der Wände etc. der Kammer ein Defizit, welches aber mit der Dauer des Versuchs immer kleiner wurde. Bei achtstündiger Dauer des Versuchs fehlten von 540 Gramm entwickeltem Wasser 6.4 Prozent, bei 12stündiger Dauer von 756.1 Gramm 3.6 Prozent, bei 24stündiger Dauer von 1423 Gramm 1.5 Prozent. Die einzige indirekte Bestimmung ist jene des aufgenommenen Sauerstoffs, während alle übrigen direkt gefundene Werte sind. Die Sauerstoffeinnahme wird nämlich aus der Menge des gelieferten Wassers und der Kohlensäure berechnet. Bei den Kontrollversuchen mit den Stearinkerzen wogen in einem Versuche, die gefundene Kohlensäure und das gefundene Wasser um 281.4 Gramm mehr, als das verbrannte Stearin, was als aufgenommener Sauerstoff in Rechnung kommt. Nach der Elementaranalyse bedurfte die verbrannte Stearinmenge 276 Gramm Sauerstoff zur Verbrennung.