Schlüsselwörter
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Filter, Kabinenfilter, Atemluft, Nanopartikel, Russpartikel, Metalloxidpartikel, Mineralpartikel, Viren, Bakterien, Keime, Corona, Virenabscheidung
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Kurzbeschreibung
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Die globale Pandemie der Coronavirus-Erkrankungen hat gezeigt, dass es einen Bedarf gibt für Filter in Lüftungsanlagen, die Viren effizient beseitigen. Bestehende Filtermedien für den Virenschutz sind vor allem die Mund- und Nase bedeckenden Masken aus Vliesstoffen. Nach den gültigen Normen soll deren Abscheidegrad bei 94% (für FFP2) liegen für Partikel, die grösser sind als 600 nm - immer vorausgesetzt, dass die Maske dicht an der Haut abschliesst. Viren als Aerosol im Grössenbereich 50-150 nm werden aber von solchen Masken nur ungenügend (von aussen nach innen und von innen nach aussen) zurückgehalten, selbst wenn die Masken seitlich dicht anschliessen.
Auf Basis eines bestehenden Kabinenfilters der NanocleanAir GmbH angesichts der Corona-Pandemie soll ein Filtersystem entwickelt werden, das nebst der Eigenschaft der hocheffizienten Filtration von Feststoff-Nanopartikeln aus der Atemluft wie Russpartikel, Metalloxidpartikel und Mineralpartikel auch Viren, Bakterien und Keime, welche sich als Aerosol ähnlich wie Nanopartikel aus der Verbrennung verhalten, filtert und unschädlich macht.
Diese Filter zur Virenabscheidung sollen in Hotspots wie Fahrzeugkabinen des ÖV und sonstigen geschlossenen Räumen, in denen sich Menschen längere Zeit aufhalten müssen eingesetzt werden, um die Atemluft weitgehend frei von Nanopartikeln und Viren zu halten.
Das Projekt wurde aufgrund des Beitragsgesuchs vom 12.05.2020 genehmigt.
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Ergebnisse gemäss Vertrag
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1 Der vorgesehene Kabinenfilter ist in einem eigens dafür konstruierten kleinen Strömungskanal eingebaut, im Aerosollabor der FHNW überprüft und bezüglich seiner Partikelabscheideraten mit Verbrennungspartikeln im Grössenbereich 10-500 nm vermessen. Zulauf und Ablauf des Strömungskanals sind dabei so eingerichtet, dass im Zulauf die Vernebelung der Bakteriophagen stattfinden sowie eine Bakteriophagenprobe genommen werden kann und dass im Ablauf ebenfalls eine Bakteriophagenprobe genommen werden kann.
2 Der Messplatz ist aufgebaut und bereit für die Probenahme und Bestimmung der Konzentration der Bakteriophagen. Die Probenahme und die Bestimmung der Konzentration (durch Titrieren) soll sich an der Norm UN EN ISO 10705-1 (2001 - revidiert 2017) „Detection and Enumeration of Bacterophages“ und den generellen Richtlinien der Molekularbiologie nach Jeffrey H. Miller orientieren. Zudem sind die für die Tests notwendigen Bakteriophagen und der dazugehörige Escherichia coli Stamm bei der ATCC (American Type Culture Collection ist eine gemeinnützige Organisation, die Referenz-Mikroorganismen und Zelllinien für Forschung und Entwicklung sammelt, lagert und verteilt) eingekauft.
3 Aus den durchgeführten Tests ist die Aktivität der aus der Luftströmung vor und nach dem Filter entnommenen Bakteriophagen mit standardisierten Experimenten nachgewiesen und die Bakteriophagen sind gezählt. Aus dem Verhältnis der Anzahlkonzentrationen ergibt sich die Penetration durch den Filter resp. die inverse Grösse, der Abscheidegrad.
4 Die Entsorgung der Filterkartuschen nach Gebrauch ist geklärt.
5 Ein Schlussbericht mit Darstellung der Ergebnisse aus 1 bis 4 und dem weiteren Vorgehen ist redigiert und dem BAFU abgegeben.
6 Textbausteine, Illustrationen und mindestens 3 Fotografien (genauere Angaben s. Beilage 2) für die Verwendung in öffentlichen Publikationen sind bereitgestellt und dem BAFU abgegeben.
7 Eine Präsentation der Ergebnisse mit entsprechender Power-Point Darstellung ist dem BAFU abgegeben und kann auf Nachfrage beim BAFU vorgetragen werden.
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Projektziele
(Deutsch)
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Im vorliegenden Projekt soll der Grad der Abscheidung der Viren experimentell ermittelt werden und es soll bestimmt werden, ob eine ausreichend sichere Korrelation zwischen der Abscheidung von Feststoffpartikeln im Filtermedium (spezielle Ausführung einer HEPA 10 Qualität) und der Abscheidung der Viren besteht, wobei Bakteriophagen MS2 zum Einsatz kommen.
Zudem soll durch Literaturrecherchen geklärt werden, ob die im Filtersubstrat eingelagerten Bakteriophagen in ausreichend kurzer Zeit „von selbst“ denaturieren oder welche Methoden eingesetzt werden könnten, um diese Zeit der Rest-Aktivität zu verkürzen. Es soll auch aufgezeigt werden wie die Filterkartuschen nach Gebrauch zu entsorgen sind.
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Beschreibung der Resultate
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Mit diesem Projekt sollte der Nachweis erbracht werden, dass Viren sich als Aerosole ähnlich verhalten wie Nanopartikel aus der Verbrennung, somit auch zuverlässig durch Filtration aus der Atemluft entfernt werden können. Zu diesem Zweck wurde ein Strömungskanal aufgebaut, in dem sowohl Verbrennungs-partikel (Russ) als auch Viren freigesetzt, gleichmässig verteilt und bei definierten Strömungsbedingungen einem geeigneten Filter zugeführt werden können. Die Konzentration der Nanopartikel und Viren musste vor und nach dem Filter durch Zählung bestimmt werden, um daraus mit ausreichender Genauigkeit und Empfindlichkeit auf das Filtrationsverhalten schliessen zu können. Als erster Filter wurde der Kabinenfilter der NanoCleanAir gewählt, ein Faserfilter der HEPA-Klasse und als Surrogat für SARS-CoV2-Viren kamen die für Menschen ungefährlichen MS2 Bakteriophagen zum Einsatz. Die Verbrennungspartikel wurden nach dem SMPS-Verfahren (Grösse und Anzahl) bestimmt, die Virenkonzentration durch Kolonienbildung (plques-assay) mit Coli-Bakterien, ihren bevorzugten Wirtszellen; die analytischen Verfahren sind beide standardisiert, setzen aber grosse experimentelle Sorgfalt voraus.
Für die Nanopartikel wurde eine Abscheiderate von 99.5% erreicht, aktive Viren hat man nach dem Filter fast keine mehr gefunden, die Abscheideeffizienz liegt nahe 100%. Die Wiederholbarkeit lag im Bereich von 1%, die Nachweisgrenze bei etwa 100 Partikeln pro cm3 und bei einer sehr geringen Zahl von Viren, abhängig von den Verdünnungsprozessen. Für die Entsorgung der Filterkartuschen müssen keine besonderen Anforderungen gestellt werden, da die Aktivität der im Filter gebunden Viren mangels Wirtszellen nach ca. 48 Stunden erlischt.
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Umsetzung und Anwendungen
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Nachdem mit diesem Projekt gezeigt werden konnte, dass sich Viren durch geeignete Strömungsführung gezielt transportieren, hocheffizient filtern und de-aktivieren lassen, sind nun eine Vielzahl von praktischen Anwendungen in kritischen Expositions-Situationen möglich geworden. Dazu zählen alle Fälle, in denen Distanz zwischen Personen nicht gewährleistet werden kann und die daher heute zu den hotspots für die Ansteckung gerechnet werden müssen. Anwendungen sind im klinischen Umfeld die Transporte infizierter Patienten, Physiotherapie, Zahnarzt, im täglichen Leben Aufzugskabine, Kasse im Supermarkt, öffentliche Toilette, Coiffeur sowie Schule und Restaurant, zahlreiche Arbeitsplätze und der ö.V.
Lösungen müssen zusammen mit Spezialisten der jeweiligen Branchen erarbeitet werden. Dazu wurden Partner gesucht, und mit diesen zusammen wurde beim BAFU UTF Antrag für ein Applikationsprojekt gestellt, um diese Arbeiten möglichst ohne Unterbruch fortzusetzen. Schwerpunkte sehen wir dort, wo die Risiken hoch und zahlreich sind, für die Gesellschaft also der grösste Nutzen erzielt werden kann. Insbesondere sollen Lösungen erarbeitet werden für die Aufzugskabine, für den Zahnarzt, für kritische Arbeitsplätze und für das Klassenzimmer.
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Weiteres Vorgehen
(Deutsch)
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NanoCleanAir verfügt derzeit nicht über die Produktionsmittel, um breit anwendbare Lösungen zeitnah umzusetzen. Die erforderlichen Schlüssel-Komponenten wie Filter, Katalysatoren und Ventilatoren sind zwar in anderen Anwendungen verfügbar, aber die Ventilationsindustrie muss umlernen, nämlich weg von turbulenter Verdünnung und hin zu laminarer Verdrängung und muss zusätzlich zur üblichen Filtration von Stäuben nun auch die Eliminierung vom Keimen in ihre Konzepte einbeziehen. Dieser Übergang wird am besten und schnellsten durch Schulung und Consulting vollzogen, woraus sich auch die Notwendigkeit des Engineerings und der Weiterentwicklung ergeben wird, denn für die breite Umsetzung spielen Raumbedarf, Energiebedarf und Kosten eine entscheidende Rolle. Die Anpassung der grossindustriell verfügbaren Komponenten auf die neuen Anwendungen zur Elimination von Keimen stellt neue Anforderungen. In der gesamten Lieferkette müssen die Parameter von Entwicklung, Fertigung und Vertrieb darauf abgestimmt und optimiert werden. In diesem Prozess ergibt sich eine wichtige Rolle für NanoCleanAir dank ihrer Expertise in der Aerosoltechnik und dem Verständnis biologischer Vorgänge. Gleichzeitig ergibt sich die Gelegenheit, aus der nun bestehenden „Virenkanal“-Analytik ein Qualitätskontroll-Verfahren zu entwickeln und als Dienstleister die Prüfungen von Viren-Inaktivierungsverfahren anzubieten.
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