Aerosole - Raumluftentkeimung - SARS-CoV-2

Hinweis: Das folgende stellt keine wissenschaftliche Abhandlung dar, sondern lediglich eine allgemeinverständliche, teilweise vereinfachte Beschreibung der Zusammenhänge. Es ist sicherlich nur für diejenigen interessant, die ein wenig hinter die Kulissen von SARS-CoV-2 sehen wollen und vielleicht Interesse daran haben unser Umgehen mit dem Virus-Problem beurteilen zu können.

Sollten sie Fehler finden, dann würden wir uns über einen Hinweis an info#uvrex.de freuen.

Das Problem

Ein Erwachsener atmet pro Stunde in Ruhe etwa tausend Liter Luft ein und typisch etwas mehr aus. Dabei entzieht seine Lunge der eingeatmeten Luft Sauerstoff und gibt gleichtzeitig Kohlendioxid und Feuchtigkeit als Gase an die Luft ab. Daneben aber werden auch feinste Tröpchen von diesem Ausatemstrom mitgerissen und ausgeatmet. Zusätzlich kann gasförmige Feuchte kondensieren, da die Ausautemluft typsich ca. 36°C warm und zu 100% mit Feuchtigkeit gesättigt ist.

Die abgeatmeten Tröpfchen variieren in Größe und Anzahl je Liter ausgeatmeter Luft. Sie bestehen grundsätzlich aus Speichel, der bekanntermaßen von den Speicheldrüsen der Mundhöle gebildet wird, aber auch sogennaten Mucinen die von unseren Schleimhäuten gebildet werden – beide bestehen im Wesentlichen aus Waser und wenigen Inhaltsstoffen – und hier kommt das Problem – manchmal sind auch Keime dabei.

Die Größe der Tröpfchen variiert riesig – sie kann von einigen Mikrometern bis hin zu hunderttausend Mikrometern (= 1/10 mm) reichen.
 
-> Der Mensch gibt beim Ausatmenn Luft (mit weniger Sauerstoff und mehr Kohlendioxid) und Feuchte und feinste Partikel ab.
Diese Partikel bestehen zum größten Teil aus Wasser, können aber auch Viren enthalten.

Der Mensch spuckt, wenn er ausatmet

Ein SARS-CoV-2 infizierter trägt auf seinen Schleimhäuten der oberen Atemwege bis zu 1011 Viren/mL. Das sind ca. 12mal soviele Viren, wie Menschen auf der Erde wohnen – eine beeindruckend hohe Zahl.Die Anazhl der Viren, die man zu einer Infektion eines gesunden benötigt, hängt von dessen Immunsystem und vielen anderen Faktoren ab – man geht aktuell von einer Größenordnung von 100-1000 Viren aus, die notwendig sind um einen Menschen mit 50% Wahrscheinlichkeit zu infizieren.

Nimmt man hier den höchsten Wert von 1000 Viren an, dann genügt ein Milliliter dieser hoch infektiösen Schleimhautflüssigkeit um hundert Millionen Menschen mit einer fünzig prozentigen Wahrscheinlichkeit zu infizieren!

Strömt die Ausatemluft an den Schleimhäuten vorbei, so werden über verschiedene Prozesse Tröpfchen dieser Schleimhautflüssigkeit in die Ausatemluft aufgenommen und ausgeatmet.

Je lauter der Infizierte ist, umso mehr Tröpfchen je Zeiteinheit werden ausgeatmet. Singen und Schreien sind besonders schlimm und lansames atmen durch die Nase am wenigsten schlimm. Bei lautem Sprechen gibt man etwa 0.03 mL/h Tröpfchen ab.
Diese Menge könnten dann also offensichtlich drei Milliarden Viren enthalten. Das ist das Problem in groben Zahlen.

Wenn ein kleines Aersoslpartikel mit 5 μm Durchmesser (ca. 1/10 eines Haars) vielleicht nur ein Virus enthält, dann könnte ein grösserer Tropfen mit z.B. 200  μm Durchmesser schon grob (200/5)³ = 64000!! Viren enthalten.

=> Die feinen Tröpfchen, die man beim Atmen ausstößt variieren in der Größe von wenigen μm bis hin zu 100.000 μm oder mehr.
Aerosolpartikel enthalten vielleicht einige wenige Viren, die großen Tröpchen aber leicht 50.000 oder mehr!

 

Was passiert mit den Tröpfchen nach dem Ausatmen?

Die ausgeatmeten Tröpfchen bestehen zu einem erheblichen Teil (> 90%) aus Wasser. Dieses Wasser verdunstet je nach Temperatur und Luftfeuchtigkeit recht schnell,  ( Bei rH=50% und 20°C verdunstet ein 50 μm Tröpfchen in nur drei Sekunden! ),  wodurch die schweren Tröpfchen ihren leichten in der Luft schwebenden Kollegen, den Aerosolpartikeln  immer ähnlicher werden.

Je schwerer die Tröpfchen sind, umso schneller fallen sie zu Boden. Kleine, leichte Tröpfchen, die man Aerosolpartikel nennt, können über viele Stunden in der Luft schweben.

Es kann auch nicht ausgeschlossen werden, daß die grossen Tröpfchen auf dem Boden weiter austrocknen und dann als kleine Aersolpartikel wieder in die Luft übergehen.

 

Wie kommt es zu Covid-19, oder wie kommt es zur Erkrankung?
Eine spannende Frage!

Auf Zell-Ebene muss SARS-CoV-2 Zellen finden an die er mit seinem Spike-Protein anbinden kann. Hierfür hat man ein Enzym lokalisiert – angiotensin-converting enzyme 2 – kurz ACE2 Rezeptor genannt. ACE2 findet man in Mund- und Nasen-Schleimhaut, im Nasen-Rachenraum, in der Lunge, im Magen, im Dünndarm, im Dickdarm, in der Haut, in den Lymph-Knoten, in der Thymus-Drüse,  im Knochenmark, in der Milz, in der Leber, in der Niere im Gehirn und auch in Herzmuskelzellen.

Damit eine Infektion erfolgen kann müssen die Zellen, an die SARS-CoV-2 anbindet dieses aber auch replizieren können. Hat SARS-CoV-2 Zellen gefunden, die es replizieren, dann ist die Sache noch nicht verloren (für den Wirt, also den Menschen in diesem Fall), denn dann kommt unser Immunsystem ins Spiel.
Wenn das Immunsystem den Eindringling erkennt, dann beginnt eine Kaskade von Abwehrreaktionen, die typischer Weise so stark ist, dass der Eindringling keine Chance hat und die Sache im Sande verläuft – der Erkranke zeigt vielleicht milde Symptome. Dass Alter nur ein grobes Maß für die Leistungsfähigkeit eines Immunsystems ist, ist jedem klar, aber man nimmt es wohl aus praktischen Gründen. Für Menschen bis zu 40 Jahren ist das statistische Risiko ernsthaft an Covid-19 zu erkranken (Stand 12/2020( sehr überschaubar und würde mit Sicherheit keinen Lock-Down rechtfertigen.
Eine problematische Covid-19 Erkrankung kann also nur dann entstehen, wenn SARS.-CoV-2 Zellen findet, an die es andocken kann (ACE2), diese auch in der Lage sind es zu replizieren und zudem muss das Immunsystem zu schwach isein die Angreifer-Flut zu bändigen.
 

Mit dem weltberühmten PCR-Test weist man DNA-Fragmente nach. Man cloned so lange bis “das Messgerät etwas anzeigt”.
Herr Mullis, der Entwickler, hatte seinerzeit darauf hingewiesen, dass cloning-cycle über 35 kritisch seien. Wenn man bedenkt, dass heute bei der SARS-CoV-2 Dignostik mit Werten von 45 (also 210 =1024 mal mehr) gearbeitet wird und die cloning cycle noch nicht einmal berichtet werden, dann ist mindestens ein großes Fragezeichen erlaubt. Es erscheint uns wie das Mitteilen eines Messwertes ohne Angabe der Einheit. PCR sagt nichts darüber ob das Virus dann überhaupt noch aktiv ist.

Ob ein Mensch infiziert ist weist man über Antikörper im Blut nach.

Ob das Virus, was man gefunden hat auch wirklich noch aktiv ist und in welcher Konzentration es vorliegt bestimmt man mit sogenannten Plaque essays. Im Prinzip verteilt man die Probe dabei auf einer Fläche und bedeckt diese mit Nährlösung. Da wo die Nährlösung weg ist, müssen Viren sie gegessen haben. So kann man vom ganz groben Prinzip her die Anzahl der aktiven Viren in einer Probe bestimmen. Natürlich sagt das noch nichts darüber aus, ob die Probe auch representativ ist.

Zurück zur Frage – wie kann man sich anstecken?
Es ist ein bischen wie das Einnehmen einer Festung – ein “Virus-Reiter” allein ist vielleicht chancenlos, aber wenn es hunderte sind – man ahnt es schon – die Zeit wird eine Rolle spielen – also wenn hunderte zum Beispiel gleichzeitig kommen, dann könnte es sein, dass die Burg in Gefahr gerät.
Bei SARS-CoV-2 geht man aktuell von 300-400 Viren innerhalb recht kurzer Zeit aus, die die Burg mit 50%iger Wahrscheinlichkeit einnehmen. Bei den neu aufgetretenen Mutanten dürfte die Zahl allerdings kleiner werden – wir werden sehen!
 
Oben haben wir gesehen, dass ein einziger grosser Tropfen Spucke bereits über 50000 Viren enthalten könnte. Wenn man 400 davon braucht, dann könnte man theoretisch mit einem größeren Spucke-Tropfen 50000/400 = ca. 100 Personen infizieren! Nur weil das so ist funktionieren unsere selbstgebauten Masken und auch die OP-Masken – sie halten große Tropfen ab – nicht viel mehr.
Allerdings ist die Frage berechtigt was mit den Tropfen passiert, wenn sie von der Maske aufgefangen werden. Diese Frage steht aber “erst” seit ca. 12 Monaten im Raum. Nach wie vor gibt es keine Validierung der “Staubmasken”, keine Langzeit-Tests und keine Risiko-Analysen, die die Nebenwirkungen und die praktisch in einer großen Population erreichbare Wirkung abschätzen. Es ist für uns vollkommen unverständlich warum sich die verantwortliche Behörde nicht längst der Sache angenommen hat, die Milliarden von Menschen belastet und eventuell schlechter als möglich schützt.
 
=> Zur Ansteckung kommt es, wenn das Virus Zellen zum Andocken findet, die das Virus auch replizieren können. Die dritte Bedingung ist, dass die Anzahl der Viren die pro Zeiteinheit in das System (den Menschen) eingebracht werden, größer ist als die Zahl, die das Immunsystem in derselben Zeit deaktivieren kann.
Wenn diese drei Bedingungen erfüllt sind, dann kann es zur Erkrankung kommen.

Wie alt werden Viren?

Mit “leben” ist hier gemeint “infektiös sein” – sich replizieren können.

Die Antwort ist abhängig von verschiedenen Faktoren, wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und der UV-Strahlung. Im geschlossen Raum ohne jeden UV-Anteil geht man von einer Lebensdauer von ca. 1 Stunde aus. An Oberflächen kann sich die Zeit auf Tage verlängern. In ausgebauten Flugzeugfiltern hat man SARS-CoV-2 noch nach mehr als einer Woche nachweisen können. Daran sollte man bei einem Wechsel eines Raumluftfilters und auch bei dessen Entworgung denken.
Allerdings kann es sein, dass die Viren nur “alte” sind, die schon lange nicht mehr aktiv sind. Auch der PCR Test kann im besten Fall mitteilen, dass er ein Virus gefunden hat, aber nicht ob das ein alter ungerfährlicher ist.

SARS-CoV-2 zieht etwas kühleres Ambiente vor, Temperaturen über 70°C mag es gar nicht und steigende Feuchtigkeit verringert auch seine Lebensdauer.
Im Winter sollte man also versuchen die Luft anzufeuchten. Der Nutzen kann groß sein – bei 24°C und 20% Feuchtigkeit wird das Virus fast acht mal so alt wie bei 35°C und 60%!

 

Wie bekommt man die Viren wieder aus der Luft?

  1. Man kann virenhaltige Luft durch virenfreie Frischluft austauschen
  2. Man kann die Luft filtern
  3. Man kann die Luft entkeimen (UV)
  4. Man kann, nachdem der Raum nicht mehr benutzt wird, warten
Zu 1 – Lüften
Die Luft außerhalb des Gebäudes ersetzt die Luft im Raum.
Bei aktiver Lüftung – Klimaanlagen – blasen Ventilatoren Frischluft in den Raum (ältere Anlagen blasen häufig Mischluft – diese Anlagen sind hier nicht gemeint. Mischluft kann Luft aus anderen Räumen enthalten was gefährlich werden kann. In großen Industriekomplexen mit alten Anlagen legen Grippewellen in der Belegschaft häufig seit Jahrzehnten ein deutliches Zeugnis ab. 
Bei passiver Lüftung (Fenster auf) sind treibende Faktoren Druckdifferenzen und Temperaturunterschiede – in geringem Maße Diffusion.
Vorteile
  • Wenn Außenluft frisch ist, dann kann es sein, dass diese Frischluft in den Raum gelangt und “verbrauchte” Luft ersetzt wird
  • Passiv-Lüftung – keine Invest-Kosten
Nachteile-Passiv-Lüftung
  • Nicht zuverlässig – die Funktion ist von vielen zum Teil nicht beeinflussbaren Faktoren abhängig.
    Kann funktionieren, muss aber nicht – nur verwendbar, wenn man ein Nicht-Funktionieren in Kauf nehmen kann.
  • Lärm,. Regen, Schnee, Fenster-Öffnungsprobleme, Risiko – können Lüften unmöglich machen
  • Eventuell hohe Betriebskosten – alle zwanzig Minuten den Raum für einige Minuten zu lüften kann teuer werden
  • Trocknung – im Winter lüften trocknet die Luft, was die Lebensdauer von SARS-CoV-2 verlängert.
Nachteile Aktiv-Lüftung
  • Selten werden Raumluftwechselraten erreicht, die Virenbelastungen wirksam verringern
  • Bei fehlender Befeuchtung auch hier Trocknung der Raumluft
  • Bei Feuchteaustausch mit Abluft eventuell Rekontamination
 

Zu 2 – Filtern

Ein Ventilator drückt Luft durch einen Filter

Vorteile
  • Bei richtiger Auslegung zuverlässige Funktion
  • Entfernt Fein-Partikel aus der Luft (Stichwort PM 2.5/10)
Nachteile
  • Hohe Bertriebs und Ersatzteilkosten
  • Riskannte Wartung, ungeklärte Entsorgung
  • Hohes Invest
  • Wegen des relativ hohen Differenzdrucks laut, besonders zum Lebensdauerende des Filters
  • Keine Frischluftzufuhr
  • Risiko der Verkeimung
Bemerkung zur Auslegung von Filteranlagen – hohe Filterklassen eventuell kontraproduktiv

Bedauerlicher Weise empfehlen viele auch Behörden Hepa Filter der sehr hohen Filterklassen. Das ist nach unserer Ansicht und wir beschäftigen uns seit Jahrzehnten mit diesen Themen nur in den wenigsten Fällen kaufmännisch und technisch sinnvoll. Eine Raumluftfiltration ist eine sogenannte Bypass-Filtration. Man kann sehr leicht zeigen, dass es erheblich besser ist “schlechtere”  Filter mit hohem Flow zu verwenden als “Super-Filter” die einen hohen Differenzdruck erfordern also bei gleicher Leistung mit erheblich geringeren Flows arbeiten. Noch weniger sinnvoll ist es unserer Meinung nach bestehende Anlagen mit Filtern der hohen Klassen umzurüsten. Die Lebensdauer der Filter sinkt, wegen der höheren Differenzdrücke sinkt der Flow usw.
Natürlich gibt es auch Anwendungen, wo alles anders ist, aber in der Regel ist es so.

Hohe Filterklassen z.B. H14 bedeuten in einer für SARS-VoV-2 gedachten Anwendung typisch mehr Abfall und höhere Kosten bei gleichzeitig schlechterer Entkeimungs-Wirkung als H13 Filter.

Zu 3 – UV-Entkeimen – hier gemeint Durchflussentkeimung in geschlossenen Reaktoren

Luft wird mit UV-Licht bestrahlt – typisch mit UVC. Das Prinzip der UV-Entkeimung ist das gleiche wofür Herr Einstein seinen
Nobelpreis erhalten hat. Licht lässt sich als Teilchenstrom von
Photonen beschreiben. Eine UVC Quelle schießt Photonen in die Luft, die die Virus DNA/RNA beschädigen, sodaß keine aktiven Viren mehr repliziert werden können.
Vorteile
  • Sehr zuverlässige Funktion (bei richtiger Auslegung)
  • Deutlich geringere Betriebskosten als Filtration
  • Geringere Lärmentwicklung als Filtration
  • Deutlich geringerer Wartungsaufwand als Filtration
 Nachteile
  • UV Reaktoren sind eventuell staubempfindlich
Bemerkung

Die UV-Entkeimung ist ein wunderbar einfaches Prinzip welches über Milliarden von Jahren bewährt ist – das Prinzip der UV-Entkeimung scheint schon bei der Entstehung von RNA hilfreich gewesen sein indem es die “Herstellung” von Guanin ermöglichte. Technisch wird die UV-Entkeimung in Europa seit über hundert Jahren verwendet, seit Jahrzehnten gibt es bereits DIN-Normen, die die Auslegung von Anlagen zur Entkeimung von Wasser vorgeben. UV Luft-Entkeimung ist im europäischen Raum bisher fast unbekannt gewesen.

Während man also in Europa tatsächlich noch darüber streitet, ob UV-Entkeimung von Luft und Oberflächen funktioniert, sind deartige Anlagen in Amerika und Asien längst Stand der Technik.

Forderung an Behörden – Umweltbundesamt /  IRK etc.
Die Validierung von UV-Entkeimungsanlagen und Filtern ist teuer und kann auch große Firmen überfordern. Die Behörden sollten kostenfreie Validierungsangebote unterbreiten und DIN/EN-Normen wengistens als Vorab-Version aufsetzen – jetzt!