Virenfiltersysteme im Einsatz (Technische Lösungen zur Minimierung der Ansteckungsgefahr durch SARS-CoV-2- Viren in kritischen Expositionen)

• Research unit: FOEN
• Project number: UTF 655.03.21

Key words (German)

Virenfilter, SARS-CoV-2-Viren, Virenfiltersysteme

Short description (German)

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 soll angesichts der Corona-Pandemie ein Virenfiltersystem entwickelt werden, das nebst der Eigenschaft der hocheffizienten Filtration von Feststoff-Nanopartikeln auch Viren, Bakterien und Keime, welche sich als Aerosol ähnlich wie Nanopartikel aus der Verbrennung verhalten, aus der Atemluft filtert und unschädlich macht.
Dieses Virenfiltersystem zur Virenabscheidung soll in verschiedenen Anwendungsbereichen wie Aufzugskabinen, bei Band-Arbeitsplätzen (z.B. MICARNA), in Medizinalpraxen (Zahnarzt, Spital) und sonstigen geschlossenen Räumen wie Schulen, Restaurants, Clubs, in denen sich Menschen längere Zeit aufhalten, zum Einsatz kommen.
In einer soeben abgeschlossenen Machbarkeitsstudie (siehe Schlussbericht zum Projekt UTF 636.15.20) wurde gezeigt, dass mit einem Glasfaserfilter eine hohe Abscheideeffizienz der Viren erreicht werden kann. Nun kann die Entwicklung eines Virenfiltersystems für verschiedensten Anwendungsbereichen angegangen werden. Die ausgeatmete Luft soll über den Köpfen der Menschen nach oben abgesaugt werden und dann anhand einer Filtration gereinigt werden. Dieses einzigartige Virenfiltersystem besteht somit aus zwei Komponenten: einer optimierten Strömungsführung der Luft und einer Virenfilterstufe.
Die Virenfilterstufe soll zwei verschiedene nachgeschaltete Filtermedien beinhalten: zuerst ein Filter für die groben Partikel (>300 nm), die durch den Aufprall bei grösserer Strömungsgeschwindigkeit abgeschieden werden und dann ein Filter für die kleineren Partikel «300nm) die durch Diffusion und bei tieferer Strömungsgeschwindigkeit abgeschieden werden. So wird der Filter für die kleineren Partikel nicht durch die grösseren Partikel verstopft. Der zweite Filter wird ein keramischer Zellenfilter sein. Dieser Filter wird bereits für die Filterung von Dieselabgasen benützt und ist durch seine hohe Zellendichte sehr kompakt in der Bauweise und kostengünstig erhältlich. Vergleichbare Faserfilter, die auf dem Markt erhältlich sind brauchen ungefähr zehn Mal mehr Bauraum für die gleiche Filtereffizienz.
Zudem ist vorgesehen, die Virenfilterstufe der NanoCleanAir mit einem Regenerationssystem zu koppeln, das heisst, dass die Filter zur Reinigung nach Bedarf erhitzt werden können. Mit dieser Regenationsmethodik, die in den Partikelfiltern für Dieselmotoren schon sehr gut erprobt ist, wird dank dem langlebigen verwendeten Material für den Filter (Quarzfaser oder Keramik) eine zeitlich fast unbegrenzte Nutzungsdauer möglich und Filterelemente müssen nicht alle 6-24 Monate ersetzt werden, wie in bisherigen Luftreinigungssystemen.
Das Projekt wurde aufgrund des Beitragsgesuchs vom 29.10.2020 an der Sitzung der Koko UT vom 26.11.2020 genehmigt.

Results according to contract (German)

1. Resultate zum Verhalten der anorganischen und organischen Aerosole bei hoher Luftfeuchtigkeit liegen vor. Zudem sollte klar sein, ob eine Deaktivierung der auf dem Filter sich niederschlagenden Viren erforderlich ist und wie diese Deaktivierung geschehen soll. Die zweistufige Virenfilterstufe sollte vor dem Praxiseinsatz auf dem Testprüfstand mit Bakteriophagen getestet werden. Erste Abschätzungen zum Langzeitgebrauch der Virenfilterstufe sollten vorliegen und klare Anleitungen wie diese zu reinigen und nach dem Gebrauch zu entsorgen sind, formuliert werden. Eine wissenschaftliche, technische Projektbegleitgruppe sollte sich formiert haben. (Meilenstein 1)
2. Ein Prototyp wurde entwickelt und steht bei MICARNA für längere Dauer (> 2 Wochen) im Testbetrieb. Die Energiebilanz des Prototyps liegt vor und die Details zu den Massnahmen, die getroffen wurden, um das System so energieeffizient wie möglich zu betreiben, sind bekannt. (Meilenstein 2)
3. Nach dem Erreichen von 2 wird mit Unterstützung des BAFUs ein wissenschaftliches Kolloquium mit der erweiterten Projektbegleitgruppe durchgeführt. Die Projektbegleitgruppe wird erweitert durch Vertreter von Bundesämtern, Fachverbänden und NGO's. Diese Projektbegleitgruppe wird bei jedem weiteren Meilenstein beigezogen.
4. Ein weiterer Prototyp für einen anderen Anwendungsbereich ist entwickelt und steht für längere Dauer (> 2 Wochen) im Testbetrieb. Die Energiebilanz des Prototyps liegt vor und die Details zu den Massnahmen, die getroffen wurden, um das System so energieeffizient wie möglich zu betreiben, sind bekannt. (Meilenstein 3)
5. Ein weiterer Prototyp für einen weiteren Anwendungsbereich ist entwickelt und steht für längere Dauer (> 2 Wochen) im Testbetrieb. Die Energiebilanz des Prototyps liegt vor und die Details zu den Massnahmen, die getroffen wurden, um das System so energieeffizient wie möglich zu betreiben, sind bekannt. (Meilenstein 4)
6. Ein weiterer Prototyp für einen weiteren Anwendungsbereich ist entwickelt und steht für längere Dauer (> 2 Wochen) im Testbetrieb. Die Energiebilanz des Prototyps liegt vor und die Details zu den Massnahmen, die getroffen wurden, um das System so energieeffizient wie möglich zu betreiben, sind bekannt. (Meilenstein 5)
7. Ein weiterer Prototyp für einen weiteren Anwendungsbereich ist entwickelt und steht für längere Dauer (> 2 Wochen) im Testbetrieb. Die Energiebilanz des Prototyps liegt vor und die Details zu den Massnahmen, die getroffen wurden, um das System so energieeffizient wie möglich zu betreiben, sind bekannt. Ein Schlussbericht mit Darstellung der Ergebnisse aus 1 bis 7 und dem weiteren Vorgehen ist redigiert und dem BAFU abgegeben.
8. Textbausteine, Illustrationen und mindestens 3 Fotografien (genauere Angaben s. Beilage 2) für die Verwendung in öffentlichen Publikationen sind bereitgestellt und dem BAFU abgegeben.
9. Eine Präsentation der Ergebnisse mit entsprechender Power-Point Darstellung ist dem BAFU abgegeben und kann auf Nachfrage beim BAFU vorgetragen werden.

Project aims (German)

Fünf Prototypen von Virenfiltersystemen, die eine optimierte Strömungsführung der Luft und eine effiziente Virenabscheidung ermöglichen, sollen für fünf verschiedene Anwendungsbereiche entwickelt werden und zum Einsatz kommen. Anwendungsbereiche sind zum Beispiel Aufzugskabinen, Zahnarztpraxen, Coiffeur, Band-Arbeitsplätze, Ambulanzen, Schulen, ÖV und Flugzeuge.

Ziel ist es, zu prüfen, ob der Einsatz der mobilen Einheiten («Baldachine») in offenen Mehrpatientenbereichen zu einer Reduktion der Weiterübertragung von SARS-CoV-2 bei Platzisolation führt. Sollte sich diese Intervention als erfolgreich herausstellen, wäre das Potential für einen Einsatz auch bei anderen ansteckenden Krankheiten (wie z.B. Masern und Varizellen) gross.

Description of results (German)

Alle NCA Mitarbeiter waren zuvor massgebend an Forschung und Entwicklung zur Einführung der Partikelfilter für Fahrzeugmotoren beteiligt, also an der Elimination krebserzeugender Nanopartikel. Es war für diese Aerosol-Experten daher naheliegend, bei Auftauchen der Pandemie durch SARS-CoV-2-Viren, die nahezu gleichgross sind wie motorische Russpartikel, sofort den Diesel-Partikelfilter, als hocheffizientes Element zur Reinigung der Atemluft von diesen pathogenen Biopartikeln einzusetzen. Zu diesem Zweck wurde die NCA im März 2020 gegründet.

Nach einer gezielten Anpassung der Porenstruktur konnte in einem Vorprojekt zusammen mit der Uni Fribourg gezeigt werden, dass diese Viren zu 99.9 % abgeschieden, gebunden und nach 24 Stunden deaktiviert werden. Zur Vermeidung von Ansteckungen ist es aber erforderlich, den belasteten Luftstrom so zu führen, dass er gefiltert wird, bevor er eine zweite Person erreicht. Die in umfangreichen Strömungssimulationen entwickelte Lösung liegt in der laminaren, vertikal nach oben gerichteten Luftführung. Mit diesen beiden Kernelementen der NCA-Technologie, die zum Patent angemeldet wurden, war der Weg frei für die Untersuchung von wichtigen Anwendungen, wofür das Hauptprojekt beantragt und im April 2021 bewilligt wurde:

Ein Schulzimmer wurde ausgerüstet, eine Liftkabine und zusammen mit dem Inselspital wurde ein Infektionsschutz am Krankenbett, der sog. Baldachin entwickelt. In allen Fällen konnte ein Schutz gegen Ansteckung >95% nachgewiesen werden, die Prototyplösungen wurden sehr gut aufgenommen und sind erfolgreich im Dauereinsatz. Darüber hinaus kommt diese Technologie nun auch bereits kommerziell für Reinräume und Lufteinigung von Wohnhäusern an Verkehrsstrassen zum Einsatz.

Transfer and application (German)

Mit dieser neuen Technologie können gleichzeitig krebserzeugende Nanopartikel aus dem Verkehr und im Innenraum erzeugte pathogene Keime wie Viren, Bakterien und Pilze eliminiert werden; CO₂ ist regelbar. Der Einsatzbereich ist breit: Luftreinhaltung im Innenraum, in Kabinen von Fahrzeugen, Bussen, Flugzeugen, Bahnen, Infektionsschutz am Krankenbett, Arztpraxis, Kasse und Schalter. Die technischen Elemente wie Filter, Absaug- und Rückführsysteme, geräuscharme Ventilatoren und Überwachung sind modular aufgebaut, sind somit in unterschiedlichen Strukturen einsetzbar. Berechnungsmodelle zur Bewertung von Festigkeit, Akustik und Strömung wurden erarbeitet. Diese Filter altern nicht und können durch Rücksaugen einfach gereinigt werden, dies im Gegensatz zu Faserfilter heutiger Bauart, die regelmässig ausgetauscht und entsorgt werden müssen. Dadurch werden die Gesamtkosten über die Laufzeit vermindert und die Bedingungen der Nachhaltigkeit und der Kreislaufwirtschaft erfüllt. Das System ist in mehreren Ausführungsformen CE-geprüft. Dank modularen Aufbaus ist die Anwendung auch bei kleinen Stückzahlen sinnvoll und an gegebene Verhältnisse anpassbar.

Follow up (German)

Aus der Fülle der Anwendungs-Möglichkeiten musste die NCA nun solche herausgreifen, für die kurzfristig ein zwingender Grund zum Einsatz von Innovationen besteht. Bei der Luftreinigung im Innenraum ist das bisher nicht der Fall, da die Behörden Nanofiltration bisher weder in Innenräumen wie Schulen, noch in Fahrzeugkabinen umsetzen. Interviews mit Entscheidungsträgern im Spitalbereich in der Schweiz und USA haben aber ergeben, dass die Verbesserung des Schutzes gegen Ansteckungen durch luftgetragene Keime wie Viren auch bei modernsten Spitälern weltweit hohe Priorität geniesst, denn wenn man ein Krankenbett durch einen solchen Zonenschutz absichern kann, können Mehrbettanlagen (Aufwachräume, Pädiatrie, Notfallbereich, Intermediate Care, Dialyse) selbst bei Epidemien erhalten bleiben statt auf Einzelzimmer ausweichen zu müssen. Der Fokus liegt also beim Baldachin, für den bereits ein erster LOI vorliegt. Anlauf der operativen Phase mit 4-5 Mitarbeitern ist auf Anfang 2025 geplant. Eine Fertigung für Anlaufstückzahlen ist eingerichtet, Zulieferverträge für Schlüsselelemente sind abgeschlossen, IP-Absicherung besteht durch zwei Patente. NCA ist bereit für Investitionen.

Publications / Results (German)

Rüggeberg, T., Milosevic, A., Specht, P., Mayer, A., Frey, J., Petri-Fink, A., Burtscher, H., Rothen-Rutishauser, B. (2021). A Versatile Filter Test System to Assess Removal Efficiency for Viruses in Aerosols. Aerosol Air Qual. Res. 21, 210224.

A.Mayer, J.Mayer, H.Burtscher, J.Czerwinski, Th.Lutz, R.Mayer; B.Rothen-Rutishauser; J.Frey; Chr.Lämmle, T.Rüggeberg, P.Specht: Nanofiltration combined with laminar vertical flow to minimize virus infection risk. Proceedings FILTEC 2022 – Köln 8. – 10. März 2022.

J.Czerwinski, A.Mayer, J.Mayer, H.Burtscher, Th.Lutz,  R.Mayer, B.Rothen-Rutishauser, J.Frey, Chr.Lämmle, T.Rüggeberg, P.Specht : Nanofiltration must be combined with laminar vertical flow to minimize virus infection risk. Proceedings of the WFC 13 (World Filtration Congress), Oct. 6-9,2022, San Diego, USA.

J.Czerwinski,  A.Mayer, J.Mayer, H.Burtscher, Th.Lutz,  R.Mayer, B.Rothen-Rutishauser, J.Frey, Chr.Lämmle, T.Rüggeberg, P.Specht : Minimizing infection risks with automotive exhaust gas nanofiltration and with laminar vertical flow. Proceeding for the PTNSS Journal “Combustion Engines” 2023.