Powietrze w pomieszczeniach: skutecznie pozbyć się wirusów

Za pomocą testów na infekcję wirusową, np. testu plamkowego lub TCID50, badacze z Fraunhofer sprawdzają, czy powietrze po inaktywacji nadal zawiera infekcyjne i zatem zaraźliwe wirusy. © Fraunhofer IGB

Symulacja numeryczna rozprzestrzeniania się aerozolu w klasie: Zainfekowana osoba siedzi w prawym przednim rogu klasy. Wybrany przekrój pokazuje rozkład stężenia aerozolu zawierającego wirusy. Oczyszczacz powietrza w pomieszczeniu filtruje powietrze z aerozolem i zwraca je oczyszczone. © Fraunhofer EMI / Numerical simulation of the aerosol dispersion within a classroom: An infected person sits in the front right corner of the classroom. The selected crosssection shows the concentration distribution of the virus-containing aerosol. A room air purifier filters the aerosol-laden air and returns it purified. © Fraunhofer EMI

Urządzenie do termicznej inaktywacji wirusów przenoszonych w aerozolu. © Fraunhofer IFAM / Device for the thermal inactivation of aerosol-borne viruses. © Fraunhofer ITWM

Mobilna jednostka reaktora do użytku na miejscu. © Fraunhofer IMM / Mobile reactor unit for on-site use. © Fraunhofer IMM

Jak skutecznie oczyścić powietrze w pomieszczeniach z wirusów? To pytanie jest nadal aktualne, szczególnie dla szkół, gdzie odpowiednia oczyszczanie powietrza jest niezbędne. W projekcie AVATOR naukowcy z Fraunhofer badają i optymalizują różne technologie filtracji i oczyszczania powietrza.

We wszystkich niemieckich krajach związkowych szkoły działają pełną parą – z pełną obsadą klas. Dzieci i młodzież siedzą blisko siebie w klasach, wiele z nich z powodu młodego wieku jest niezaszczepionych. Aby zminimalizować ryzyko zarażenia, rządy krajowe i ministerstwa edukacji wspierają zakup oczyszczaczy powietrza w pomieszczeniach. Ale co tak naprawdę potrafią różne technologie oczyszczania powietrza? Na to pytanie odpowiadają naukowcy z 15 instytutów i placówek Fraunhofer, kierowani przez Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP w ramach projektu AVATOR, skrót od „Anti-Virus-Aerosol: Testing, Operation, Reduction”. Badają i optymalizują również nowe technologie oczyszczania, które jeszcze nie są dostępne na rynku.

Klasyczne filtry powietrza

Najbardziej znaną metodą oczyszczania powietrza są klasyczne filtry powietrza. Przepuszczają one powietrze przez materiał filtracyjny, w którym zatrzymują się wirusy, i zwracają oczyszczone powietrze do pomieszczenia. Jak skutecznie można je stosować, pokazują symulacje przeprowadzone przez Fraunhofer EMI na przykładzie klasy szkolnej: przy odpowiednio ustawionej wymianie powietrza i właściwej lokalizacji, koncentracja aerozoli po 10 do 15 minutach pracy może zostać zmniejszona do połowy. Symulacje pokazują również, że koncentracja aerozoli zależy od konkretnych warunków i nie jest taka sama we wszystkich miejscach w klasie. Aby jeszcze lepiej oczyścić powietrze z aerozoli wydychanych podczas oddychania – a szczególnie z ich wirusowego obciążenia – naukowcy z Fraunhofer LBF i IAP dodali do tworzyw sztucznych używanych do produkcji materiałów filtracyjnych dodatki. „Skuteczność filtracji materiałów filtracyjnych opiera się na trzech różnych mechanizmach”, wyjaśnia prof. dr Gunnar Grün, zastępca kierownika Fraunhofer IBP i kierownik projektu AVATOR. „Większe cząstki nie przechodzą przez materiał, są wyłapywane. Nieco mniejsze cząstki są hamowane, zatrzymują się dzięki swojej masie w materiale filtracyjnym. Polarne dodatki wpływają na wydajność filtracji w przypadku najmniejszych cząstek, które dzięki efektom powierzchniowym przyczepiają się do materiału filtra.” To właśnie te efekty powierzchniowe naukowcy modyfikują za pomocą dodatków, aby skuteczniej wyłapywać najmniejsze cząstki. Ponieważ ogólna skuteczność filtra jest określana przez najmniejsze cząstki, które są zatrzymywane, a są to zwykle bardzo małe cząstki (około 200 do 300 μm), można jeszcze zwiększyć skuteczność dzięki tej powłoce. Istnieją już rozwiązania poprawiające skuteczność filtracji za pomocą dodatków, ale filtry te są dostosowane do zwykłych aerozoli na bazie oleju. Aerozole wydychane przez ludzi są wodne i zachowują się inaczej. „Udało nam się szczególnie zwiększyć skuteczność w przypadku tych bio-aerozoli”, mówi Grün. Naukowcy z Fraunhofer IMM generują odpowiednie aerozole wodne na podstawie liposomów, wraz z urządzeniem do wizualnego wykrywania cząstek wirusów w powietrzu.

Oczyszczanie powietrza za pomocą plazmy

Tak dobrze działają filtry powietrza w klasach i innych pomieszczeniach: w środowiskach takich jak chłodne i wilgotne chłodnie czy rzeźnie, mogą jednak napotkać swoje ograniczenia – szczególnie przy modernizacji. Aby nie wprowadzać dodatkowego oporu powietrza do systemu, proponuje się urządzenia oczyszczające, które wykorzystują niskotemperaturową plazmę do usuwania wirusów z powietrza. Wirusy nie zatrzymują się na materiałach filtracyjnych, lecz są dezaktywowane w plazmowym urządzeniu i osadzane na elektrodach. Również tutaj zespół badawczy Fraunhofer w ramach projektu AVATOR osiągnął postępy. „Nasi koledzy z Fraunhofer IPM opracowali na bazie technologii partnera przemysłowego z branży motoryzacyjnej samoczyszczące elektrody – standardowe czyszczenie nie jest już konieczne”, wyjaśnia Grün.

„Virusgrill”: sterylizacja przez nadmierne nagrzewanie

Filtry powietrza i plazma usuwają wirusy z powietrza w pomieszczeniach. Niezwykle innowacyjnym podejściem, aby zapobiec zarażeniom, jest „Virusgrill”: naukowcy podgrzewają powietrze do temperatury powyżej 90 stopni Celsjusza, co unieszkodliwia wirusy. Wirusy pozostają w powietrzu, ale nie mogą się już rozmnażać – są inaktywowane – i nie stanowią zagrożenia dla ludzi. Fraunhofer IFAM w Dreźnie już potwierdził skuteczność tej metody. Dzięki wysokiej odzyskowi ciepła możliwa jest energooszczędna eksploatacja oczyszczania powietrza, a dopływ ciepła do pomieszczenia jest minimalny. Jest to szczególnie ważne w klasach, biurach i innych nieklimatyzowanych pomieszczeniach. Obecnie naukowcy rozwijają urządzenie dalej, zwłaszcza w kierunku miniaturyzacji.

Podział pomieszczeń biurowych

Rozwiązanie, które szczególnie sprawdza się w dużych biurach, opracowały zespoły Fraunhofer ICT i IBP we współpracy z producentem pianek. Używają one dźwiękochłonnych podziałów pomieszczeń, aby oczyścić powietrze z wirusów i zmniejszyć ryzyko zarażenia. „Cała powierzchnia pianki jest pokryta antybakteryjnym związkiem srebra – dzięki temu podczas przepływu powietrza możemy osiągnąć wysoką inaktywację wirusów”, podsumowuje Grün. Już istnieje demonstrator. Podział spełnia również funkcję pochłaniania dźwięku: szczególnie w zakresie ludzkiej mowy, czyli od około 1000 do 4000 Hz, występuje wysoka absorpcja dźwięku.

Dezynfekcja pomieszczeń wirusami

W przypadku nieużywanych pomieszczeń stosuje się środki wirusobójcze. Jednak te substancje niebezpieczne zazwyczaj muszą być transportowane do miejsca użycia i przechowywane do momentu zastosowania. Naukowcy z Fraunhofer IMM opracowali bardziej praktyczną alternatywę: mobilny reaktor, który wytwarza wirusobójczy Perokarbonian sodu z bezpiecznego roztworu węglanu sodu. Sam środek wirusobójczy rozkłada się na równie bezpieczne produkty. Reaktor jest już gotowy do użycia, a w Fraunhofer ITEM trwają obecnie testy toksyczności – bada się, jak silny jest wpływ środka na mikroorganizmy i czy stosowanie wiąże się z ryzykiem dla ludzi i środowiska.

Walidacja technologii z wykrywaniem wirusów

Bez względu na to, czy to klasyczne filtry powietrza, czy „Virusgrill” lub podział pomieszczeń: technologie oczyszczania muszą być dokładnie sprawdzone pod kątem skuteczności. W tym zakresie pracują trzy instytuty Fraunhofer: ITEM, IBP i IGB. Tam rozpylają one dla ludzi nieszkodliwe, niepatogenne wirusy, które pod względem wielkości, otoczki i RNA przypominają wirusy SARS-CoV-2. Te tzw. surrogaty wirusowe są produkowane na skalę, oczyszczane, formułowane jako aerozole testowe i rozpylane do różnych technologii oczyszczania. Aby sprawdzić, jak skuteczne są nowe metody inaktywacji, naukowcy analizują ich zdolność do zakażania i porównują liczbę wirusów przed i po inaktywacji.