für gesündere Luft

Nicht-thermische Katalyse für gesündere Luft

1 Sind die Lüftungsanlagen mit Mikroorganismen verunreinigt?

In vielen Studien wird auf die Verunreinigung von Klimaanlagen mit Bakterien und Pilzen und ihre Rolle beim Transport dieser Schadstoffe Bezug genommen [1,2,3,4].
Die Forschungsarbeiten zu diesem Thema werden sehr häufig in Krankenhäusern durchgeführt, da in diesen Einrichtungen besonders ansteckungsgefährdete Menschen untergebraucht sind. So ist erwiesen[5,6,7] dass zunächst einmal Filter, dann Brandschutzmaterialien, Lüftungsöffnungen, Klimaanlagen und schließlich der in den Räumen über den Zwischendecken, Wänden, Tapeten und Teppichen enthaltene Staub in den am stärksten verunreinigten Räumen zu finden sind.
Der Fall von Pilzen war aufgrund ihres sehr hohen pathogenen Risikos Gegenstand zahlreicher Veröffentlichungen. So wurde gemessen, dass bei 820 Klimaanlagen die durchschnittliche Anzahl der Kontaminationen durch Pilze 1252 UFC/m3 betrug, wobei die Werte zwischen 17 und 9100 UFC/m3 lagen. Zu den identifizierten Arten gehören Alternaria, Aspergillus flavus, Aspergillus fumigatus, Aspergillus niger, Aspergillus ochraceus, Aspergillus versicolor, Botrytis cinerea, Cladosporium herbarum, Epiccocum purpurascens-sterilia und Penicillium spp. Bakterien (Propionibacterineae, Staphylococcus, Streptococcus und Corynebacterineae) wurden in den Lüftungskanälen und an den Filtern nachgewiesen.

2 Wie lange überleben diese Kontaminanten auf den Filtern?

In einer von Mittal et al.[8] durchgeführten Studie wurden u.a. Staphylococcus epidermidis, Escherichia coli, Brevundimonas diminuta, Bacillus atrophaeus, MS-2 Koliphagen und Aspergillus brasiliensis als repräsentative Klassen von Mikroorganismen ausgewählt, die auf Filtern vorhanden sein können. Die Autoren zeigten damit, dass unter normalen Einsatzbedingungen eines Filters (mit regulierter Luftgeschwindigkeit, Temperatur und Luftfeuchtigkeit) die empfindlichsten Organismen, nämlich S. epidermidis, E. coli und B. diminuta, zwischen 2 und 6 Tagen auf dem Filter überleben konnten, während die resistentesten (B. atrophaeus, MS-2 Koliphagen, A. brasiliensis) über die Dauer der Tests (6 Tage) hinaus überlebten. Ein 210-tägiger Test wies sogar nach, dass B. atrophaeus ohne Verlust der Lebensfähigkeit widerstand.
Um diesem hohen Kontaminationsrisiko zu begegnen, wurden antimikrobielle Filter entwickelt, um das Wachstum dieser Kontaminationen und das Risiko zu verhindern, dass Bioaerosol durch die Filter transportiert wird. Bei der Vorbehandlung von Filtern wurden verschiedene antimikrobielle Mittel eingesetzt, darunter Jod und Silber [9,10]. Auch wenn die antimikrobielle Behandlung die Aufnahme von Bioaerosol in die Raumluft verlangsamt, wird sie nicht vollständig verhindert[11], da die auf den Filtern abgelagerten Partikel eine Barriere zwischen dem antimikrobiellen Mittel und dem Mikroorganismus bilden. Damit ist inzwischen nachgewiesen, dass Mikroorganismen sich sogar auf sogenannten „antimikrobiellen“ Filtern [12] entwickeln können.
Die gleiche Schlussfolgerung wurde durch den Vergleich eines Filters mit einem Stan-dard-Glasfasermedium mit einem hygroskopischen Polymerfilter aus drei Schichten [13] gezo-gen; die Mikroorganismen neigten dazu zu überleben und entwickelten sich auf dem Drei-schichtfilter in den ersten Monaten kürzere Zeit, aber dieser Vorteil ging anschließend durch die Zufuhr von Nährstoffen aus den auf dem Filter angesammelten Partikeln nach 6 Wochen verloren.

3 Gibt es einen Zusammenhang zwischen der Sauberkeit der Partikel und der Kontrolle luftgetragener Biokontamination?

Auf diese Frage fand die Französische Gesellschaft für Krankenhaushygiene mit der Analyse von fünf klinischen Studien eine Antwort, die in Operationssälen durchgeführt wurden, und kam zu dem Schluss, dass es entgegen der landläufigen Meinung „schwierig wäre, auf das Vorhandensein eines Zusammenhangs zwischen der luftgetragenen Bakterienkonzentration und der Partikelzählung zu schließen“[14].

4 Wie ist es dann erklärbar, dass es keinen nachgewiesenen Zusammenhang gibt?

Mehrere Faktoren können eine Erklärung dafür liefern. Einer der Gründe dafür ist auch die Messung selbst. Um dies zu verstehen, ist es notwendig, zunächst die Prinzipien der Filtration und Messung von Partikeln in der Luft zu erklären.

4.1 Prinzip der Filtration

Filter wirken durch Siebeffekt, um den Durchgang größerer Partikel zu verhindern, sind aber nicht darauf beschränkt: Andere Effekte wie Trägheit, elektrostatisches Abfangen oder Diffusion tragen unter anderem zur Filtration kleinerer Partikel bei.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Rückhaltekapazität von Hocheffizienzfiltern (HEPA-Filter) bei Partikelgrößen zwischen 0,03 und 3 Mikrometern geringer ist (sieheAbbildung 1, blaue Kurve), was nach dem Whitby-Diagramm (Abbildung 2) fast die Hälfte aller in der Luft vorhandenen Partikel oder 95% der Gesamtfläche aller Partikel entspricht.

Abbildung 1: Filtrationseffizienz von HEPA-Filtern nach Partikelgröße (Quelle: GVS)

Abbildung 2: Whitby-Diagramm

Nun ist es aber diese Größenordnung, die die meisten Viren und viele Bakterien und Sporen, sowohl Pilze als auch Bakterien, abdeckt. Aus diesem Grund werden Hocheffizienzfilter nach Normen (EN 1822 : 2019, ISO 29463 : 2017) klassifiziert, die es ermöglichen, sie auf einem Prüfstand hinsichtlich ihrer Rückhaltekapazität von Partikeln mit Größen zwischen 0,12 und 0,25 Mikron miteinander zu vergleichen; die am besten klassifizierten Filter sind diejenigen mit dem höchsten Wirkungsgrad in diesem Größenbereich. Diese Norm eignet sich zur Beurteilung der Unversehrtheit von Filtern nach ihrer Herstellung; die Kontrolle ihrer Unversehrtheit bei der Installation am Einsatzort ist Gegenstand anderer Normen, insbesondere der ISO 14644-3.

4.2 Prinzip der Partikelmessung

Luftpartikelzähler nach dem Lichtstreuungsprinzip werden am häufigsten für die Par-tikelzählung eingesetzt (Normenempfehlung ISO 14644). Ihr Messbereich reicht von 0,1 bis 10 Mikrometer. Bei diesen Geräten können die Fehler bei der Messung des ersten gemessenen Kanals bis zu 70% erreichen (siehe Abbildung 3 nach ISO 21501 [15])!

Abbildung 3: Zulässige Messfehler nach ISO 21501. Die vom ersten Partikelgrößenkanal der optischen Zähler gemessenen Werte weisen einen Fehler von bis zu 70% auf.

In der Praxis werden Partikelzahlen für Größen unter 0,3 Mikrometer aus verschiedenen Gründen nur selten verwendet. Erstens, je kleiner die zu messenden Partikelgrößen, desto teurer sind die dafür erforderlichen Geräte. So sind beispielsweise bei einem Zähler mit einer messbaren kleinsten Partikelgröße von 0,1 Mikrometer die Kosten für das Gerät dreimal höher als bei einem Zähler mit einer Größe ab 0,3 Mikrometer. Je kleiner die Größe, desto empfindlicher ist das Messgerät gegenüber Verunreinigungen. So werden im Allgemeinen Zähler zur Messung von Partikeln mit einer Größe von 0,1 oder 0,2 Mikrometer in ultrareinen Umgebungen (Klasse niedriger als ISO 6 nach ISO 14644-1) benutzt. Diese Art von Geräten werden nur bei wenigen mikroelektronischen Anwendungen eingesetzt, wobei die gebräuchlichsten Messgeräte Größen größer als 0,3 Mikrometer messen können.

So werden einerseits mikrobiologische Verunreinigungen, deren Größe zwischen 0,03 und 3 Mikrometer liegt, von Hocheffizienzfiltern weniger gut gefiltert als andere Partikel. Andererseits decken die von den Partikelzählern gemessenen Partikelgrößen ungefilterte Verunreinigungen (Größe größer als 0,3 Mikrometer) nur teilweise mit einer zusätzlich hohen Messunsicherheit ab.
Darüber hinaus sind das Überleben von Viren, Bakterien und Sporen und ihre Neigung, auf den Filtern zu wachsen, die Dichtheit dieser Filter während der Montage und die Aufrechterhaltung ihrer Unversehrtheit im Laufe der Zeit alles Faktoren, die das Fehlen eines Zusammenhangs zwischen luftgetragener Partikelkontamination und luftgetragenen Mikroorganismen erklären können. Es ist daher falsch zu glauben, dass nur die Standardfiltration, wenn auch mit hohem Nutzungsgrad, wirksam genug ist, um vor mikrobiologischer Kontamination der Luft zu schützen, ebenso wie die Vorstellung, dass die Messung von Partikeln allein ausreichend ist, um eine luftgetragene Biokontamination zu beurteilen.

4.3 Partikelmessung im Vergleich zu mikrobiologischer Luftprobenahme

Die Benutzerfreundlichkeit und Schnelligkeit, mit der Ergebnisse durch Partikelzählung erzielt werden können, führen meist zur Messung der Partikelkonzentrationen in der Luft und nicht zur Messung der Biokontamination. Tatsächlich sind in der Regel mehrere Tage, ja sogar mehrere Wochen notwendig, um den Grad der Biokontamination eines Raumes zu ermitteln (im Vergleich zu einigen Minuten bei der Partikelzählung), mit der Folge, dass alle chirurgischen Eingriffe im OP eingestellt werden, bis die Ergebnisse der Proben bekannt sind. Es ist jedoch die Kontrolle der luftgetragenen Biokontamination und nicht die Kontrolle der Konzentration von Partikeln in der Luft, wodurch Infektionsrisiken im Operationssaal verhindert und reduziert werden sollen. Cristina et al.[16] kommen in ihrer Studie zu dem Schluss, dass die mikrobiologische Messung die beste Methode zur Beurteilung der Luftqualität in Operationssälen bleibt« . Dies ermöglicht ein besseres Verständnis der Grenzen der hocheffizienten Filtration.

5 Und doch empfehlen die Normen, die empfindlichsten Berei-che mit großen Filterflächen wie unidirektionalen Strö-mungsdecken zu behandeln?

Viele Studien, die im WHO-Bericht zusammengefasst sind, „legen nahe, dass unidirektionale (laminare) Lüftungssysteme nicht verwendet werden sollten, um das Risiko einer Infektion im Operationssaal bei Patienten zu verringern, die sich einer orthopädischen Totalarthroplastik-Operation unterziehen“[17]; dies ist jedoch eine der chirurgischen Aktivitäten mit einem äußerst hohen Infektionsrisiko, gegen das der Patient unbedingt geschützt werden muss. Warum ist also die unidirektionale Strömung kontraindiziert, im Rahmen derer eine solche Filteroberfläche vorgesehen ist, und die für Bereiche mit hohem Risiko empfohlen wird?
Es ist vorgesehen, dass „sogenannte konventionelle Lüftungssysteme im Operationssaal vom gemischten oder turbulenten Strömungstyp sind. Die Rolle dieser Systeme besteht darin, die Luft, Aerosole und Partikel im Raum zu homogenisieren. Lüftungssysteme mit unidirektionaler (oder laminarer) Strömung leiten die Luft unidirektional mit konstanter Geschwindigkeit und etwa parallelen Strömungslinien, um einen Bereich zu schaffen, in dem Luft, Aerosole und Partikel aus dem Raum ausgestoßen werden. Laminarströmungen werden häufig in einer Umgebung eingesetzt, in der eine Partikelkontamination schwerwiegende Folgen haben kann, z.B. in der orthopädischen Implantatchirurgie. Unidirektionale Strömungssysteme sind jedoch komplex, teuer und erfordern eine sorgfältige Wartung. In vielen einkommensschwachen Ländern sind weder konventionelle Lüftungssysteme noch laminare Strömungssysteme erschwinglich oder werden nicht regelmäßig gewartet, und eine natürliche Entlüftung ist oft die einzige Option. Eine systematische Fachliteraturrecherche wurde durchgeführt, um zu ermitteln, ob ein Lüftungssystem mit unidirektionaler Strömung das Risiko von Infektionen im Operationssaal effektiver reduziert als ein herkömmliches Lüftungssystem. Das Ergebnis dieser Recherche bestand in einer systematischen Übersicht[18] und acht Beobachtungsstudien[19,20,21,22,23,24,25,26] bei denen ein unidirektionaler Luftstrom mit einem turbulenten Strom verglichen wurde. Die meisten Studien umfassten Hüft- und Kniegelenkersatz, und nur wenige Studien standen für andere chirurgische Eingriffe zur Verfügung[20, 21, 23]. Meta-Analysen zeigten, dass die unidirektionale Strömung keinen Vorteil gegenüber der konventionellen Lüftung (turbulente Strömung) hat, um die Häufigkeit von Infektionskrankheiten im OP-Bereich bei Totalarthroplastik-Operationen der Hüfte oder des Knies zu reduzieren. In Anbetracht dieser Ergebnisse und der damit verbundenen Kosten beschloss die Sachverständigengruppe, vorzuschlagen, dass unidirektionale (oder laminare) Lüftungssysteme nicht als vorbeugende Maßnahme eingesetzt werden sollten, um das Risiko von Infektionen im Operationssaal bei Patienten zu verringern, die sich einer Totalarthroplastik-Operation unterziehen werden.“[27] Es ist zu beachten, dass bei gleichem Volumen des zu behandelnden Raumes eine unidirektionale Strömung einen viel höheren Energieverbrauch hat, da sie 10 bis 15 mal mehr Luftstrom behandelt als eine turbulente Strömung (Hypothesen einer turbulenten Strömung mit einer Luftwechselrate von 30 Volumen/Stunde und einer Strömungsgeschwindigkeit zwischen 0,25 und 0,35 m/s).
Zheng und Partner führten[28] außerdem eine Meta-Analyse zu 123.788 Hüftendopro-thesen durch und „fanden keinen überzeugenden Beweis für die Überlegenheit der unidirek-tionalen Strömung gegenüber der turbulenten Strömung zur Vorbeugung von Infektionen im OP“. Im Gegenteil, sie zeigten sogar, dass die Zahl der Infektionen im OP mit einer unidirektionalen Strömung im Vergleich zu einer turbulenten Strömung zunahm.

6 Welche Risiken bestehen bei der Biokontamination von Fil-tern?

Die Biokontamination von Filtern kann zu einer Biokontamination der Umwelt füh-ren, weil Mikroorganismen, wie wir gesehen haben, aufgrund ihrer Größe weniger gut gefil-tert werden, oder weil die Unversehrtheit oder Installation der Filter nicht gewährleistet ist, oder weil deren Installation mangelhaft war oder aufgrund ihrer Handhabung während ihres Austauschs[29, 30]. Potenziell hochpathogene Schadstoffe können dann in der direkten Umge-bung auftreten, nämlich in der Luft und an den Oberflächen (Wände, Decken, Geräte, Pati-enten usw.), wo sie sich entwickeln können. Die gesundheitlichen Folgen können sehr schwerwiegend sein und zum Tod der anfälligeren Menschen führen.
Nicht nur die mikrobiologische Kontamination ist ein Risiko. So setzen Gram-Bakterien Endotoxine in die Luft frei, wenn sie sich vermehren oder ihre Zellwände lysieren. Diese Endotoxine können für den Menschen gefährlich sein und werden nicht durch die Filter zu-rückgehalten. Sie bestehen aus Lipopolysacchariden (LPS). Laut INRS[31] wurde „Ihr Vorhan-densein in Arbeitsumgebungen wurde, wie von B. Ramazzini bereits 1713 erwähnt, in der Mitte des 20. Jahrhunderts bestätigt. […] Die Kontamination der Atemwege am Arbeitsplatz führt zu Husten, Dyspnoe und Asthma, was oft mit einem fiebrigen Zustand einhergeht. […] Die als betroffen eingestuften Berufe sind immer vielfältiger: Mitarbeiter der Agrar- und Lebensmittelindustrie, die in Räumen arbeiten, die mit Luftbefeuchtern oder Klimaanlagen ausgestattet sind, usw.“.
Ebenso setzen Schimmelpilze Mykotoxine frei, die für Leber, Nervensystem und Immunsystem giftig sind und auch CMR-Eigenschaften (karzinogene, mutagene und reprotoxische Eigenschaften) haben. Sie setzen auch flüchtige organische Verbindungen frei, die ursächlich für die „schlechten Gerüche“ der Filter sind und als Auslöser und Erschwernisfaktor für Atemwegserkrankungen wie Asthma auftreten. Schimmelpilze können auch Allergene enthalten, die Asthma, allergische Rhinitis und Atemwegserkrankungen verursachen können.

7 Welche Alternative zur mechanischen Filtration gibt es?

Aus Sicht der inerten Partikel bleibt die mechanische Filtration derzeit die beste Be-handlungslösung und eine Lösung, deren Leistung sich seit langem bewährt hat, auch wenn nicht alle Filter gleich sind.
Aus mikrobiologischer Sicht ist sie jedoch ein „echtes mikrobielles Nest“, das weit davon entfernt ist, Mensch und Umwelt zu schützen, und zu einer wichtigen Kontaminationsquelle werden kann. Daher ist es unerlässlich, sie mit destruktiven Technologien zu koppeln; die Nicht-thermische Katalyse ist die effektive Lösung, die an das Raumklima angepasst ist.
Interne Tests wurden mit Nicht-thermischer Katalyse-Technologie an Bakterien (L. pneumophilia), Bakteriensporen (B. subtilis) und Viren (T2-Bakteriophagen) durchgeführt. Während der Tests wurden Bakterienproben in vegetativer und sporenbildender Form unter Verwendung von zwei Biokollektoren entnommen: von einem der Marke Bertin Technologies (Coriolis) und von einem anderen der Marke AES Laboratoire (Sampl’air). Die Zählungen mittels Coriolis wurden auf zwei Arten durchgeführt: 1- Filtration auf einer Membran, dann Transfer des Filters auf ein Agarmedium und schließlich Inkubation zum Zählen, 2- Zugabe von zwei Fluophoren (Invitrogen und LIVE/DEAD Baclight Kit) zu einer Probe des von Coriolis kommenden flüssigen Rückgewinnungsmediums. Dieser Test, der auf der Integrität der Membran von Bakterien und Sporen basiert, identifiziert tote oder lebende Mikroorganismen durch Epifluoreszenz-Mikroskopie. Die Infektiosität von Bakteriophage-Viren vor und nach der katalytischen Behandlung wurde mit Sampl’air und Petrischalen mit einem Agarmedium bewertet, das mit E. coli BAM-Bakterien beschichtet ist. Die noch lebenden Viren infizieren die Bakterien und bilden identifizierbare Lyse-Bereiche auf der Oberfläche des Agars. Die Ergebnisse zeigten eine Reduzierung von 2 bis 3 Logs in einem einzigen Durchgang.

Weitere Tests durch ein unabhängiges Labor haben die Wirksamkeit der Technologie bei der Installation in einem zentralen Luftbehandlungssystem nachgewiesen. Die Ergebnisse zeigten eine totale Reduktion der Stämme von Aspergillus brasiliensis und Staphylococcus epidermidis[32].
Die Nicht-thermische Katalyse zerstört mikrobiologische Verunreinigungen und alle Verunreinigungen aus organischer Substanz. So wurde beispielsweise der Mechanismus, der zur Zerstörung von Endotoxinen durch katalytische oxidative Prozesse führt, demons-triert[33,34,35]. Insbesondere der direkte Kontakt der Mikroorganismen mit den bei der photoaktivierten Katalyse gebildeten Radikalen und den hyperoxidierenden Spezies führt zunächst zur Oxidation der Schicht aus Lipopolysacchariden, also der äußeren Schicht der Zellmembran, insbesondere der mehrfach ungesättigten Fettsäuren. So führt die Lyse von Gram-Bakterien also in erster Linie zur Oxidation der in der Membranwand vorhandenen Endotoxine.
CALISTAIR hat zahlreiche Feldtests durchgeführt und seine Technologie im Labor von unabhängigen Stellen nach den aktuellen Normen validieren lassen.

8 Was ist zu beachten?

Erstens, dass es keine Wunderlösungen gibt, sondern dass Technologiekombinationen es ermöglichen, die Schwächen des einen im Vergleich zum anderen auszugleichen; in die-sem Sinne wurde die Nicht-thermische Katalyse entwickelt. Diese Technologie ist sehr effektiv bei der Zerstörung von luftgetragenen biologischen Kontaminationen, die nicht durch Hocheffizienzfilter zerstört werden. In Ermangelung zerstörerischer Technologien finden pathogene Mikroorganismen auf diesen Filtern ein günstiges Umfeld für ihr Wachstum und ihre Entwicklung und werden dann über die Luft transportiert. Sie gelangen dann in die Umwelt und verursachen Infektionen im medizinischen Umfeld.
Die Kombination aus Nicht-thermischer Katalyse und mechanischer Standardfiltration sorgt für schadstofffreie Luft.

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