Binnenlucht: effectief van virussen ontdoen

Met virus-infectietests, bijvoorbeeld een plaque- of TCID50-test, onderzoeken de Fraunhofer-onderzoekers of de lucht na inactivatie nog infectieuze en daarmee overdraagbare virussen bevat. © Fraunhofer IGB

Numerische Simulation der Aerosolausbreitung in einem Klassenzimmer: Eine infizierte Person sitzt in der vorderen rechten Ecke des Klassenzimmers. Die ausgewählte Schnittebene zeigt die Konzentrationsverteilung des virenhaltigen Aerosols. Ein Raumluftreiniger filtert die aerosolbeladene Luft und führt sie gereinigt zurück. © Fraunhofer EMI / Numerische Simulation der Aerosolverteilung in einem Klassenzimmer: Eine infizierte Person sitzt in der vorderen rechten Ecke des Klassenzimmers. Die gewählte Querschnittsansicht zeigt die Konzentrationsverteilung des virushaltigen Aerosols. Ein Raumluftreiniger filtert die aerosolbeladene Luft und gibt sie gereinigt zurück. © Fraunhofer EMI

Apparatuur voor thermische inactivatie van aerosol-gedragen virussen. © Fraunhofer IFAM / Apparaat voor thermische inactivatie van aerosol-gedragen virussen. © Fraunhofer ITWM

Mobiele reactorunit voor gebruik ter plaatse. © Fraunhofer IMM / Mobiele reactorunit voor gebruik ter plaatse. © Fraunhofer IMM

Hoe kan de lucht in binnenruimtes effectief van virussen worden bevrijd? Deze vraag blijft belangrijk, vooral voor scholen is een zinvolle luchtzuivering essentieel. In het project AVATOR onderzoeken en optimaliseren Fraunhofer-onderzoekers verschillende filters en luchtzuiveringstechnologieën.

In alle Duitse deelstaten is de school weer in volle gang – met volledige klasgrootte. Kinderen en jongeren zitten dicht op elkaar in de klaslokalen, velen van hen vanwege hun jonge leeftijd niet gevaccineerd. Om het besmettingsrisico te minimaliseren, stimuleren deelstaatregeringen en cultuurministeries de aanschaf van kamerluchtzuiveraars. Maar wat kunnen de verschillende technologieën voor luchtzuivering daadwerkelijk doen? Dit belichten onderzoekers uit in totaal 15 Fraunhofer-instituten en -instellingen onder leiding van het Fraunhofer-Instituut voor Bouwfysica IBP in het Fraunhofer-project AVATOR, kort voor »Anti-Virus-Aerosol: Testing, Operation, Reduction«. Ze onderzoeken en optimaliseren ook nieuwe reinigingstechnologieën die nog niet op de markt zijn.

Traditionele kamerluchtfilters

De bekendste luchtzuivering gebeurt door de klassieke kamerluchtfilters. Ze zuigen de lucht door een filtervlies, waarin de virussen blijven hangen, en geven de gereinigde lucht weer af in de ruimte. Hoe zulke apparaten effectief kunnen worden ingezet, laten simulaties van het Fraunhofer EMI zien aan de hand van een klaslokaal: Met een zinvol ingestelde luchtverversingsgraad en geschikte positionering kan de aerosolenconcentratie na 10 tot 15 minuten werking worden gereduceerd tot ongeveer de helft. De simulaties tonen ook aan: de aerosolenconcentratie hangt af van de specifieke omstandigheden en is niet voor alle posities in het klaslokaal gelijk. Om de kamerlucht nog beter van de aerosolen die bij het ademen vrijkomen – vooral van de virushoeveelheid – te kunnen reinigen, hebben de onderzoekers van het Fraunhofer LBF en IAP de kunststoffen voor het vervaardigen van vliesmaterialen voorzien van additieven. »De filterwerking van de vliesmaterialen berust op drie verschillende mechanismen«, legt Prof. Dr. Gunnar Grün uit, plaatsvervangend leider van het Fraunhofer IBP en leider van het project AVATOR. »Grote deeltjes passen niet door het vlies heen, ze worden eruit gesorteerd. Iets kleinere deeltjes worden afgeremd, ze blijven door hun traagheid hangen in het vliesmateriaal. De polaire additieven beïnvloeden de filterprestatie met betrekking tot de kleinste deeltjes, die vanwege oppervlakte-effecten aan het filtermateriaal blijven kleven.« Precis deze oppervlakte-effecten veranderen de wetenschappers door de additieven, zodat de kleinste deeltjes efficiënter worden uitgevangen. Aangezien de totale filterprestatie wordt bepaald door de minst afgevangen deeltjesgrootte – en dit meestal zeer kleine deeltjes zijn (ongeveer 200 μm tot 300 μm) – kan de efficiëntie door deze coating nog eens worden verhoogd. Hoewel er al benaderingen bestaan om de filterprestatie te verbeteren door additieven, zijn de zo geoptimaliseerde filtervliesmaterialen ontworpen voor de gebruikelijke oliebased testaerosolen. De aerosolen die mensen in de lucht afgeven, zijn echter watergebaseerd en gedragen zich daarom anders. »We konden vooral de efficiëntie bij deze bio-aerosolen verhogen«, zegt Grün. De bijbehorende watergebaseerde testaerosolen genereren de onderzoekers van het Fraunhofer IMM op basis van liposomen, samen met een apparaat voor optische detectie van virusdeeltjes in de kamerlucht.

Luchtzuivering door plasma

Hoe goed de kamerluchtfilters ook werken in klaslokalen en vergelijkbare ruimtes: in omgevingen zoals bijvoorbeeld koude en vochtige koelruimtes of slachthuizen stoten ze op hun grenzen – vooral bij het upgraden. Om hier geen extra luchtweerstand in het systeem te brengen, bieden reinigingsinstallaties uitkomst die met behulp van laagtemperatuurplasma de lucht van virussen ontdoen. De virussen blijven daarbij niet aan filtervliesmaterialen hangen, maar worden in het plasmagereedschap gedeactiveerd en afgezet op elektroden. Ook hier heeft de Fraunhofer-onderzoeksgroep in het project AVATOR verbeteringen kunnen realiseren. »Onze collega’s van het Fraunhofer IPM hebben op basis van de technologie van een industrieel partner uit de automobielsector zelfreinigende elektroden ontwikkeld – de gebruikelijke reiniging vervalt daarbij«, legt Grün uit.

»Virusgrill«: oververhittingsterilisatie

Kamerluchtfilters en plasma verwijderen de virussen uit de lucht. Een heel andere aanpak om besmettingen te voorkomen, kiezen de onderzoekers met de »Virusgrill«: Ze verhitten de lucht tot boven de 90 graden Celsius en maken de virussen daarmee onschadelijk. Hoewel de virussen in de lucht blijven, kunnen ze zich niet meer vermenigvuldigen – ze worden geïnactiveerd – en kunnen de mensen dus niets meer aandoen. Het Fraunhofer IFAM in Dresden heeft al kunnen aantonen dat het principe werkt. Door de zeer hoge warmte-terugwinning is een energie-efficiënte werking van de luchtzuivering mogelijk en wordt de warmte-inbreng in de ruimte geminimaliseerd. Dit is vooral belangrijk in klaslokalen, kantoren en andere niet-gekoelde ruimtes. Momenteel ontwikkelen de wetenschappers de apparatuur verder. Vooral de miniaturisering staat op de agenda.

Kantoorscheidingswanden

Een aanpak die vooral in grote kantoorruimtes wordt toegepast, is ontwikkeld door Fraunhofer ICT en Fraunhofer IBP samen met een producent van schuimstoffen. Zij gebruiken geluidsabsorberende scheidingswanden om de lucht van virussen te ontdoen en het besmettingsgevaar te minimaliseren. »De gehele oppervlakte van het schuim wordt bedekt met een antimicrobiële zilververbinding – zo kunnen we bij doorstroming een hoge virusinactivatie bereiken«, vat Grün samen. Er bestaat al een demonstrator. Daarbij komt ook de geluidsabsorberende functie niet tekort: vooral in het bereik van menselijke spraak, dus tussen ongeveer 1000 en 4000 Hertz, is er een hoge geluidsabsorptie.

Viruzide voor ruimte-desinfectie

Wil men ruimtes die niet bezet zijn reinigen, dan worden viruziden ingezet. Deze gevaarlijke stoffen moeten echter gewoonlijk naar de locatie worden getransporteerd en tot gebruik worden opgeslagen. Daarom heeft het Fraunhofer IMM een praktisch alternatief ontwikkeld: een mobiele reactor die het viruzide peroxodicarbonaat produceert uit een onschadelijke natriumcarbonaatoplossing. Het viruzide zelf ontleedt in eveneens onschuldige producten. De reactor werkt al, en bij het Fraunhofer ITEM worden momenteel de toxiciteitsproeven uitgevoerd – dus wordt onderzocht hoe intensief de werking van het viruzide op micro-organismen is en of er een kritische belasting voor mens en milieu uit de toepassing voortkomt.

Validatie van de technologieën met virusdetectie

Of het nu gaat om klassieke kamerluchtfilters, de virusgrill of kamerschermen: de reinigingstechnologieën moeten nauwkeurig op hun efficiëntie worden getest. Drie Fraunhofer-instituten houden zich hiermee bezig: het Fraunhofer ITEM, het Fraunhofer IBP en het Fraunhofer IGB. Daar worden voor mensen ongevaarlijke, niet-pathogene virussen verstoven die qua grootte, omhullende structuur en RNA-streng lijken op SARS-CoV-2-virussen. Deze zogenaamde surrogaatvirussen worden op grote schaal geproduceerd en gereinigd, geformuleerd als testaerosolen en als zodanig verstoven voor de verschillende reinigingstechnologieën. Om te controleren hoe effectief de nieuwe inactivatieprocedures zijn, analyseren de onderzoekers de besmettelijkheid en vergelijken ze het totale aantal virussen vóór en na de inactivatie.