Aria interna: eliminare efficacemente i virus

Con test di infezione virale, ad esempio un test di placca o TCID50, i ricercatori Fraunhofer verificano se l'aria, dopo l'inattivazione, contiene ancora virus infettivi e quindi trasmissibili. © Fraunhofer IGB

Simulazione numerica della dispersione dell'aerosol in una classe: Una persona infetta si trova nell'angolo in alto a destra della classe. Il piano di taglio selezionato mostra la distribuzione della concentrazione dell'aerosol contenente virus. Un purificatore d'aria per ambienti filtra l'aria carica di aerosol e la restituisce pulita. © Fraunhofer EMI

Apparecchiatura per l'inattivazione termica di virus trasportati da aerosol. © Fraunhofer IFAM / Dispositivo per l'inattivazione termica di virus trasportati da aerosol. © Fraunhofer ITWM

Reattore mobile per uso sul posto. © Fraunhofer IMM / Unità reattore mobile per uso in loco. © Fraunhofer IMM

Come eliminare efficacemente i virus dall'aria negli ambienti interni? Questa domanda rimane importante, soprattutto per le scuole, dove una pulizia dell'aria efficace è essenziale. Nel progetto AVATOR, i ricercatori Fraunhofer esaminano e ottimizzano diverse tecnologie di filtri e di purificazione dell'aria.

In tutti i Länder tedeschi le scuole sono in pieno svolgimento – con l'intera classe presente. Bambini e adolescenti siedono stretti nelle aule, molti di loro, a causa della loro giovane età, non ancora vaccinati. Per ridurre al minimo il rischio di contagio, i governi statali e i ministeri dell'istruzione promuovono l'acquisto di purificatori d'aria. Ma cosa possono realmente fare le diverse tecnologie di purificazione dell'aria? Questo viene analizzato da ricercatori di 15 istituti e strutture Fraunhofer sotto la guida dell'Istituto Fraunhofer per la fisica edilizia IBP nel progetto AVATOR, abbreviazione di »Anti-Virus-Aerosol: Testing, Operation, Reduction«. Esaminano e ottimizzano anche nuove tecnologie di pulizia, ancora non presenti sul mercato.

Filtri d'aria classici

Il metodo più noto di purificazione dell'aria avviene tramite filtri d'aria classici. Questi aspirano l'aria attraverso un tessuto filtrante, in cui rimangono intrappolati i virus, e rilasciano nuovamente l'aria pulita nell'ambiente. Come si possono impiegare efficacemente tali dispositivi, lo mostrano simulazioni dell'EMI Fraunhofer basate su una classe scolastica: con un ricambio d'aria impostato correttamente e una posizione adeguata, la concentrazione di aerosol può essere ridotta di circa la metà dopo 10-15 minuti di funzionamento. Le simulazioni mostrano anche che la concentrazione di aerosol dipende dalle condizioni specifiche e non è uguale in tutte le posizioni dell'aula. Per eliminare ancora meglio gli aerosol prodotti durante la respirazione – in particolare il loro carico virale – i ricercatori del Fraunhofer LBF e IAP hanno dotato le plastiche usate per la produzione dei tessuti filtranti di additivi. »L'effetto filtrante dei tessuti si basa su tre meccanismi diversi«, spiega il Prof. Dr. Gunnar Grün, vice direttore dell'IBP e responsabile del progetto AVATOR. »Particelle grandi non passano attraverso il tessuto, vengono trattenute. Particelle leggermente più piccole vengono rallentate, restano intrappolate per inerzia nel materiale del tessuto. Gli additivi polari influenzano la capacità di filtrazione delle particelle più piccole, che si attaccano al materiale del filtro a causa di effetti superficiali.« Questi effetti superficiali vengono modificati dagli scienziati attraverso gli additivi, rendendo più efficiente la rimozione delle particelle più piccole. Poiché la capacità complessiva del filtro è determinata dalla dimensione delle particelle meno catturate, che sono spesso molto piccole (circa 200-300 μm), l'efficienza può essere ulteriormente aumentata grazie a questa rivestitura. Esistono già approcci per migliorare la capacità filtrante tramite additivi, ma i tessuti filtranti ottimizzati sono progettati per aerosoli a base di olio, mentre gli aerosol prodotti dagli esseri umani sono a base d'acqua e si comportano in modo diverso. »Siamo riusciti a migliorare in particolare l'efficienza con questi bio-aerosol«, afferma Grün. Gli aerosol di prova a base d'acqua vengono generati dai ricercatori dell'IMM Fraunhofer utilizzando liposomi, insieme a un dispositivo per la rilevazione ottica di particelle virali nell'aria.

Purificazione dell'aria tramite plasma

Per quanto i filtri d'aria in aula e simili siano efficaci, in ambienti come celle frigorifere fredde e umide o macelli incontrano i loro limiti – soprattutto in caso di retrofit. Per evitare di introdurre resistenza aerodinamica aggiuntiva nel sistema, si propongono sistemi di purificazione che utilizzano il plasma a bassa temperatura per eliminare i virus dall'aria. I virus non rimangono intrappolati nei tessuti filtranti, ma vengono inattivati nel dispositivo al plasma e catturati sugli elettrodi. Anche in questo caso, il gruppo di ricerca Fraunhofer nel progetto AVATOR ha ottenuto miglioramenti. »I nostri colleghi dell'IPM Fraunhofer hanno sviluppato elettrodi autopulenti basati sulla tecnologia di un partner industriale del settore automobilistico – la pulizia convenzionale non è più necessaria«, spiega Grün.

»Virusgrill«: sterilizzazione a temperatura elevata

I filtri d'aria e il plasma rimuovono i virus dall'aria. Un approccio completamente diverso per evitare infezioni è quello adottato dal »Virusgrill«: riscaldano l'aria a oltre 90 gradi Celsius, rendendo i virus inattivi. Sebbene i virus rimangano nell'aria, non possono più moltiplicarsi – sono inattivati – e quindi non possono più nuocere alle persone. L'Istituto Fraunhofer IFAM di Dresda ha già dimostrato che il principio funziona. Grazie al recupero di calore molto efficiente, il funzionamento dell'apparecchio è energeticamente sostenibile e l'apporto di calore alla stanza è minimo. Questo è particolarmente importante in aule, uffici e altri ambienti non climatizzati. Attualmente, i ricercatori stanno continuando a sviluppare l'apparecchio, con particolare attenzione alla miniaturizzazione.

Divisori per ufficio

Un approccio utilizzato soprattutto in grandi uffici è stato sviluppato dai ricercatori di Fraunhofer ICT e IBP in collaborazione con un produttore di schiume. Utilizzano divisori acustici per purificare l'aria dal carico virale e ridurre il rischio di contagio. »L'intera superficie della schiuma è rivestita con un composto di argento antimicrobico – così possiamo ottenere una elevata inattivazione virale durante il passaggio dell'aria«, riassume Grün. È già stato realizzato un prototipo dimostrativo. Anche la funzione fonoassorbente non è trascurata: in particolare nel campo della voce umana, cioè tra circa 1000 e 4000 Hertz, si ottiene un'alta assorbenza acustica.

Disinfettanti virucidi per la disinfezione degli ambienti

Per la pulizia di ambienti vuoti, vengono utilizzati disinfettanti virucidi. Tuttavia, queste sostanze pericolose devono di solito essere trasportate sul luogo di utilizzo e conservate fino al momento dell'impiego. I ricercatori dell'IMM Fraunhofer hanno sviluppato un'alternativa più pratica: un reattore mobile che produce il virucida Peroxodicarbonato da una soluzione innocua di carbonato di sodio. Il virucida stesso si decompone in prodotti altrettanto innocui. Il reattore è già funzionante, e presso l'ITEM Fraunhofer sono in corso prove di tossicità – cioè si studia quanto sia efficace il virucida contro i microrganismi e se l'uso comporta rischi critici per persone e ambiente.

Validazione delle tecnologie con prova virale

Sia che si tratti di filtri d'aria classici, di Virusgrill o di divisori: le tecnologie di purificazione devono essere testate con precisione per verificarne l'efficacia. Tre istituti Fraunhofer si occupano di questa validazione: l'ITEM, l'IBP e l'IGB. Qui vengono nebulizzati virus non patogeni, sicuri per le persone, che tuttavia hanno dimensioni, struttura e RNA simili ai SARS-CoV-2. Questi cosiddetti virus surrogati vengono prodotti su scala, puliti, formulati come aerosol di prova e nebulizzati per testare le diverse tecnologie di purificazione. Per verificare l'efficacia dei nuovi metodi di inattivazione, i ricercatori analizzano la loro capacità infettiva e confrontano il numero totale di virus prima e dopo l'inattivazione.