Luftreiniger gegen Coronaviren im Test

1. Messaufgabe beim Test der Luftreiniger gegen Coronaviren

Die Schulz & Berger Luft- und Verfahrenstechnik GmbH in Altenburg / Thüringen hat neue leistungsstarke Luftreiniger gegen Coronaviren für Aufenthaltsräume entwickelt. Das Labor für Arbeits- und Umwelthygiene erhielt den Auftrag, die Luftreiniger gegen Coronaviren mikrobiologisch mit einem möglichst praxisnahen Versuchsverfahren zu testen. Hierzu waren Staubpartikel- und Luftkeimmessungen zur Wirksamkeitsbeurteilung zu konzeptionieren und durchzuführen. Das Luftreinhaltungsverfahren sollte konkret auf die Wirksamkeit bei der Reduzierung des Infektionsdrucks durch Coronaviren überprüft werden. Deshalb wurden die Prüfungen in personenfrequentierten Aufenthaltsräumen vorgenommen.

Referenzgröße waren die Feinstaubpartikel- und Mikroorganismen-Konzentrationen in dem atmosphärischen Milieu, das die Luftreiniger unmittelbar umgibt. Untersuchungsobjekte waren Klassenräume eines Gymnasiums in Altenburg. Die hier vorgestellten Ergebnisse der Prüfung der Luftreiniger gegen Coronaviren stammen vom September 2020.

2. Hintergrund des Tests der Luftreiniger gegen Viren

Die Schutzmaßnahmenentwicklung erfolgte vor dem Hintergrund der derzeitigen Corona-Viruspandemie. Die Politik hat zur Verhinderung einer massenhaften Virusverbreitung u.a. das Tragen von Atemschutzmasken bei Zusammenkünften mehrerer Personen im öffentlichen Raum angeordnet. Diese persönliche Schutzmaßnahme zielt weniger auf eine Reduzierung des Infektionsdrucks auf den Maskenträger ab. Sie ist stattdessen eher als Schutzmaßnahme gegen eine Freisetzung virenkontaminierter Tröpfchen über Mund und Nase durch ggf. mit dem Virus infizierte Trägerpersonen gedacht. Als wirksamer Schutz gegen eine Virusinfektion über den Luftweg und die Aufnahme über die Lunge werden filtrierende Halbmasken mindestens der Filterklasse P2 empfohlen.

3. Masken-Tragegebot in öffentlichen Gebäuden

In einigen Bundesländern in Deutschland wurde u.a. in Schulen, Behörden oder dem Einzelhandel das konsequente Tragen von Atemschutzmasken angeordnet. Man hat sich erhofft, dadurch das Infektionsrisiko durch das Virus zu mindern. Und einen angemessenen Schutz der Schüler, Mitarbeiter und Kunden durch ggf. infektiöse Tröpfchen sicherzustellen. In der Schule soll diese Maßnahme den Infektionsdruck, der auf der Klassengemeinschaft bei Anwesenheit eines virusinfizierten Mitschülers lastet, entscheidend abmindern. Dadurch will man einen regulären Schulbetrieb selbst bei einzelnen Infektionsfällen gewährleisten.

Permanentes Tragen von Atemschutzmasken indes belastet physisch stark. Und erschwert die enorm wichtige Sozialkommunikation in erheblichem Maße. Darüber hinaus sind ständige Maskenbeschaffungen für die gesamte Schülerschaft mit erheblichen Kosten verbunden und stark etatbelastend. Standardisierte Lüftungspläne sind derzeitig in Diskussion bzw. in Erarbeitung. Diese Pläne legen genau fest, wie häufig und wie lange man im Laufe einer Unterrichtsstundelüften muss. Diese Pläne kann man bei Kenntnis innenraumhygienischer Verhältnisse aus mehreren Gründen von vorneherein als abwegig abqualifizieren.

4. Nachweisführung beim Test der Luftreiniger gegen Viren

4.1 Test der Luftreiniger mit Virusaerosolen

Eine direkte Erfassung und Quantifizierung infektiöser Coronaviren des aktuellen Typs Covid19 in der Innenraumluft im Routineverfahren ist nicht möglich. Entsprechende Verfahren sind bisher noch nicht entwickelt und stehen auch nicht in Aussicht einer Entwicklung. Insofern waren beim Test der Luftreiniger gegen Coronaviren mikrobiologische Ersatzparameter in Anschlag zu bringen.

Infizierte Personen geben infektiöse Viruspartikel nicht nur beim Husten, Niesen und Sprechen, sondern auch beim Atmen und somit laufend in die Umgebung ab. Auch Bakterien geben alle Menschen, Infizierte und nicht-Infizierte, ständig an die Umgebungsluft ab. Die meisten der vom Menschen an die Umgebung abgegebenen Bakterien (Kommensalen) sind in der Innenraumluft mit relativ einfachen Verfahren einigermaßen verlässlich quantifizierbar.

4.2 Mikrobiologische Prüfparameter beim Test der Luftreiniger

Gezielte Prüfungen in Vorversuchen zu der vorliegenden Studie haben dies gezeigt: die Bakterienpartikel, die in personenfrequentierten Aufenthaltsräumen von Menschen in die Umgebungsluft abgegeben werden, sind von der gleichen Größe, wie der Großteil der Viruspartikel. Relevant ist vor allem das Partikel-Kollektiv im unteren Mikrometerbereich (1 bis 10 µm). Insofern kann man Bakterienpartikel befugt als aussagekräftige Ersatzparameter bei der Effektivitätsbeurteilung der Luftreiniger gegen Coronaviren anerkennen. Die Messungen wurden mit der Korrelierten Partikelzählung durchgeführt https://www.schimmelpilz-messungen.de/korrelierte-partikelzaehlung/

Bei der vorliegenden Expertise mit einer Beprobung von Schulklassenräumen während des laufenden Schulunterrichts wird der Bakterienpool in der Innenraumluft durch anthropogene Emissionen ständig nachgefüllt. So wie das bei der Freisetzung von Viruspartikeln bei Anwesenheit infizierter Personen auch zu erwarten ist.

Dieser Ansatz der Nachweisführung der Reinigungseffizienz über die Messung luftgetragener Bakterien (Kommensalen) wird als wesentlich realitätsnaher erachtet als Prüfungen, bei denen zur Simulation einer Viruspartikelfreisetzung einmalig zu Versuchsbeginn feinpartikuläre künstliche Aerosole vernebelt und der Verlauf der Abklingphase nach dem Emissionsereignis aufgezeichnet wird.

5. Technische Daten der Luftreiniger gegen Coronaviren

Die Technik der Luftreiniger gegen Coronaviren basiert auf den bewährten „Luftduschen“ der Schulz & Berger GmbH für Arbeitsplätze. Diese „Luftduschen“ generieren bekanntermaßen auch bei Vorherrschen komplizierter Luftströmungsverhältnisse außerordentlich stabile, verwirbelungsarme bis -freie (Laminar-) Luftströmungen. Wie z.B. in Arbeitskabinen im Bereich der Abfallwirtschaft. Das Vordringen ausgehusteter Viruspartikel und infektiöser Tröpfchen in den Laminarstrom im horizontalen Verlagerungsgeschehen und die unmittelbare Virenübertragung von Mensch zu Mensch dadurch wird durch einen Luftschleier verhindert.

Im Eintrittsbereich der angesaugten Luft ist ein Vorfilter (Grobstaubfilter der Filterklasse ISO Coarse nach ISO 16890) angeordnet, der Staub und Fasern, sowie größere Partikel, die sich in der Luft schweben, herausfiltert. Nach dem Vorfilter ist in Strömungsrichtung ein Heizregister angeordnet. Mit diesem kann die angesaugte Luft im vorliegenden Ausführungsbeispiel bei Bedarf erwärmt werden . Anschließend wird die Luft über einen Schwebstofffilter der Filterklasse H14 (HEPA-Filter) geführt. Dieser diesent dazu, feinste Partikel, wie beispielsweise einzelne Viruspartikel oder solitäre Bakterien oder Aerosole aus der Luft auszufiltern.

Unter dem Schwebstofffilter ist eine kleinere Druckkammer deren Abschluss ein Laminarisator bildet. Durch diesen wird eine gleichmäßige, laminare Luftströmung mit einstellbaren Luftgeschwindigkeiten zwischen 0,2 bis 0,36 m/s gewährleistet, die auf den zu schützenden Arbeitsplatz gerichtet ist https://www.schulz-berger.com/virusfrei-1200

6. Ergebnisse der Austestung der Luftreiniger gegen Coronaviren

Die wichtigsten Ergebnisse kann man zusammenfassen wie folgt:

• Beim Querlüften der Klassenräume während des laufenden Betriebs der Luftreiniger gegen Coronaviren waren binnen Minutenfrist starke Anstiege der Partikel-Konzentrationen zu verzeichnen. Es handelte sich bei diesen Immissionen atmosphärischer Stäube von außen vor allem um Feinpartikel mit Durchmessern kleiner 1 µm. Die Konzentrationen der Gesamtpartikel (> 0,3 µm) werden durch die Luftreiniger gegen Coronaviren nach derartigen Immissionsereignissen unabhängig vom momentanen Luftwechsel (20-fach ↔ 26-fach h^-1) binnen etwa 30 Minuten wieder auf etwa 1% bis 3% Die Halbwertszeit bei Partikeln < 1 µm betrug bei laufenden Luftreinigern und vorgenannten Luftwechselraten lediglich etwa 5 Minuten.

Luftreiniger gegen Coronaviren

Abb. 1: Verlaufskurve der Gesamtpartikelbelastung im Klassenraum am zweiten Versuchstag. Bei den Lüftungsvorgängen 1-4 wurde der Klassenraum für jeweils etwa 5 Minuten gelüftet. Beim 5. Lüftungsvorgang wurden alle Fenster über 20 Minuten lang offen gehalten. Die Luftreinigungsgeräte waren dabei laufend in Betrieb. Die Luftwechselrate lag in der Zeit bis 09:45 Uhr bei 26-fach h-1 und wurde anschließend auf etwas unter 20-fach h-1 herunterreguliert.

• Bei der Beurteilung der Leistungskenndaten der Luftreiniger gegen Coronaviren in Sachen Reduktion der Luftkeimzahlen war hinsichtlich des Eingabewerts und des Beurteilungsparameters zunächst zu unterscheiden zwischen Mikroorganismen-Emissionen und Mikroorganismen-Immissionen in den Klassenräumen. Mikroorganismen -Emissionen in Klassenräumen sind im Vordergrund ständig und unvermeidbar stattfindende Bakterienfreisetzungen vom menschlichen Körper. Mikroorganismen-Immissionen sind Einträge von außen, zu denen es bei jedem Lüften der Klassenräume kommt. Diese Immissionen fielen zur Zeit der Prüfungen verglichen mit den Emissionen erheblich aus. Bei den Immissionen handelt es sich weit überwiegend um Pilze und Hefen.
• Bei den Versuchsbedingungen dieser Raumluftprüfungen können in Sachen (unvermeidbares) bakterielles Hintergrundrauschen (laufende Emission durch sitzende und wenig bewegungsaktive Menschen) 2 x 10² bis 3 x 10² KBE Bakterien/m³ angegeben werden. Den laufenden Emissionen bakterienhaltiger Partikel zum Trotz limitieren die Luftreiniger die Bakterien-Konzentration bemerkenswert zuverlässig auf 10% oder weniger der Bakterienbelastung, die ohne technische Luftreinhaltungsmaßnahme messbar wäre. Die Halbwertszeit der Bakterien in der Luft betrug nach Inbetriebnahme der beiden Luftreiniger und einer Luftwechselrate von 19-fach/h lediglich 5 Minuten.
• Mit dem Coronavirus infizierte Personen geben infektiöse Viruspartikel ständig in die Umgebung ab. Bakterien werden von allen Menschen, Infizierten und nicht-Infizierten, ständig und unvermeidbar in die Luft abgegeben. Bei dem Versuchsansatz der vorliegenden Expertise wird der Bakterienpool in der Innenraumluft laufend nachgefüllt, wie das bei der Freisetzung von Viruspartikeln bei Anwesenheit infizierter Personen zu erwarten ist. Dieser Ansatz der Nachweisführung beim Test der Reinigungseffizienz der Luftreiniger gegen Coronaviren wird als wesentlich realitätsnaher erachtet als andere bisherige Prüfungen. Bei letzteren wurden zur Simulation einer Viruspartikelfreisetzung einmalig zu Versuchsbeginn feinpartikuläre biologische oder nicht-biologische Aerosole künstlich vernebelt und der Verlauf der Abklingphase nach dem 1-maligen Emissionsereignis aufgezeichnet.
• Bei Versuchsansätzen wie dem Vorliegenden war deshalb von vorneherein mit geringeren Reinigungseffizienzquoten von Luftreinigern zu rechnen als bei vorgenannten Versuchen mit einmalig eingebrachten Aerosolwolken bestimmter Qualität.

Luftreiniger gegen Coronaviren

Abb. 2: Verlaufskurve der Bakterienkonzentrationen im Klassenraum am ersten Versuchstag. Die Halbwertszeit der Bakterien in der Raumluft nach Inbetriebnahme der Luftreiniger (6.000 KBE/m3 → 3.000 KBE/m3) beträgt etwa 5 Minuten.

• Erwartungsgemäß wurden die „Gesamtkeime“, die zwar durch Bakterien vom Menschen beeinflusst, aber deutlich überwiegend von Pilzen und pigmentierten Hefen von außen gestellt wurden, durch die Luftreinigungsgeräte auf Werte deutlich unter die der Bakterien reduziert. Die Reduktion näherte sich 1% der Ausgangswerte an. Die Halbwertszeit der Gesamtkeime in der Luft betrug nach Inbetriebnahme der beiden Luftreiniger und einer Luftwechselrate von 26-fach/h lediglich 3 Minuten.
• Pigmentierte Hefen, die in ihrer Gesamtheit Immissionen von außen beim Lüften zugeordnet werden können und für die es keine Quellen im Klassenzimmer gab, wurden durch die Luftreinigungsgeräte innerhalb von 10 Minuten auf Werte unter 0,25% und quasi auf „Nullbelastung“ reduziert.

Luftreiniger gegen Coronaviren

Abb. 3: Verlaufskurve der Konzentrationen pigmentierter Hefen im Klassenraum am zweiten Versuchstag. Die Reduktionsleistung der Luftreinigungsanlage ist aufgrund des gegenüber den Bakterien deutlich geringeren Hintergrundrauschens entsprechend größer.

• Es ist anhand der Leistungskenndaten, die in dieser Studie ermittelt wurden, mit Sicherheit davon auszugehen, dass Luftreiniger gegen Coronaviren der Schulz & Berger GmbH das Infektionsrisiko für die gesamte Klassengemeinschaft in Klassenräumen in erheblichem Maße senken können. Der Infektionsdruck kann durch die laufende Entnahme wesentlicher Anteile potenziell infektiöser Aerosolpartikel niedrig gehalten werden.
• Im Reinluftstrom zentral unter dem Zuluftelement (Atemhöhe sitzender Mensch) war binnen Minutenfrist nach Inbetriebnahme der Luftreiniger gegen Coronaviren quasi „Nullbelastung“ gegeben. Diese „Nullbelastung“ betraf alle aufgezeichneten partikulären / feststofflichen Parameter.
• Den Prüfergebnissen zufolge haben die Luftreiniger gegen Coronaviren der Schulz & Berger GmbH bei ständigem Betrieb gegen anthropogene Bakterien in der Klassenraumluft einen Schutzfaktor mindestens analog partikelfiltrierenden FFP2-Atemschutzmasken gegen schwebpartikuläre Gefahrstoffe aufzubieten. Gegen die hier gemessenen Gesamtpartikel – und damit mit großer Wahrscheinlichkeit auch gegen infektiöse Coronaviren – können Schutzfaktoren mindestens zwischen FFP2- und FFP3- Atemschutzmasken erwartet werden.
• Bakterien in der Klassenraumluft sind überwiegend mit dem Partikel-Kollektiv im unteren Mikrometerbereich (1 – 10 µm) assoziiert. Der Literatur zufolge sind auch wesentliche Teile des infektiösen luftgetragenen Viruspartikelkollektivs in Aufenthaltsräumen in diesem Partikel-Größenfenster zu finden. Insofern können Bakterienpartikel befugt als aussagekräftige Ersatzparameter bei der qualifizierten Effektivitätsbeurteilung der lüftungstechnischen Anlagen im Hinblick auf die Reduzierung des Infektionsdrucks, der durch ständige Ausstöße von Coronaviren durch infizierte Personen auf nicht infizierten Personen lastet, anerkannt werden. Die Vorteile liegen auf der Hand, weil Effektivitätsüberprüfungen von Luftreinigern dadurch schnell und kosteneffizient möglich gemacht werden können.
• Eine Ansteckung direkt von Mensch zu Mensch z.B. durch Einatmen von Hustenaerosolen von einem infizierten Mitschüler in der Nähe kann mit den Luftreinigern der Schulz & Berger GmbH zwar nicht verhindert werden. Es ist anhand der Leistungskenndaten, die in dieser Studie ermittelt wurden, aber mit Sicherheit davon auszugehen, dass Luftreiniger der Schulz & Berger GmbH das Infektionsrisiko für die gesamte Klassengemeinschaft in Klassenräumen in erheblichem Maße senken können, da der Infektionsdruck durch laufende Entnahme potenziell infektiöser Aerosolpartikel niedrig gehalten wird.

Anmerkung:

Der Autor ist bei der IHK Hannover Öffentlich bestellt und vereidigt als Sachverständiger für Schimmelpilze und Feuchtigkeit in Innenräumen. Dr. Thomas Missel ist Mikrobiologe und hat am Institut für Tierhygiene der Tierärztlichen Hochschule Hannover promoviert. Er ist seit 1998 als Gutachter im Fachbereich Schimmel und Hygiene nicht nur in Hannover und Niedersachsen, sondern deutschlandweit tätig.