Vnitřní vzduch: účinně se zbavit virů

S testy na virovou infekci, například pomocí plaketového nebo TCID50 testu, zkoumají výzkumníci z Fraunhofer, zda vzduch po inaktivaci stále obsahuje infekční a tím i přenosné viry. © Fraunhofer IGB

Numerická simulace šíření aerosolu v třídě: Infikovaná osoba sedí v pravém předním rohu třídy. Vybraný řez ukazuje rozložení koncentrace viru obsahujícího aerosolu. Čistička vzduchu v místnosti filtruje aerosoly nasycený vzduch a vrací jej vyčištěný. © Fraunhofer EMI

Přístroj pro tepelnou inaktivaci virů přenášených aerosoly. © Fraunhofer IFAM / Zařízení pro tepelnou inaktivaci virů přenášených aerosoly. © Fraunhofer ITWM

Mobilní reaktorová jednotka pro použití na místě. © Fraunhofer IMM / Mobilní reaktorová jednotka pro použití na místě. © Fraunhofer IMM

Jak efektivně odstranit viry ze vzduchu v interiéru? Tato otázka je stále důležitá, především pro školy je smysluplné čištění vzduchu nezbytné. Ve projektu AVATOR zkoumají a optimalizují vědci z Fraunhofer různé filtry a technologie čištění vzduchu.

Ve všech německých spolkových zemích je škola v plném proudu – s celou třídní skupinou. Děti a mladiství sedí těsně vedle sebe ve třídách, mnoho z nich kvůli jejich věku není očkováno. Aby se minimalizovalo riziko nákazy, podporují zemské vlády a ministerstva školství nákup zařízení na čištění vzduchu v místnostech. Ale co skutečně dokážou různé technologie čištění vzduchu? Tomu se vědci z celkem 15 institucí Fraunhofer zabývají pod vedením Fraunhoferova institutu pro stavební fyziku IBP v rámci projektu AVATOR, zkratka pro „Anti-Virus-Aerosol: Testing, Operation, Reduction“. Zkoumají a optimalizují také nové technologie čištění, které dosud nejsou na trhu.

Klasické filtry vzduchu

Nejznámější metoda čištění vzduchu v místnostech je prostřednictvím klasických filtrů vzduchu. Tahají vzduch přes filtrační tkaninu, na které zůstanou viry zachyceny, a čistý vzduch vracejí zpět do místnosti. Jak lze taková zařízení účinně používat, ukazují simulace Fraunhofer EMI na základě třídy: S rozumně nastavenou výměnou vzduchu a vhodnou polohou lze koncentraci aerosolů po 10 až 15 minutách provozu snížit přibližně na polovinu. Simulace ukazují také: Koncentrace aerosolů závisí na konkrétních podmínkách a není stejná na všech místech v třídě. Aby bylo možné ještě lépe odstranit aerosoly vydechované při dýchání – především jejich viry –, vědci z Fraunhofer LBF a IAP do výroby filtračních tkanin přidali přísady. „Filtrační účinnost tkanin spočívá na třech různých mechanismech,“ vysvětluje prof. Dr. Gunnar Grün, zástupce vedoucího Fraunhofer IBP a vedoucí projektu AVATOR. „Velké částice neprojdou tkaninou, jsou zachyceny. O něco menší částice jsou zpomalovány, zůstávají díky setrvačnosti v materiálu tkaniny. Polární přísady ovlivňují filtrační výkon i u nejmenších částic, které se díky povrchovým efektům na filtračním materiálu zachycují.“ Právě tyto povrchové efekty vědci upravili přídavky, takže nejmenší částice jsou účinněji zachycovány. Protože celkový filtrační výkon je určen nejméně zachycenou velikostí částic, což jsou většinou velmi malé částice (okolo 200 μm až 300 μm), lze účinnost touto povrchovou úpravou ještě zvýšit. Ačkoliv již existují přístupy ke zlepšení filtračního výkonu pomocí přísad, jsou tyto filtrační tkaniny navrženy pro běžné olejové aerosoly. Aerosoly, které lidé vypouštějí do vzduchu, jsou však vodní a chovají se odlišně. „Zvláště jsme zvýšili účinnost u těchto biologických aerosolů,“ říká Grün. Příslušné vodní testovací aerosoly vyrábí vědci z Fraunhofer IMM na základě liposomů, spolu s přístrojem pro optické detekce virových částic ve vzduchu.

Čištění vzduchu pomocí plasmy

Tak dobře fungují filtry vzduchu v třídách a podobně: v prostředích, jako jsou například chladné a vlhké chladírny nebo porážky, však narazí na své hranice – zejména pokud jde o dodatečné úpravy. Aby se do systému nezaváděl další odpor vzduchu, nabízejí se čisticí zařízení, která pomocí nízkoteplotní plasmy odstraňují viry ze vzduchu. Viry nezůstávají zachyceny na filtračních tkaninách, ale jsou deaktivovány v plazmovém zařízení a usazeny na elektrodách. I zde mohli vědci z Fraunhofer v projektu AVATOR dosáhnout zlepšení. „Naši kolegové z Fraunhofer IPM vyvinuli na základě technologie průmyslového partnera z automobilového průmyslu samočisticí elektrody – běžné čištění tak odpadá,“ vysvětluje Grün.

„Virusgrill“: sterilizace při přehřátí

Filtry vzduchu a plazma odstraňují viry ze vzduchu. Zcela odlišný přístup k prevenci nákaz zvolili vědci s „Virusgrillem“: zahřívají vzduch na více než 90 stupňů Celsia a tím viry deaktivují. Viry zůstanou ve vzduchu, ale již se nemohou množit – jsou inaktivovány – a nemohou tak ublížit lidem. Fraunhofer IFAM v Drážďanech již dokázal, že tento princip funguje. Díky velmi vysoké rekuperaci tepla je možné energeticky efektivně provozovat čištění vzduchu a minimalizovat dodávku tepla do místnosti. To je zvláště důležité v třídách, kancelářích a dalších nevětraných místnostech. Vědci nyní zařízení dále vyvíjejí. Zejména miniaturizace je na jejich plánu.

Pracovní oddělovače

Přístup, který je zvláště vhodný pro velké kanceláře, vyvinuly instituce Fraunhofer ICT a Fraunhofer IBP ve spolupráci s výrobcem pěnových materiálů. Používají akusticky pohltivé oddělovače místností, aby odstranily viry z vzduchu a minimalizovaly riziko nákazy. „Celá plocha pěnového materiálu je potažena antimikrobiálním stříbrným sloučeninou – tím můžeme při průchodu dosáhnout vysoké inaktivace virů,“ shrnuje Grün. Již existuje demonstrační model. Přitom není opomenuta ani funkce pohlcování hluku: zvláště v oblasti lidské řeči, tedy přibližně od 1000 do 4000 Hz, je vysoká absorpce hluku.

Virucidní prostředky pro dezinfekci místností

Pokud je třeba vydezinfikovat neobsazené prostory, používají se virucidní prostředky. Tyto nebezpečné látky však obvykle musí být přepravovány na místo použití a skladovány do doby použití. Vědci z Fraunhofer IMM proto vyvinuli praktičtější alternativu: mobilní reaktor, který vyrábí virucidní prostředek peroxodikarbonát z neškodného roztoku uhličitanu sodného. Samotný virucid se rozpadá na také neškodné produkty. Reaktor již funguje, v rámci Fraunhofer ITEM jsou nyní prováděny zkoušky toxicity – tedy zkoumá se, jak intenzivně virucid působí na mikroorganismy a zda z jeho použití nevznikají kritické zátěže pro člověka a životní prostředí.

Ověření technologií pomocí detekce virů

Ať už jde o klasické filtry vzduchu, nebo o „Virusgrill“ či pracovní oddělovače: technologie čištění musí být přesně prověřeny na jejich účinnost. Tato validace se věnuje třem institucím Fraunhofer: Fraunhofer ITEM, Fraunhofer IBP a Fraunhofer IGB. Tam jsou bezrizikové, nepatogenní viry aerosolizovány, které se svými velikostmi, obalovou strukturou a RNA podobají virům SARS-CoV-2. Tyto takzvané surrogate viry jsou vyráběny ve velkém měřítku, čištěny, formulovány jako testovací aerosoly a aerosoly jsou používány k testování různých technologií čištění. Aby bylo možné ověřit, jak jsou nové inaktivace účinné, vědci analyzují jejich infekčnost a porovnávají celkový počet virů před a po inaktivaci.