Healthy Air Initiative: Corona-Beratungszentrum

Korrespondenz:

Dr.-Ing. Dipl.-Phys. Udo Gommel, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Nobelstrasse 12; 70569 Stuttgart; E-Mail: udo.gommel@ipa.fraunhofer.de

Dr.-Ing. Dipl.-Phys. Udo Gommel Dr.-Ing. Dipl.-Phys. Udo Gommel startete nach dem Physikstudium seine wissenschaftliche Karriere bei der FhG. Er setzte Schwerpunkte in reinheitstechnischer Planung, reinraumtauglichen Werkstoffen, Fertigungs- und Automatisierungssystemen. Zwischenzeitlich leitet er die Abteilung „Reinst- und Mikroproduktion“ sowie den Bereich „Intelligente Automatisierung und Reinheitstechnik“ und ist in diversen Richtlinienausschüssen (VDI, DIN, CEN, ISO, ECSS) – u. a. beim VDI als Fachausschussvorsitzender „Reinraumtechnik“ – aktiv.

Dipl.-Ing. Guido Kreck Dipl.-Ing. Guido Kreck studierte an der Universität Stuttgart Luft- und Raumfahrttechnik mit Schwerpunkt Strömungslehre und Leichtbau. Seit 2006 beschäftigt er sich als Projektleiter am Fraunhofer IPA mit der partikulären Reinheit von Produkten. Das Thema der Kontrolle von luftgetragenen Partikeln spielt dabei branchenübergreifend eine zentrale Rolle – von der Halbleiterindustrie über Life-Science-Branchen wie Pharma- und Medizintechnik bis hin zur Raumfahrtindustrie. In der aktuellen Pandemie lassen sich diese Arbeiten auf die Kontrolle von SARS-CoV-2-Aerosolen übertragen.

M.Sc. Daniel Benz M.Sc. Daniel Benz studierte an der Universität Stuttgart Luft- und Raumfahrttechnik mit den Schwerpunkten Entwicklung, Konstruktion und Materialien. Seit 2017 beschäftigt er sich am Fraunhofer IPA mit modernster Messtechnik im Themenfeld der partikulären Kontaminationen von Raumfahrt- und Halbleiterprodukten.

Zusammenfassung

Die SARS-CoV-2-Pandemie und deren massiver Einfluss auf das gesellschaftliche Leben, verbunden mit fundamentalen Veränderungen im Arbeitsumfeld, veranlassten die Baden-Württembergische Landesregierung im Febr. 2021, das integrierte Beratungs- und Forschungsprogramm „Healthy Air Initiative (HAI)“ ins Leben zu rufen. Dieses wird von einem Konsortium aus 3 Fraunhofer-Instituten am Stuttgarter Forschungsstandort durchgeführt. Die Healthy Air Initiative umfasst 2 Schwerpunkte, zum einen das „HAI-Beratungszentrum (HAI-BZ)“, zum anderen die Erstellung eines Expertenpapiers „Aerosol Control of Dangerous Contaminants (ACDC)“, das die Wirkungsweise von mobilen Luftreinigern untersucht. Fokus dieses Beitrags ist das Beratungszentrum, in welchem die Leistungen bei der Realisierung von geeigneten Lüftungskonzepten sowie die Bereitstellung und der Betrieb von realen Testumgebungen zur Bewertung der Effektivität von Luftreinigungstechnologien durchgeführt werden.

Einleitung

Die meisten Infektionen mit dem Coronavirus SARS-CoV-2-Erreger erfolgen über die Ausbreitung von virushaltigen Aerosolen, deren respiratorische Tröpfchen über die Atmung aufgenommen werden [1–3].

Der erste sinnvolle Schritt zur Eindämmung der Zahl der abgegebenen Viren von infizierten Personen erfolgt deshalb bereits an der Viren-Emissionsquelle, dem Mund- und Nasenbereich. Allein mit Mund-Nase-Bedeckungen kann allerdings nicht ausgeschlossen werden, dass Virusaerosole in die Umgebung gelangen. Besonders in geschlossenen Räumen können sich die infektiösen Aerosole über Stunden halten. Hier hilft häufig nur die Abreicherung der Viruskonzentration mit technischen Hilfsmitteln, z. B. mobilen Luftreinigungsgeräten [4–7].

Festinstallierte Luftreinigungssysteme lassen sich in leistungsstärkeren Ausführungen und größeren Dimensionen hocheffizient konzipieren und realisieren. In Bestandsgebäuden sind sie jedoch meist nur mit erheblichem Aufwand nachzurüsten. Hier stellen mobile Luftreinigungsgeräte eine Alternative dar, besonders mit Blick auf die notwendige sehr schnelle Umsetzbarkeit. Da es viele Geräte mit unterschiedlichen Wirkprinzipien¹⁾ auf dem Markt gibt [7], steht die Bewertung der Effektivität dieser Geräte im Fokus. Ziel ist es, den Endnutzer bei der Auswahl eines Systems zu unterstützen, damit er ein für seine Situation bestmöglich geeignetes Gerät auswählen kann. Bei der Effektivitätsbewertung der Luftreinigungsgeräte wird nicht nur die durch die Luftreiniger erzielte Reduktion der luftgetragenen Aerosolteilchen untersucht, sondern – je nach Funktionsweise des Luftreinigers – auch die Virenabreicherung, die Emission von unerwünschten chemischen Beiprodukten oder auch die Schallemission der Geräte [5].

Sowohl die vorhandene Fachexpertise in der Reinraum- und Reinheitstechnik als auch die an den 3 Fraunhofer-Forschungsinstituten IPA, IBP und IGB verfügbaren Analysetechniken stellen Grundvoraussetzungen dar, um die Bestandsinfrastruktur und die zur Verfügung gestellten Forschungsmittel sofort für die Entwicklung einer Bewertungsmethodik und die anschließende Durchführung der messtechnischen Analysen einzusetzen.

Ziele des HAI-BZ

Das HAI-BZ richtet sich an mehrere Zielgruppen:

• Unternehmen: Diese erhalten eine Beratung zu Reinheitskonzepten, Hinweise zu Anforderungen oder eine Begleitung bei der Umsetzung.

• Hersteller von Luftreinigungsgeräten: Diese erhalten eine Beratung zu Anforderungen an Geräte oder Nachweise hinsichtlich deren Wirksamkeit.

• Anfragende: Diese erhalten Hintergrundinformationen – von der Ausbreitung des Sars-CoV-2-Virus über die Raumluft bis zu Technologien der Raumluftreinigung und deren Anwendung.

Die schnelle Eingreiftruppe des Fraunhofer-Konsortiums

Die Schnelligkeit der Umsetzung steht in der erfolgreichen Pandemiebekämpfung an oberster Stelle. Für die Durchführung vergleichender und belastbarer Ergebnisse wurde eine reinheitstechnisch kontrollierte Referenzumgebung am Fraunhofer-Campus in Stuttgart aufgebaut. Hierzu wurde das Fraunhofer-System CAPE® (Clean And Protective Environment) genutzt. Es handelt sich um eine mobile, flexible, anpassbare und in beliebige Raumsituationen integrierbare Reinraumumgebung. Diese wurde in einen während der Pandemiezeit ungenutzten großen Hörsaal millimetergenau eingepasst. Nach Abschluss der Tests sind alle Materialien der CAPE-Prüfumgebung einfach und schnell dekontaminierbar.

Aufbau der Prüf- und Testumgebung

Reinheitstechnisch wurde ein klassisches Umluftsystem mit reduziertem Frischluftanteil umgesetzt. Dies erlaubt die hocheffiziente Filtration von partikulären, chemischen und virenaktiven Substanzen. Hierzu wurden sowohl Filtermedien zur Abscheidung gasförmiger Substanzen (VOC²⁾, Säuren, Basen) eingesetzt als auch (optional) eine UVC-Bestrahlung der zugeführten bzw. abgesaugten reinheitstechnisch vorgereinigten Luft. Sie dient der Virenabreicherung vor dem Eintritt des Luftvolumens über das textile Druckplenum in den Prüfraum. Sofern spezifische Prüfumgebungen dies erfordern, erfolgt eine Kombination aus Über- und Unterdruckfunktion, um sowohl die spezifizierte Innenraumluftqualität als auch einen Umgebungsschutz um das CAPE zu erreichen (Abb. 1).

Abbildung 1: Schema der Referenz-Reinraumumgebung zur Bewertung unterschiedlicher Luftreiniger (Quelle aller Abbildungen: Fraunhofer IPA).

Diese Konstellation eines extrem niedrigen kontaminationstechnischen Grundrauschens (also der Bereitstellung einer reproduzierbaren, nahezu Partikel-, Viren- und Chemikalien-freien Testumgebung) ermöglicht es, alle detektierten Kontaminationen eindeutig dem zu vermessenden Luftreinigungsgerät zuschreiben zu können. Dies stellt eine Grundvoraussetzung für eine Methodik dar, die wissenschaftlich belastbare und vergleichbare Ergebnisse liefert [8].

Um sich bei der Bestimmung der Virenabreicherung von Luftreinigungsgeräten die Option zu bewahren, nicht nur mit für Menschen harmlosen Virensurrogaten, sondern stattdessen auch mit potenziell infektiösen Viren arbeiten zu können, wird eine UVC-Sterilisation über eine Luftstrecke integriert (blau dargestellte Einheit in Abb. 1). Die Einregelung als Umluftsystem bietet in Kombination mit der UVC-Bestrahlungseinheit ein hohes Maß an Sicherheit, sodass alle potenziell gefährlichen virenbasierten Kontaminationen deaktiviert werden. Im Innenraum der Prüfumgebung wird vom Luftplenum zu den bodennahen Abströmbereichen eine gerichtete, turbulenzarme Strömung realisiert, die Querkontaminationsrisiken auf ein Minimum reduziert.

Mit diesem System werden Luftreinheiten der Klasse 3 (gem. DIN EN ISO 14644-1) und besser erreicht. Nach VDI EE 4300 Blatt 14 stellt dies eine geeignete Umgebung dar, um zu ermitteln, wie effektiv ein mobiles Luftreinigungsgerät die aufgebrachten Aerosole abreichern kann [8, 9].

HAI-Prüfumgebung – vom Hörsaal zum High-Tech-Labor in wenigen Tagen

In Abb. 2 ist die Umwidmung des Hörsaals zu einem ca. 100 m² großen Reinraumbereich zu sehen, in welchem unterschiedliche Reinheitszonen und strömungstechnisch abgetrennte Bereiche realisiert wurden. Die unterschiedlichen Reinheitszonen dienen dem Zweck der zeitgleichen, parallelisierten Durchführung von Virenabscheide- und Partikelreduktionstests.

Abbildung 2: Umwidmung eines mit Teppichboden und Echtholzwänden versehenen Hörsaals zu einem europaweit einzigartigen Prüflabor, ausgestattet mit Reinraum- und Reinheitstechnik sowie neuester Mess- und Analysetechnik.

Als weitere Option zur realitätsnahen, repräsentativen Emulation von personenbesetzten Meetingräumen wurden Test-Dummies eingesetzt, die mit künstlichen Wärmelasten ausgestattet sind (Abb. 3). Diese Konstellation lässt die wissenschaftliche Betrachtung der Wechselwirkungsmechanismen von personenbedingten Thermolasten auf die Strömungsverhältnisse und damit die Virenausbreitung über Aerosole zu.

Abbildung 3: Beheizbare Test-Dummies zum Nachweis der Veränderung der Strömungsverhältnisse in einem vollbesetzten Meetingraum.

Durchführung der Tests auf Abgabe chemischer Verunreinigungen

Die Prüfumgebung erlaubt die reinheitstechnische Bewertung der zur Verfügung gestellten Luftreinigungsgeräte auf die Abgabe von unerwünschten Beiprodukten – z. B. Ozon, Ketone, Aldehyde, Weichmacher, TVOC³⁾, VOC und SVOC⁴⁾ mit TD-GC/MS⁵⁾-Analysetechnik. Hierzu werden an repräsentativen Raumbereichen gaschromatographische Untersuchungen durchgeführt.

Flüchtige organische Verbindungen werden mittels aktiver Probenahme auf einem geeigneten Adsorber-Material und anschließender thermischen Desorption und Analyse mittels Gaschromatograph quantifiziert, gekoppelt mit Massenspektroskopie (ATD-GC/MS) gemäß ISO 16000-6 bzw. 16017-1. Das möglicherweise entstehende Beiprodukt Ozon wird mittels eines Ozonmonitors zunächst minütlich aufgezeichnet und anschließend über eine Stunde gemittelt. Gasförmige Aldehyde und Ketone werden mittels aktiver Probenahme auf Dinitrophenylhydrazin(DNPH)-Kartuschen und anschließender Elution und Analyse durch Flüssigkeitschromatographie (UPLC) gemäß ISO 16000-3 quantifiziert [10–12].

Aerosolisierung von Partikeln

Die Generierung von Prüfaerosolen erfolgt mittels eines Aerosolgenerators. Um die Abscheiderate des Luftreinigungsgeräts beurteilen zu können, ist ein geeignetes Prüfaerosol nötig. In DIN EN ISO 14644 Blatt 3 werden typische künstlich erzeugte Prüfaerosole genannt. Bedingt durch den niedrigen Dampfdruck zeigt Di-Ethyl-Hexyl-Sebacat (DEHS) bei Raumtemperatur eine größere Langzeitstabilität im Vergleich zu alternativen Substanzen auf. Aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften, Polydispersität, Langzeitstabilität und dem geringen Risiko für das Testpersonal wurde das Prüfaerosol DEHS zur Qualifizierung von mobilen Luftreinigern ausgewählt [9, 13–15].

Zur ortsaufgelösten Detektion räumlich schwankender Aerosolkonzentrationen werden bis zu 12 optische Partikelzähler (OPZ) eingesetzt. Diese werden sowohl an unterschiedlichen Raumpunkten als auch in voneinander abweichenden Raumhöhen positioniert. Die hier verwendeten Partikelzähler detektieren im Partikelgrößenbereich von 0,2 μm bis ca. 20 μm.

Aerosolisierung von Surrogatviren

Zur Zerstäubung der Partikelsuspensionen kommen zur besseren Suspensionsdurchmischung Aerosolgeneratoren zum Einsatz, die mit Magnetrührern versehen sind. Anstelle des hochpathogenen SARS-CoV-2 kommen mehrere Viren als Surrogate infrage, die vergleichbare physikalische Eigenschaften haben. Hier wurden Phi6-Bakteriophagen, die mit ihrer Membranhülle und dem RNA-Genom dem SARS-CoV-2 sehr ähnlich sind, für die Prüfung ausgebracht. Diese Bakteriophagen wurden in Kultur genommen; dann wird ein skaliertes Verfahren auf Basis einer Flüssigkultur etabliert, um eine möglichst effiziente Herstellung einer großen Menge von Surrogatviren, wie sie für die Testung benötigt wird, dauerhaft zu gewährleisten. Zur Bestimmung der virenbelasteten Aerosolkonzentration werden zunächst Bio-Aerosole mit einem Luftkeimsammler auf einer Gelatinemembran gesammelt, die in der Folge gelöst und ausgewertet werden. Die Bakteriophagen im Raum werden zu definierten Zeitpunkten mittels Impaktions- und Filtrationsverfahren analysiert und bewertet.

Räumliche Anordnung der Prüfsystemkomponenten

Der Versuchsaufbau erfolgt in Anlehnung an DIN ISO 16000-36, realitätsnah angepasst an die virenspezifischen Anforderungen. Zur Bestimmung der Virenabreicherungseffektivität wurde das zu bewertende Luftreinigungsgerät bodennah zwischen Aerosolgenerator und Luftkeimsammler platziert (Abb. 4) [16].

Abbildung 4: Räumliche Positionierung eines Luftreinigungsgeräts in der CAPE-Prüfumgebung mit Aerosolgenerator, Sensortechnik und Partikelzähler.

Die Bakteriophagen werden im definierten Abstand vor dem Einlass des Gerätes in den Raum eingebracht. Zunächst erfolgt die Dosierung ohne Einschalten des Gerätes, um eine hohe Phagenlast im Raum zu erreichen. Im nächsten Zeitabschnitt wird die stetige Zudosierung der Phagen fortgesetzt, zusätzlich jedoch auch das Luftreinigungsgerät in Betrieb genommen, sodass die Phagenreduktion bestimmt werden kann. Im abschließenden Zeitintervall wird ausschließlich das Luftreinigungsgerät betrieben – zur Ermittlung der Abreicherungsleistung. Über die gesamte ca. dreistündige Prüfzeit hinweg erfolgt eine kontinuierliche Erfassung der Partikelverteilung im Raum, der Temperatur und der Feuchte.

Die optischen Partikelzähler messen minütlich die ortsaufgelöste Partikelkonzentration. Dabei werden sowohl einzelne Viren (Virengröße ca. 100 nm) in der Luft als auch im Aerosol agglomerierte Viren (ca. 1–3 μm Partikelgröße) detektiert.

Die Bakteriophagen werden mittels Luftkeimsammler auf Gelatinemembran aus der Raumluft gesammelt, analog zu DIN ISO 16000-16. Aufarbeitung und Auswertung dieser beaufschlagten Gelatinemembranfilter erfolgt in Anlehnung an DIN ISO 16000-17. Die anschließende mikrobielle Analyse im Labor wird mittels der Methode des Plaque-Assays bestimmt [17, 18].

Methodenvalidierung

Die Reinheit des Versuchsraums wurde vor und nach dem Versuchsansatz (Negativkontrolle) untersucht, bei der jeweils keine aktiven Phi6-Bakteriophagen nachgewiesen werden konnten. Im Rahmen der Methodenvalidierung wurde in unterschiedlichen Versuchs-Settings der Aufbau festgelegt, mit dem zum einen eine effektive Abreicherung der Surrogatviren und zum anderen die Übertragbarkeit auf Versuche mit unterschiedlichen Raumluftreinigern erreicht wurden. Aerosolgenerator und Sensortechnologie wurden dabei auf einer Höhe von 1,25 m angebracht, was der normalen Sitzhöhe entspricht. Der Abstand des Aerosolgenerators zur Probenahme (1,80 m) bzw. zur Sensortechnologie (1,50 m) ist für alle Versuche vergleichbar.

Die unterschiedlichen Raumluftreiniger wurden jeweils mittig zwischen Aerosolgenerator und Aerosolprobenahme platziert, wobei die Zuluft des Luftreinigers in Richtung des Aerosolgenerators zeigt bzw. die Abluft in Richtung der Probenahme. Im Rahmen der Methodenetablierung sind weitere Partikelmessgeräte zum Einsatz gekommen, um die Partikelverteilung im Raum zu untersuchen. Die Reproduzierbarkeit des definierten Versuchsaufbaus wurde ebenfalls bestätigt.

Die Methode zur Bewertung von mobilen Luftreinigungsgeräten wurde in der aufgebauten CAPE-Infrastruktur entwickelt und validiert. Das Versuchs-Setting gliedert sich in 3 unterschiedliche Phasen:

• Phase 1: Zerstäubung (Aerosolgenerator EIN, Luftreiniger AUS), blau

• Phase 2 und 3: Luftreinigung während Zerstäubung (Aerosolgenerator EIN, Luftreiniger EIN), grün

• Phase 3: Luftreinigung ohne Zerstäubung (Aerosolgenerator AUS, Luftreiniger EIN), orange

Die relevanten Abbildungen zeigen repräsentative Ergebnisse der Abreicherung aktiver Phi6-Bakteriophagen (Abb. 5) bzw. Partikel (Abb. 6) mit einem Raumluftreiniger.

Abbildung 5: Repräsentatives Ergebnis der Analyse eines Luftreinigers: Abreicherung von Surrogatviren vor und während der Luftreinigung.

Abbildung 6: Repräsentatives Ergebnis der Analyse eines Luftreinigers: Partikelabreicherung vor und während der Luftreinigung.

Die Abreicherung der Surrogatviren zeigt in der repräsentativen Auswertung (Aerosolisierung = AUS, Luftreiniger = EIN) eine Abreicherung von knapp 2 Zehnerpotenzen.

Mit dem Start der Bewertung des repräsentativen Luftreinigungssystems nimmt während der ersten Zeitphase P1 über 60 Minuten die Partikelkonzentration in allen Partikelgrößenkanälen schnell zu – bei gestarteter Partikelaerosolisierung und ausgeschaltetem Luftreiniger. Sobald in der Zeitphase P2 zwar die stetige Partikelaerosolisierung noch in Betrieb ist, der Luftreiniger jedoch ebenfalls eingeschaltet wurde, ist ein typischer rascher Partikelkonzentrationsabfall zu verzeichnen. Die Zeitphase P3 zeigt die Einstellung eines Gleichgewichtszustands, sodass auch bei einer weiter andauernden Luftreinigung bei gleichzeitiger aktiver Partikelaerosolisierung keine Verbesserung der Luftqualität mehr zu erwarten ist. Mit Start der Zeitphase P4, dem Abschalten der Partikelaerosolisierung, werden die noch vorhandenen Partikel zügig durch das eingeschaltete Luftreinigersystem abgeschieden.

Fazit und Ausblick

Die Pandemie hat in Bezug auf die Raumlüftung viele Fragen aufgeworfen. Diese reichen vom Stoßlüften von Räumen über Anschaffungs- und Betriebskosten von Luftreinigungsanlagen, Realisierungszeiten, Schallemissionen, der Abgabe unerwünschter chemischer Beiprodukte und Akzeptanzkriterien bis hin zum Kernpunkt der Thematik: der Lüftungseffektivität und damit der Wirksamkeit des Abtransports von gesundheitsschädlichen Viren. Um Erkenntnisse zu diesen Kernpunkten zu gewinnen, wurde die Healthy Air Initiative des Landes Baden-Württemberg initiiert.

Zukünftig sollen die Ergebnisse und Ableitungen aus der Healthy Air Initiative nicht nur auf Versammlungsstätten und Arbeitsbereiche fokussiert bleiben, sondern durch die Fraunhofer-Institute IPA, IGB und IBP auch auf öffentliche Bereiche wie Kinos, Schulen oder auch kleinere Privaträume übertragen werden. In einer „Post-Corona-Zeit“ wird sich das Hygieneverständnis nachhaltig verändern und die Erkenntnisse werden sich in den täglichen Abläufen und Verhaltensweisen widerspiegeln.

Literatur

Alle Links wurden zuletzt am 11.11.2021 geprüft.

Verweise