Luftreiniger gegen Corona in der Praxis

Luftreiniger gegen Viren im Praxistest

Luftreiniger gegen Corona im Test

Das Labor für Arbeits- und Umwelthygiene testet Luftreiniger gegen Coronaviren auf ihre Effizienz bei der Reduzierung von Viren und Bakterien in der Innenraumluft. Im Test sind Luftreiniger mit HEPA-Umluftfiltration, Luftschleieranlagen als Tröpfchen- und Aerosolblocker und technische Anlagen zur Luftdesinfektion. Die Prüfkonzepte sind variabel. Zu den Prüfverfahren, die – zumindest Stand heute – nur vom Labor Dr. Missel erbracht werden können, ist nachzulesen auf https://www.schimmelpilz-messungen.de/luftreiniger-gegen-coronaviren-und-bakterien-im-praxistest/

Nocheinmal zur generellen Vorgehensweise: Eine direkte Erfassung und Quantifizierung infektiöser Viren in der Innenraumluft im Routineverfahren, z.B. analog einer allgemeinen Luftkeimzahlbestimmung, ist nicht möglich. Dies gilt nicht nur Covid-19, sondern für alle Coronaviren. Für eine verlässliche Messung von Coronaviren in der Luft braucht man nicht nur ein daran adaptiertes Samplingverfahren. Es bedarf auch eines Verfahrens zum Nachweis der Viren in den gesammelten Luftproben. Entsprechendes steht nicht zur Verfügung und auch nicht in Aussicht einer Entwicklung. Das Labor für Arbeits- und Umwelthygiene bringt an Stelle eines direkten Nachweises von Coronaviren handhabbare mikrobiologische Ersatzparameter in Anschlag. Diese sind wie folgt:

Verfahren zur Prüfung der Luftreiniger

Mit dem Coronavirus infizierte Menschen setzen mit dem Husten, Niesen, Sprechen und Atmen und somit ständig infektiöse Viruspartikel frei. Aber auch Bakterien werden ständig an die Umgebungsluft abgegeben. Dies aber von Jedermann. Jeder Mensch, mit Viren infiziert oder und nicht-infiziert, gibt laufend Bakterien in die Umgebungsluft ab. Die meisten dieser Bakterien sind völlig harmlose Besiedeler der Haut und der Schleimhäute. Das sind die so genannten Kommensalen. Diese quasi symbiontischen Bakterien kann man in der Innenraumluft vergleichsweise leicht feststellen und verlässlich messen und quantifizieren.

Das Labor für Arbeits- und Umwelthygiene ist als einziges Institut in der Lage, die Verläufe der Bakterien-Konzentrationen Online aufzuzeichnen. Dabei sind die Vorteile beim Test eines Luftreinigers gegen Viren und Bakterien im praktischen Betrieb nicht zu unterschätzen. Die momentane Zahl dieser Mikroorganismen in der Luft ist schließlich – wie die der Viren – enorm großen Schwankungen unterworfen.

Nur die Verlaufskurve einer mikrobiellen Luftbelastung macht eine realistische Effizienzbeurteilung einer Luftreinhaltungsmaßnahme möglich. Dies soll das folgende Messdiagramm aus einem Schulklassenraum zeigen. Messverfahren: Korrelierte Partikelzählung nach Missel https://www.schimmelpilz-messungen.de/korrelierte-partikelzaehlung/

 

Luftreiniger testen

Abb. 1: Online-Messung der Bakterien-Konzentrationen im Verfahren nach Missel

 

Effizienzprüfung durch Bakterienmessung

Bei Messungen an Luftreinigern gegen Viren in einer Schule wurde in der Klassenraumluft ein bakterielles Hintergrundrauschen gemessen. Dies waren im Wesentlichen die Emissionen an Bakterien durch die Schüler. Das Rauschen bei sitzenden und wenig bewegungsaktiven Menschen war bei mehreren Versuchen gleich. Es gelang, dieses Rauschen auf etwa 2 x 10² bis 3 x 10² KBE Bakterien/m³ zu beziffern.

 

Luftreiniger testen

Abb. 2: Verlaufskurve der Bakterienkonzentrationen im Klassenraum mit einem Luftreiniger gegen Viren. Die Halbwertszeit der Bakterien in der Raumluft nach Inbetriebnahme der Luftreiniger gegen Viren (6.000 KBE/m3 → 3.000 KBE/m3) beträgt etwa 5 Minuten. Das unvermeidbare Hintergrundrauschen, das sich nicht unterschreiten ließ, liegt bei etwa 200 bis 300 KBE/m3 (siehe Zeitfenster von etwa 13:00 bis 13:15 Uhr).

 

Eine weitere, dauerhaft beständige Reduktion der bakteriellen Luftbelastung durch den Luftreiniger gegen Viren war bei einer Raum-Personen-Last (RPL, in Personen pro Kubikmeter Raumluftvolumen) von etwa 0,10 bis 0,20 nicht möglich. Und dies selbst bei deutlicher Erhöhung der Luftwechselrate nicht.

Prognose der Reinigungseffizienz durch Luftreiniger

Ein Luftreiniger gegen Viren sollte mindestens 90% der durch Menschen verursachten bakteriellen Raumluftbelastung beseitigen können.  Besser wäre mehr. Dann wäre davon auszugehen, dass durch den Luftreiniger gegen Viren der Infektionsdruck durch Coronaviren erheblich / relevant vermindert werden würde. Die Bakterienbelastung nähert sich bei Betrieb der hier getesteten Luftreiniger gegen Viren erwartungsgemäß nicht einer „Nullbelastung“. Sondern asymptotisch einem Konstantwert. Das erklärt sich dadurch, dass die von den Menschen abgegebenen Bakterien nicht gleich an der Quelle erfasst werden. Sondern sich zuerst im Raum verteilen müssen, bevor sie im HEPA-Filter des Luftreinigers hängen bleiben und so eliminiert werden.

Die Asymptote lag bei den oben gezeigten Messungen bei etwa 200-300 KBE Bakterien/m³. Es handelt sich bei der Asymptote um eine Gleichgewichtskonzentration. Das heißt, dass sich das Auffüllen des Pools durch anthropogene Bakterienemission auf der einen Seite und die Bakterienentnahme aus dem Pool durch die Luftreinigung auf der anderen Seite genau die Waage halten. Anhand des Gleichgewichtszustands kann man die Bakterienfreisetzung durch die anwesenden Menschen bestimmen.

Auf der Basis von Ergebnissen dieser Art hat das Labor für Arbeits- und Umwelthygiene ein Berechnungsverfahren für die richtige Auslegung der Luftreiniger gegen Viren erarbeitet. Und zwar, was die erforderlichen Luftmengen betrifft. Anhand der Prognose kann man die Mindest-Luftwechselrate ausrechnen, die für eine Reduktion der Bakterien- und damit der Virenbelastung um mindestens 90% erforderlich ist.

Und zwar für jede Personenlast in einem Raum (RPL). Das heißt für jede beliebige (erwartete) Anzahl der Menschen in einem Raum bestimmter Größe. Kurz gesagt: den für einen bestimmten Raum mit bestimmter Nutzung (RPL) erforderlichen Mindestluftwechsel.

Verfahrensschritte der Prognose

Bestimmung der Eingabewerte in die Berechnung

Im Zustand des Geleichgewichts (Asymptote erreicht) kann man sagen, dass die Entnahme von Bakterien aus dem Pool durch den Luftreiniger gegen Viren dem Eintrag durch den Menschen genau entspricht. Sonst könnte man ja keine Gleichgewichtsbelastung an Bakterien bzw. Viren in der Luft (Asymptote) messen. Die Entnahmemenge (Bakterien absolut) entspricht der Summe aus gereinigter Luft/h (d.h. dem Luftwechsel) und der Gleichgewichtskonzentration („asymptotischer Wert“). Eine Entnahmequote bei Passieren des Filters von etwa 100% kann bei Verwendung von H14-Hepafiltern vorausgesetzt werden. Der Eintrag durch die anwesenden Personen muss im Gleichgewichtszustand genau dieser Entnahmemenge entsprechen. Geteilt durch die Zahl der anwesenden Personen ergibt sich ein Zahlenwert zu dem Eintrag bzw. zu der Bakterienfreisetzung je Person und Stunde.

Im Falle der Abbildung 2 wären dies 35.000 KBE Bakterien je Person und Stunde.

Errechnen der Kinetik der Belastungsreduktion

Anhand dieser Daten kann man den real gemessenen Verlauf der Bakterienbelastung in einem Klassenraum quasi im Original rechnerisch nachbilden. Betrachtet wird ein Zeitfenster von insgesamt 2 Stunden auf die folgende Weise: Bei der „virtuellen Versuchskinetik“ wird ein Raum in der ersten Stunde zunächst ohne Luftreiniger betrieben. Bei 35.000 KBE Bakterien je Person und Stunde multipliziert mit den anwesenden Personen (hier 25) und geteilt durch das Raumvolumen (hier 152 m³) ergibt sich ausgehend von „Null Bakterien/m³“ nach einer Stunde eine Konzentration von 5.700 KBE/m³. Das entspricht ziemlich genau dem in dem Klassenraum real gemessenen Ergebnis in Abb. 2.

Nach Inbetriebnahme der Luftreiniger ergibt sich die Reduktionskinetik wie folgt: Bei einer diffusen Lüftung, bei der gereinigte und entkeimte Frischluft in ein Raumvolumen eingemischt wird, handelt es sich um eine laufende Verdünnung. Ein 1-maliger Luftwechsel unter stationären Bedingungen (ohne Emission!) bedeutet, dass sich das Luftvolumen verdoppelt (152 m³ + 152 m³) und sich bei optimaler Durchmischung bei konstanter Bakterienlast die Bakterien-Konzentration dadurch halbiert.

a) Hypothetisches Szenario bei 6-fachem Luftwechsel

Dieser Versuchsansatz wird beim Test der Luftreiniger gegen Viren heutzutage am häufigsten angewendet. Einige teils namhafte Prüfinstitute benutzen ihn. Er läuft wie folgt ab: Zu Versuchsbeginn werden feinpartikuläre Prüfaerosole in einem 1-maligen Emissionsereignis im Raum „vernebelt“. Das soll eine Freisetzung von Viren durch einen Infizierten, z.B. durch Niesen, simulieren. Die Kinetik der Reduktion der Partikelbelastung der Raumluft durch den Luftreiniger gegen Viren wird in der darauf folgenden Stunde aufgezeichnet.  Bei einem 6-fachen Luftwechsel pro Stunde halbiert sich die Partikel- bzw. die Bakterienlast im Raum im Falle keiner weiteren Emission nach dem Start theoretisch alle 10 Minuten. Innerhalb einer Stunde passiert dann theoretisch betrachtet in 10-Minuten-Intervallen (6 x /h) optimalerweise Folgendes:

100% → 50% → 25% → 12,5% → 6,3% → 3,2% → 1,6%.

Nach einer Stunde liegen rechnerisch noch etwa 1-2% der Ausgangsbelastung vor. Eine Reduktion der Partikel- und Virenlast um fast 2 Logstufen innerhalb einer Stunde ist das, was für einzelne Luftreiniger mit 6-fachem Luftwechsel vonseiten der Hersteller versprochen wird. Und mit solchen Messergebnissen unterlegt wird (hypothetischer Ansatz). Dies spiegelt allerdings nicht die Bedingungen wieder, die in der Realität gegeben sind.

b) Reales Geschehen bei 6-fachem Luftwechsel

In der Realität werden im jedem Luftaustauschintervall nämlich laufend Bakterien (oder Viren), die von den anwesenden Menschen stammen, in die Raumluft eingespeist (Emission / E). Das wirkt sich auf die Reduktionskinetik aus. Und zwar deutlich.

Innerhalb eines Luftwechselintervalls bei 6-fachem Luftwechsel /h passiert mit Emissionen (E) folgendes: 100% → 50%+E → 1/2 x (50+E)+E → 1/2 (1/2 (50+E)+E)+E usw.

In der folgenden Abbildung 3 sind die Ergebnisse des hypothetischen Ansatzes und des realistischen Ansatzes gegenübergestellt.

 

Luftreiniger gegen Viren im Test

Abb. 3: Theoretische (oben) und realistische Bakterienreduktion durch den Luftreiniger gegen Viren

 

Dieser realistische Ansatz muss anhand der vorliegenden Erkenntnisse bei der Berechnung der Virenreduktion angewendet werden. Demnach wird die „wahre“ Reduktion der virenbelasteten Partikel nicht bei 98-99% nach 60 Minuten liegen, sondern bei gerade einmal etwas über 80%. Und damit deutlich unter einer Log-Stufe.

c) Realistisches Szenario bei 10-fachem und 19-fachemLuftwechsel

In der folgenden Abbildung 4 sind die Ergebnisse des realistischen Messansatzes bei unterschiedlichen Luftwechseln gegenübergestellt.

 

Luftreiniger gegen Viren im Test

Abb. 4: Bakterienreduktion durch den Luftreiniger gegen Viren bei 10-fachem und 19-fachem Luftwechsel

 

Bei 19-fachem Luftwechsel liegt die Reduktion der Bakterien – und damit der Viren – bei 95%. Bei 10-fachem Luftwechsel erreicht man eine Reduktionsleistung innerhalb einer Stunde von knapp unter 90% und damit etwa einer Log-Stufe.

Fazit

Anthropogene Bakterien z.B. in der Klassenraumluft oder in Büros 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

Luftreiniger bieten gegen anthropogene Bakterien und damit mit großer Wahrscheinlichkeit auch gegen infektiöse Coronaviren einen Schutzfaktor analog partikelfiltrierenden FFP2-Atemschutzmasken auf, wenn eine Reduktionsleistung von 90% sichergestellt ist.  Ein Schutzfaktor analog partikelfiltrierenden FFP3-Atemschutzmasken macht Reduktionen um 1- bis 2 Log-Stufen notwendig.

Ein 6-facher Luftwechsel, wie man ihn als ausreichend zur deutlichen Senkung des Infektionsdrucks durch Coronaviren propagiert und der eine Reduktion der Viruspartikel um etwa 1 bis 2 Log-Stufen möglich machen soll, ist nicht ausreichend für eine Reduktion um 90%. Somit ist bei 6-fachem Luftwechsel ein Schutzfaktor-Analog entsprechend FFP2-Atemschutz nicht gegeben.

Zur Reduktion der Virenlast um 1 Log-Stufe (Analog FFP2) ist stattdessen ein Luftwechsel von mindestens 10-fach erforderlich. Für Reduktionsleistungen nahe 2 Log-Stufen (Analog FFP3) wären 15- bis 20-fache Luftwechsel/h unabdinglich.

Anmerkung zum Test Luftreiniger gegen Viren

Der Autor dieses Beitrags, Dr. Thomas Missel, ist promovierter Mikrobiologe (Schwerpunkt: Mykologie), bereits 20 Jahre in Hannover und Niedersachsen als Gutachter tätig und bei der IHK Hannover Öffentlich bestellt und vereidigt als Sachverständiger (seit 2008). Bestellungsgebiet bei der IHK ist: Schimmelpilze und Feuchtigkeit in Innenräumen.

Weitere Infos zu Beiträgen des Verfassers dieses Beitrags

Detailinformationen zum Schimmmelpilztest zum selbst machen:

/https://www.schimmelberatung-niedersachsen.de/informationsbeitrag-schimmelpilz-test/

Detailinformationen zum Schimmmeltest zum selbst testen:

https://www.advisan.net/produkt/schimmelpilztest-mykofund/