Können Raumluftfilter die Ansteckungsgefahr mit SARS-CoV-2 verringern? engl.: Can room air filters reduce the risk of infection with SARS-CoV-2?

01.09.2020 12:31

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Wie wird SARS-CoV-2 übertragen?

SARS-CoV-2 wird nach aktuellem Stand der Forschung hauptsächlich über Tröpfchen übertragen, die beim Atmen, Sprechen, Husten oder Niesen entstehen und über die Atemluft aus- und eingeatmet werden [1]. Eine direkte Tröpfcheninfektion wird durch partikelfiltrierende Atemschutzmasken (FFP2/FFP3 oder besser) verhindert, da diese die infektiösen Partikel effektiv abscheiden. Größere Tröpfchen können auch durch einen einfachen Mund-Nasen-Schutz abgeschieden werden. Hierfür ist ein fester Sitz der Mund-Nasen-Bedeckung jedoch essentiell, da sonst kleinere Tröpfchen über die Spalte am Rand der Bedeckung in die Außenluft gelangen. Zudem schützen diese Bedeckungen nur dann effektiv, wenn zusätzlich ein Sicherheitsabstand von mindestens 1,5 m eingehalten wird [6]. Da viele Menschen sich nicht an die Sicherheitsregeln zur Eindämmung des neuartigen Coronavirus halten wollen oder können, sind universelle Mund-Nasen-Bedeckungen in geschlossenen Räumen nicht ausreichend, um einen effektiven Infektionsschutz zu bieten. Kleine Tröpfchen werden ohnehin durch einfache Mund-Nasen-Bedeckungen nicht effektiv abgeschieden, sodass sie sich mit der Zeit im Raum anreichen und selbst dann zu einer Infektion führen können, wenn die infizierte Person nicht mehr im Raum ist [2,5]. 


Möglichkeiten der Prävention
Die weltweite Entwicklung der SARS-CoV-2 Infektion lässt vermuten, dass das neuartige Coronavirus nicht nur durch Tröpfcheninfektion übertragen wird. Tatsächlich spielt die indirekte Infektion über Aerosolpartikel, kleine Tröpfchen, die über Stunden in der Luft schweben, eine wichtige Rolle.  Hierfür müssen Maßnahmen erfolgen, um die infektiöse Partikelbeladung in der Luft zu begrenzen. Eine Möglichkeit besteht dabei in raumlufttechnischen Anlagen (RLT). Diese sorgen, dass kontaminierte Luft abgeführt und gefilterte bzw. frische Luft in den Raum hinzugeführt wird. Um eine Verhinderung einer indirekten Infektion zu ermöglichen, ist eine ausreichende Frischluftzufuhr und eine sehr gute Filterung notwendig. Dabei müssen infektiöse Aerosolpartikel effektiv abgeschieden werden, damit die RLT diese nicht in der Raumluft unkontrolliert verteilt. SARS-CoV-2 ist ca. 0,06-0,14 µm groß. Da der Virus jedoch über Tröpfchen übertragen wird, sind Abscheidegrade im Bereich von 0,3 – 1 µm zu betrachten [3]. In gewöhnlichen RLT Anlagen sind Filter der Klasse F7 eingebaut. Diese besitzen einen Abscheidegrad von 40 – 65 % im MPPS-Bereich (Most Penetrating Particle Size) von 0,1 – 0,3 µm. Kleinere Partikel können F7 Filter nicht effektiv abscheiden. Für eine effiziente Abscheidung der SARS-CoV-2 Aerosolpartikel können z.B. Filter der Klasse H13 dienen. Diese können Aerosolpartikel mit einem Durchmesser von 0,1 – 0,3 µm zu 99,95 % abscheiden. 


Physikalischer Hintergrund - Abscheidemechanismen
Filter zum Abscheiden von Aerosolpartikel im zuvor genannten Größenbereich sind sogenannte „Schwebstofffilter“. Damit ein Partikel abgeschieden werden kann, muss es zunächst mit der Faser des Filters in Berührung kommen. Folgende Mechanismen können hierzu beitragen:

Abbildung 1

Sperreffekt (A), Sedimentation (B) und Diffusion (C) (vgl. Abbildung 1).
Partikel mit einer Größe über 1 µm folgen zunehmend dem Sperreffekt. Durch Ihre Größe kollidieren sie mit dem Filterkorn obwohl sie der Strombahn folgen (A). Größere Partikel (>1 µm) sedimentieren zudem mit zunehmender Größe, da sie aufgrund Ihres Gewichts nicht mehr der Strombahn folgen können (B). Partikel die kleiner als 0,1 µm sind unterliegen mit abnehmender Partikelgröße zunehmend dem Diffusionseffekt
Diese folgen aufgrund ihrer niedrigen Partikelrelaxationszeit nahezu trägheitslos den Stromlinien. Hierbei stoßen Partikel mit Gasmolekülen zusammen, die Diffusionsbewegung sorgt schließlich dafür, dass die Partikel mit der Faser in Kontakt kommen können, obwohl die Stromlinie fernab der Faser verläuft (C). Der Diffusionseffekt ergibt sich aus der Brownschen Molekularbewegung auf einen Effekt, den wir aus mangelnder Relevanz nicht weiter erläutern werden. (Für alle Interessierten: https://www.leifiphysik.de/waermelehre/temperatur-und-teilchenmodell/versuche/brownsche-bewegung)
Der kritische Bereich liegt zwischen 0,1-0,3 µm, dem MPPS-Bereich. Der Bereich bei dem der Schwebstofffilter seinen geringsten Abscheidegrad verzeichnet.

Abbildung 2 zeigt eine Abnahme der Trennkurze genau in diesem Größenbereich. In diesem Bereich nimmt der Effekt der Diffusion zu und die Sperr- bzw. Sedimentationseffekte nehmen ab.


Was gibt es zu beachten?
1998 trat die Europäische Norm EN 1822 in Kraft. Nach dieser Norm werden Filter im MPPS Bereich getestet – der „Sollbruchstelle“ eines Filters. So gibt z.B. die Filterklasse H14 an, dass ≥99,995% aller Partikel im MPPS Bereich abgeschieden und nur ≤0,005% aller Partikel durchgelassen werden. Partikel mit einer Größe unter 0,1 µm und über 0,3 µm werden aufgrund der physikalischen Effekte noch besser abgeschieden. Sie sollten beim Filterkauf also darauf achten, dass die Filter nach der Europäischen Norm EN 1822 getestet wurden, welche den Abscheidegrad des Filters im MPPS Bereich angibt. Ein Abscheidegrad über den gesamten Partikelbereich würde folglich deutlich höher ausfallen.

Abbildung 3
 

Können Raumluftfilter die Ansteckungsgefahr mit SARS-CoV-2 verringern?

Ja. Infektiöse Aerosolpartikel lassen sich mit einer gewöhnlichen Mund und Nasenbedeckung nicht abtrennen [8]. Aufgrund gesetzlicher Regelungen werden diese Masken aber im Alltag von den meisten Menschen getragen. Durch Raumluftfiltersysteme mit einem HEPA-Filtersystem lassen sich Aerosolpartikel mit einem hohen Abscheidegrad von der Raumluft abtrennen, was nachweislich die Infektionsgefahr in Räumen verringert [9]. 


Welches Gerät eignet sich für unser Unternehmen?

Welches Raumluftgerät mit welchem Filter für Sie geeignet ist hängt von diversen Variablen ab. Die Raumgröße, der Durchlauf oder die Umgebungslautstärke des Geräts sind von Bedeutung. Lassen Sie sich dahingehend von einem Experten beraten.

Patrick Krotz

Vertriebsleiter

Nanotrade GmbH

+49 6253 8069919 | +49 176 32213691

p.krotz@nanotrade.email

www.viro-shop.de

Schloßstraße 57, 64668 Rimbach

Quellen

[1] Morawska L, Cao J (2020) Airborne transmission of SARS-CoV-2: The world should face the reality. Environment International, Volume 139, 105730
[2] Fernstrom A, Goldblatt M (2013) Aerobiology and its role in the transmission of infectious diseases. Journal of Pathogens, Volume 2013, article ID 493960
[3] Kähler et. al. (2020) Können mobile Raumluftreiniger eine indirekte SARS-CoV-2 Infektionsgefahr durch Aerosole wirksam reduzieren, Universität der Bundeswehr München
[4] Anlauf H, Mechanische Separationstechnik Fest/Flüssig-Trennung -Grundlagen - Apparate – Strategien (2019), Karlsruher Institut für Technologie
[5] Streek H, Schulte B, Kümmerer B, Richter E, Höller T, Fuhrmann C, et al. Infection fatality rate of SARS-CoV-2 infection in a German community with a super-spreading event. MedRxiv preprint. 2020.
[6] Liu L, Li Y, Nielsen PV, Wei J, Jensen RL. Short-range airborne transmission of expiratory droplets between two people. Indoor air. 2017;27(2):452-62.
[7] EMW Filtertechnik. Online: emw.de/de/filter-campus/iso29463.html
[8] Kähler CJ, Hain R (2020) Fundamental protective mechanisms of face masks against droplet infections. Journal of Aerosol Science 148:105617, https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2020.105617
[9] Leclerc Q, Fuller N, Knight L, null n, Funk S, Knight G. What settings have been linked to SARS-CoV-2 transmission clusters? [version 1; peer review: 1 approved with reservations]. Wellcome open research. 2020;5(83).
 

Autoren

B.Sc. Chemieingenieurwesen und Verfahrenstechnik Deniz Quick – Geschäftsführer
M.Sc. Chemieingenieurwesen und Verfahrenstechnik Igor Scherbej – Leiter F&E

English Version

How is SARS-CoV-2 transmitted?

According to the current state of research, SARS-CoV-2 is mainly transmitted via droplets that are produced when breathing, speaking, coughing or sneezing and are inhaled and exhaled through the air we breathe [1]. Direct droplet infection is prevented by particle-filtering respiratory masks (FFP2/FFP3 or better), as these effectively separate the infectious particles. Larger droplets can also be separated by a simple mouth-nose guard. For this, however, a tight fit of the mouth-nose cover is essential, otherwise smaller droplets will escape into the outside air through the gaps at the edge of the cover. In addition, these covers only provide effective protection if a safety distance of at least 1.5 m is maintained, cf. [6]. Since many people do not want to or cannot comply with the safety rules for containing the novel coronavirus, universal mouth-nose covers in closed rooms are not sufficient to provide effective protection against infection. Small droplets are not effectively eliminated by simple mouth-nose covers anyway, so they accumulate over time and can lead to infection even when the infected person is no longer in the room [2][5]. 


Possibilities of prevention

The worldwide development of SARS-CoV-2 infection suggests that the novel coronavirus is not only transmitted by droplet infection. In fact, indirect infection via aerosol particles, small droplets suspended in the air for hours, plays an important role.  Measures must be taken to limit the infectious particle load in the air. One possibility here is in room air conditioning systems (RLT). These ensure that contaminated air is removed and filtered or fresh air is introduced into the room. In order to prevent indirect infection, a sufficient supply of fresh air and very good filtering is necessary. Infectious aerosol particles must be effectively separated so that the air handling unit does not distribute them uncontrollably in the room air. SARS-CoV-2 is approx. 60 - 140 nm (0.06-0.14 µm) in size. However, since the virus is transmitted via droplets, separation efficiencies in the range of 0.3 - 1 µm must be considered [3]. Class F7 filters are installed in conventional air conditioning systems. These have a separation efficiency of 40 - 65 % in the MPPS range of 0.1 - 0.3 µm. Smaller particles cannot be effectively separated by F7 filters. For an efficient separation of SARS-CoV-2 aerosol particles, filters of class H13 can be used, for example. These can separate 99.95 % of aerosol particles with a diameter of 0.1 - 0.3 µm. 


Physical background

Filters for the separation of aerosol particles in the aforementioned size range are so-called "suspended matter filters". The function of these filter systems is based on 3 physical effects -

figure 1

Sperreffekt (A), Sedimentation (B) und Diffusion (C) (comp. figure 1).

Particles with a size of more than 1 µm increasingly follow the barrier effect. Due to their size they collide with the filter grain although they follow the current path (A). Larger particles (>1 µm) also sediment with increasing size, as their weight prevents them from following the current path (B). Particles smaller than 0.1 µm are increasingly subject to the diffusion effect with decreasing particle size. Particles leave their current path and collide with the filter grain (C). The diffusion effect results from the Brownian molecular movement on an effect which we will not explain further due to lack of relevance. (For all interested parties: (https://de.wikipedia.org/wiki/Brownsche_Bewegung). The critical range is between 0.1-0.3 µm, the MPPS range (Most Penetrating Particle Size). This is the area where the HEPA filter has its lowest separation efficiency. 

figure 2 shows a decrease of the separating short exactly in this size range. In this range the effect of diffusion increases and the barrier or sedimentation effects decrease.


What is there to consider?

In 1998 the European Standard EN 1822 came into force. According to this standard, filters are tested in the MPPS range - the "predetermined breaking point" of a filter. Filter class H14, for example, states that ≥99.995% of all particles in the MPPS range are separated and only ≤0.005% of all particles are allowed to pass. Particles with a size below 0.1 µm and above 0.3 µm are separated even better due to the physical effects. When buying a filter, you should therefore make sure that the filters have been tested according to the European Standard EN 1822, which specifies the separation efficiency of the filter in the MPPS range. A separation efficiency over the entire particle range would therefore be significantly higher.

figure 3
 

Can room air filters reduce the risk of infection with SARS-CoV-2?

Yes, infectious aerosol particles cannot be separated with an ordinary mouth and nose cover [8]. However, due to legal regulations, most people wear these masks in everyday life. Room air filter systems with a HEPA filter system can separate aerosol particles from the ambient air with a high degree of separation, which has been proven to reduce the risk of infection in rooms [9].


Which device is suitable for our company?

Which room air unit with which filter is suitable for you depends on various variables. The size of the room, the flow rate or the ambient noise level of the unit are important. Let an expert advise you in this respect.
 

Patrick Krotz

Head Sales Manager

Nanotrade GmbH

+49 6253 8069919 | +49 176 32213691

p.krotz@nanotrade.email

www.viro-shop.de

Schloßstraße 57, 64668 Rimbach

sources

[1] Morawska L, Cao J (2020) Airborne transmission of SARS-CoV-2: The world should face the reality. Environment International, Volume 139, 105730
[2] Fernstrom A, Goldblatt M (2013) Aerobiology and its role in the transmission of infectious diseases. Journal of Pathogens, Volume 2013, article ID 493960
[3] Kähler et. al. (2020) Können mobile Raumluftreiniger eine indirekte SARS-CoV-2 Infektionsgefahr durch Aerosole wirksam reduzieren, Universität der Bundeswehr München
[4] Anlauf H, Mechanische Separationstechnik Fest/Flüssig-Trennung -Grundlagen - Apparate – Strategien (2019), Karlsruher Institut für Technologie
[5] Streek H, Schulte B, Kümmerer B, Richter E, Höller T, Fuhrmann C, et al. Infection fatality rate of SARS-CoV-2 infection in a German community with a super-spreading event. MedRxiv preprint. 2020.
[6] Liu L, Li Y, Nielsen PV, Wei J, Jensen RL. Short-range airborne transmission of expiratory droplets between two people. Indoor air. 2017;27(2):452-62.
[7] EMW Filtertechnik. Online: emw.de/de/filter-campus/iso29463.html
[8] Kähler CJ, Hain R (2020) Fundamental protective mechanisms of face masks against droplet infections. Journal of Aerosol Science 148:105617, https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2020.105617
[9] Leclerc Q, Fuller N, Knight L, null n, Funk S, Knight G. What settings have been linked to SARS-CoV-2 transmission clusters? [version 1; peer review: 1 approved with reservations]. Wellcome open research. 2020;5(83).
 

authors

B.Sc. chemical engineer Deniz Quick – CEO
M.Sc. chemical engineer Igor Scherbej – Head Research and Development


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