Technik
Licht 3 | 2022

Schutz gegen Viren und Keime

Desinfektion und Luftentkeimung mit UV-C

Seit fast zwei Jahren begleitet uns nun das Thema UV-C-Desinfektion. Diese bewährte Technologie hat seit der Corona-Pandemie ordentlich an Fahrt aufgenommen. Ob fest verbaute Raumluftanlage oder mobiles Gerät – die Desinfektion mit UV-C-Strahlen funktioniert technisch einwandfrei und ist sicher. Neue Produkte sind auf dem Markt und dank Förderprogrammen ist eine Umsetzung auch finanziell stemmbar. Doch hinken viele öffentliche Gebäude bei der Umrüstung hinterher, insbesondere in Schulen. Kommunen sind weiterhin skeptisch und scheuen die bürokratischen Hürden. Dabei gibt es auch positive Beispiele, die wir Ihnen auf den folgenden Seiten vorstellen, darunter auch neue Studien, Technologien und Produkte.

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Abb.: Beim »UVCA200« wird die Raumluft kontinuierlich mithilfe eines Ventilators angesaugt und ins Innere des Gehäuses geleitet. Dort wird die Luft durch die UV-C-Lampen desinfiziert und tritt gereinigt an der Oberseite wieder aus. Foto: Signify Signify

7.500 Geräte für Münchens Schulen

Um Kindern und Lehrkräften einen zusätzlichen Schutz vor Keimen und Viren zu bieten, stattet München einen Teil seiner Schulen mit rund 7.500 UV-C-Luftdesinfektionsgeräten von Philips aus. Startschuss für die Auslieferung fiel an der Grundschule an der Helmholtzstraße.

Es gilt innerhalb der Forschung als gesichert, dass die Übertragung über die Luft einer der Hauptinfektionswege für SARS-CoV-2 ist, insbesondere in geschlossenen, schlecht belüfteten Räumen [1,2]. Um das Ansteckungsrisiko mit herkömmlichem Lüften zu verringern, wäre ein Luftaustausch mindestens sechsmal pro Stunde erforderlich. Mit jedem Luftwechsel lässt sich der Gehalt an Krankheitserregern jedoch nur um 63 % reduzieren. Zudem kann das Lüften je nach Außentemperatur zu Unbehagen der Anwesenden sowie zu einem höheren Energieverbrauch führen. Eine Alternative stellt die UV-C-Technologie zur Luftdesinfektion dar. In Kombination mit einer Grundlüftung sowie Raumklimalösungen bieten UV-C-Leuchten eine wirksame Möglichkeit zur Reinigung der Raumluft von Krankheitserregern. Gleichzeitig werden Unannehmlichkeiten wie Zugluft, Kälte oder Hitze vermieden. Die Luftreiniger sorgen für eine kontinuierliche Desinfektion der Raumluft [3] und inaktivieren Bakterien und Viren, darunter auch SARS-CoV-2. Die neuen mobilen Geräte von Signify sind einfach und sicher in der Anwendung und können die Luft in den Klassenzimmern dank ihrer geschlossenen Konstruktion und geringen Lautstärke auch während des Unterrichts kontinuierlich desinfizieren.

Vor diesem Hintergrund hat die bayerische Landeshauptstadt im dritten Quartal 2021 die Anschaffung von rund 7.500 mobilen Philips UV-C-Luftdesinfektionsgeräten beschlossen. An der dreizügigen Grundschule im Münchener Stadtteil Neuhausen-Nymphenburg kommen pro Klassenraum jeweils zwei der mobilen Luftreiniger zum Einsatz, weitere in den Fach- und Betreuungsräumen. Insgesamt werden an dieser Schule über 50 mobile Philips UV-C Geräte für die rund 230 Schulkinder integriert. Durch kleine Rollen und das einfache Anschließen an herkömmliche Steckdosen können die Geräte überall platziert und flexibel eingesetzt werden.

»Gerade in der kalten Jahreszeit stellt das kontinuierliche Lüften in den Klassenräumen eine Herausforderung dar. Als moderne Schule freuen wir uns, dass wir auf technologische Möglichkeiten für den Schutz unserer SchülerInnen und Lehrkräfte setzen dürfen«, sagt Rektorin Manuela Kirschenmann. »Mit den mobilen UV-C-Luftreinigern wurde eine gleichermaßen praktische als auch wirksame Lösung gefunden, um zu einer keim- und virenfreien Luft beizutragen, ohne dabei den Unterricht einzuschränken.«

Das Besondere am neuen Philips Luftdesinfektionsgerät »UVCA200« ist, dass die Raumluft kontinuierlich mithilfe eines Ventilators angesaugt und ins Innere des Gehäuses geleitet wird. Nur dort wird die Luft den UV-C-Lampen ausgesetzt und desinfiziert, bevor sie gereinigt an der Oberseite wieder austritt und sich innerhalb des Zimmers mit der weiteren Raumluft vermischt. Die kontinuierliche Anwendung ist auch während des Unterrichts bei einem geringen Geräuschpegel möglich. Dank Kindersicherung und intuitivem Touch-Display ist die Steuerung der UV-C-Geräte simpel. »Wir sind stolz darauf, einen erheblichen Teil der Münchener Schulen mit unserer UV-C-Technologie und unseren geschlossenen Philips UV-C-Luftreinigern zu unterstützen und so zur Aufrechterhaltung des Schulbetriebs beitragen zu können,« so Rada Rodriguez, Geschäftsführerin Signify DACH.

Abb.: Durch kleine Rollen und das einfache Anschließen an herkömmliche Steckdosen können die mobilen Geräte überall platziert und flexibel eingesetzt werden. Foto: Signify Signify

Quellen

[1] Lüftungskonzepte in Schulen zur Prävention einer Übertragung hochinfektiöser Viren (SARS-CoV‑2) über Aerosole in der Raumluft. Birmili, W. et al. Bundesgesundheitsblatt – Gesundheitsforschung – Gesundheitsschutz; 1-11, 2021.

[2] Ten scientific reasons in support of airborne transmission of SARS-CoV-2. Greenhalgh, T. et al. The Lancet; Vol. 397-10285, Mai 2021. Abrufbar unter https://url.rpv.media/4pl

[3] Henan Zhongke Lianchuang Test Service Co., Ltd. Testfazit: Das Philips UV-C-Luftdesinfektionsgerät UVCA200 wurde jeweils für 60 Minuten und 120 Minuten in der Prüfkammer mit 80 m³ betrieben; die Inaktivierungsrate natürlicher Bakterien betrug ≥ 90 % bei jedem Test und entsprach damit den Anforderungen von WS/T648-2019ff (Allgemeine hygienische Anforderungen) an ein Luftdesinfektionsgerät.

Neue Studie zur Wirksamkeit von UV-C-Luftentkeimern in Klassenzimmern

Die Dinies Technologies GmbH untersuchte in Kooperation mit der HTWK Leipzig die Wirksamkeit von UV-C-Luftentkeimungsgeräten in ungelüfteten Klassenräumen. Mit Hilfe von Strömungssimulationen zur Verbreitung von Virenpartikeln in der Raumluft konnte im Vergleich zu experimentellen Untersuchungen unter Realbedingungen gezeigt werden, dass UV-C-Luftentkeimer zur Aufbereitung kontaminierter Raumluft geeignet sind.

Die Wirksamkeit von UV-C Luftentkeimern wurde in einem Klassenraum während des Unterrichts untersucht. In einer Grundschule im Schwarzwald wurde hierfür ein 65 m2 großes, voll besetztes Klassenzimmer mit hochempfindlichen Keimzählern sowie zwei Luftentkeimungsgeräten der Firma Dinies ausgestattet. Diese Geräte haben u. a. den Vorteil, dass sie nur geringe Wartung erfordern und der Austausch von kontaminierten Filtern entfällt, die beim Austausch erneut das Risiko einer Verkeimung darstellen können. Die eingebauten UV-C-Röhren inaktivieren Viren und Bakterien völlig geräuscharm. Zudem sind die Geräte leicht zu installieren sowie sehr platzsparend.

Die Luftkeimtestung wurde über drei Schulstunden durchgeführt. Auf eine Fremdlüftung nach den jeweiligen Schulstunden wurde verzichtet, um den Effekt der Luftentkeimung nicht zu verfälschen. Zur Bewertung der Entkeimungsleistung wurden die Realmessungen der Dinies Technologies GmbH mit den Strömungssimulationen der HTWK Leipzig (Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig) verglichen. In den Simulationen wurde dabei der Klassenraum mit einer Anfangskonzentration viral kontaminierter Luft versehen, die über den betrachteten Zeitraum fortlaufend durch eine infektiöse Lehrperson im Raum bzw. deren Atmung vergrößert wird. Wie allgemein zu erwarten, zeigen die Ergebnisse zunächst, dass bei geschlossenen Fenstern mit einem deutlichen Anstieg der Keimbelastung im Raum zu rechnen ist (blau gestrichelte Kurve, s. Abb.). In der Abbildung ist zudem deutlich zu erkennen, dass der Einsatz von UV-C-Geräten die Keimbelastung (grüne Kurve) von Anfang an senkt, was gut mit den experimentellen Messungen übereinstimmt (orange Kurve). Die Simulationsergebnisse weisen dabei jedoch eine geringfügig bessere Entkeimungsleistung im Vergleich zur realen Keimmessung auf, da in den Strömungssimulationen nicht jegliche Keime abgebildet werden können, die unter Umständen eine längere UV-C Bestrahlung benötigen (einige Bakterien, Pilze). Bezogen auf Räume ohne Luftentkeimungsgeräte zeigen die Ergebnisse damit klar, dass eine deutliche Reduktion der Keimbelastung mit Hilfe von UV-C-Luftentkeimern erreicht werden kann, was wiederum zu einer Senkung des Infektionsrisikos führt.

Abb.: Veränderung der Keimbelastung im Klassenraum mit und ohne UV-C-Luftentkeimung im Laufe der Zeit. Zu sehen sind die simulierte Keimbelastung bei UV-C-Entkeimung, simulierte Keimbelastung ohne UV-C-Entkeimung und die experimentell gemessene Keimbelastung bei UVC-Entkeimung mit Dinies UV-C-Luftentkeimern. Grafik: Dinies Technologies Dinies Technologies GmbH

ZVEI-Schrift für Schulen und Eltern

Für Schulleiter und Lehrkräfte, Eltern und Schüler hat der ZVEI in einer aktuellen Informationsschrift kompakt zusammengefasst, wie die UV-C-Technologie arbeitet, was sie leistet und welche Planungsparameter wichtig sind. UV-C-Geräte im Klassenzimmer zur Luftentkeimung sind leise, einfach zu handhaben und dank ihrer geschlossenen Bauform auch sicher. In vielen Fällen sind sie eine sinnvolle Ergänzung zur Fensterlüftung und werden vom Umweltbundesamt empfohlen. Für eine unkomplizierte Nachrüstung eignen sich mobile Geräte – denn viele Schulen und Kitas haben bislang keine stationären Raumlufttechnischen Anlagen (RLT). Doch genügt die Leistung eines mobilen Gerätes für einen voll besetzen Klassenraum? Der ZVEI hat nachgerechnet: Das Atemvolumen von Kindern und Jugendlichen liegt deutlich unter dem von Erwachsenen. Im Unterricht nehmen sie meist eine ruhige Position ohne körperliche Anstrengung ein. Ein drei- bis vierfacher Raumluftwechsel pro Stunde kann somit verlässlich geplant werden.

Ein Standard UV-C-Luftentkeimungsgerät kann an einer Steckdose betrieben werden – ein 200-Watt-Gerät beispielsweise hat einen moderaten Stromverbrauch von etwa sieben Euro im Monat. Bei einer angenommenen Dauer von sechs Stunden pro Schultag an etwa 200 Tagen im Jahr beträgt die Betriebszeit der UV-C-Lampen circa 1.200 Stunden. Die durchschnittliche Lebenserwartung von UV-C-Strahlern liegt bei mindestens 9.000 Stunden. Das heißt, sie müssen etwa alle 7,5 Jahre gewartet werden – unabhängig von der behandelten Luftmenge und Keimanzahl.

Geschlossene UV-C-Luftentkeimer unterliegen den Sicherheitsanforderungen für Haushaltsgeräte nach DIN EN 60335-1 und DIN EN 60335-2-65. Entspricht ihre Technik diesen Normen, können Laien sie bedenkenlos nutzen. Wichtig ist auch das CE-Kennzeichen auf dem Gerät. Die neue technische Spezifikation DIN/TS 67506 »Entkeimung von Raumluft mit UV-Strahlung – UV-C-Sekundärluftgeräte« hilft, beim Einkauf professionelle Entkeimungslösungen von preisgünstiger »Placebo-Technik« zu unterscheiden. Denn sie fordert einen Nachweis der biologischen Wirksamkeit durch ein zertifiziertes Labor und dokumentiert die Effektivität des Geräts.

Unsichtbare Viren-Schutzwand für Innenräume

Trotz aller Vorsichtsmaßnahmen stellen virenbelastete Aerosole in Innenräumen immer noch ein wichtiges Problem dar. Eine von Forschenden des Tropeninstituts am LMU Klinikum und der Technischen Universität München (TUM) entwickelte unsichtbare Schutzwand aus UV-C könnte hier Abhilfe schaffen und in Zukunft die Ausbreitung von Viren und anderen Pathogenen in Räumen zuverlässig eindämmen, ohne die Bewegungsfreiheit der im Raum befindlichen Menschen einzuschränken.

Ein Forschungsteam des Tropeninstituts am LMU Klinikum München und der Technischen Universität München hat in Kooperation mit dem Start-up Smart United GmbH eine unsichtbare »Schutzwand« aus UV-C entwickelt. In ihrer als Preprint auf medRxiv veröffentlichten Untersuchung konnten sie zeigen, dass die von ihnen entwickelte Barriere aus UV-Strahlung die Ausbreitung von Krankheitserregern über die Luft in Innenräumen verhindert, indem sie die auf den Aerosol-Partikeln mitreisenden Erreger abtötet. Die Schutzrate wurde anhand von Modellorganismen überprüft. Dazu gehörten E. coli, S. aureus sowie ein Coronavirus. Bei Luftgeschwindigkeiten von 10 cm/s werden Inaktivierungsraten von über 99 Prozent erreicht.

Abb.: UV-C-Strahlung befreit Aerosole von Krankheitserregern wie den SARS-CoV-2-Viren. Es entsteht eine unsichtbare Virenschutzwand, die dahinter befindliche Personen schützt ohne die Bewegungsfreiheit der Menschen einzuschränken. Eine automatische Abschaltvorrichtung schützt hindurchgehende Personen vor der UV-Strahlung. Foto: iStockphoto V I Levi; Modifikation: Smart United GmbH iStockphoto V I Levi; Modifikation: Smart United GmbH

»Unser System kann man wie eine Lampe an der Decke aufhängen, um Räume abzutrennen. Das UV-C-Licht strahlt gebündelt nach unten ab. Wie mit einem Schutzvorhang werden dabei Pathogene inaktiviert, sobald sie auf Aerosol-Partikeln `hindurchschweben‘, erläutert PD Dr. med. Andreas Wieser, Facharzt für Mikrobiologie, Virologie und Infektionsepidemiologie am Tropeninstitut des LMU Klinikums.

Professor Christoph Haisch vom Lehrstuhl für Analytische Chemie und Wasserchemie der Technischen Universität München ergänzt: »Zusätzlich desinfiziert das System mit seinem patentierten Schutzmechanismus die im Raum befindliche Atemluft durch Ansaugen und langsames Einblasen in den Leuchtbereich der UV-C-Lichtwand. Dies verhindert zusätzlich zur direkten Barrierewirkung der Lichtwand eine Anreicherung infektiöser Aerosole im Raum.«

Eine gesundheitliche Gefährdung durch die UV-C-Strahlung des Systems wird durch spezielle Abschalteinrichtungen vermieden. Sobald ein Gegenstand oder Körperteil in den Strahlungsbereich gerät, wird der Bereich automatisch abgeschaltet. Dies passiert auch wenn man hindurchgehen will; man kann sich also im Raum komplett frei bewegen.

Durch eine innovative Spezialoptik können die geltenden Anforderungen des Arbeitsschutzes und der dort festgelegten strengen Expositionsgrenzwerte für UV-Strahlung sowie sonstige rechtliche Vorgaben eingehalten werden. Zudem wird die Ozonerzeugung durch die innovative LED-Lichtquelle und die spezielle Optik vermieden. Die UV-C-Virenschutzwand kann als unsichtbarer Raumteiler genutzt werden und größere Räume in kleinere »virtuelle« Räume unterteilen, die so lufttechnisch isoliert sind. Damit kann sie ein wichtiger Teil eines Aerosol-Hygienekonzepts für Räume und Gebäude werden.

Abb.: Ein Forschungsteam des Tropeninstituts am LMU Klinikum München und der TU München hat in Kooperation mit dem Start-up Smart United GmbH eine unsichtbare »Schutzwand« aus UV-C entwickelt. Foto: iStockphoto V I Levi; Modifikation: Smart United GmbH iStockphoto V I Levi; Modifikation: Smart United GmbH

Publikationen und Informationen:

Die Forschungsarbeiten wurden unterstützt durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und das Deutsche Zentrum für Infektionsforschung. Die Smart United GmbH unterstützte das Vorhaben mit Material und technischem Support. Projektpartner waren der Lehrstuhl für Analytische Chemie und Wasserchemie der Technischen Universität München, die Abteilung für Infektions- und Tropenmedizin des Tropeninstituts am LMU Klinikum München und das Max von Pettenkofer-Institut der Ludwig Maximilians-Universität München sowie die Smart United GmbH.

Publikationen: Aerosol decontamination and spatial separation using a free-space LED-based UV-C light curtainAndreas Wieser, Jessica Beyerl, Albrecht v. Brunn, Vincent Rieker, Marcus Rieker, Michael Hoelscher, Christoph HaischVerfügbar als Preprint unter: https://doi.org/10.1101/2021.12.16.21267937

Automatische Desinfektion von Nasszellen

Laut einer Studie aus dem Jahr 2016, die von Wissenschaftlern des ECDC (European Centre for Disease Prevention and Control) durchgeführt wurde, infizieren sich jährlich circa 2,6 Mio. Europäer mit Krankenhauskeimen – bei etwa 91.000 Patienten verläuft diese Ansteckung tödlich. Grund dafür ist neben der mangelhaften Umsetzung von Hygienevorschriften auch der Zeit- und Kostendruck bei täglichen Reinigungsarbeiten. Dabei werden besonders keimbelastete Stellen in den Nasszellen oftmals übersehen, was die Gesundheit von Patienten und Besuchern beeinträchtigen kann. Um Abhilfe zu schaffen, hat die Dinies Technologies GmbH den CleanO3mat entwickelt: Das fest installierte Desinfektionsgerät entkeimt die Nasszelle sowohl mit kurzwelligen UV-C-Strahlen als auch mit Ozon. Dadurch wird nicht nur die Keimbelastung drastisch gesenkt, auch unangenehme Gerüche lassen sich auf diese Weise dauerhaft entfernen.

»In einem Kooperationsprojekt mit der HFU Furtwangen wurde festgestellt, dass die pathogene Keimbelastung in Nasszellen selbst nach der regulären Wischdesinfektion noch immer 42 Prozent betrug«, erklärt Dipl.-Ing. Cajus Dinies, Geschäftsführer der Dinies Technologies GmbH. »Die Erreger sind vor allem an Stellen zu finden, mit denen auch die Patienten häufig in Berührung kommen. Dazu zählen etwa Tür- und Haltegriffe, Lichtschalter und auch die Armaturen des Waschbeckens.« Um diese Keime effizient zu beseitigen, reicht »ein kurzes Drüberwischen« nicht aus – genau das wird in einem Großteil der Krankenhäuser aber praktiziert, weil die Reinigungsfachkräfte häufig in kürzester Zeit eine große Anzahl an Zimmern reinigen müssen. Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit, dass schwer zugängliche Stellen nicht richtig gereinigt werden. In der Folge siedeln sich dort Keime dauerhaft an und breiten sich von dort im ganzen Raum aus.

Dinies Technologies entwickelte bereits 2016 ein mobiles Gerät, das sich besonders zur kostengünstigen und schnellen Desinfektion von OP-Sälen, Behandlungsräumen und Patientenzimmern eignet. Ein stationärer Einsatz – etwa in Patientenzimmern – war jedoch noch nicht vorgesehen. »Daraus entstand die Idee, ein Gerät für den kontinuierlichen Einsatz in Nasszellen zu entwickeln, das selbständig den Desinfektionszyklus einleitet«, erläutert Dinies. »Dafür haben wir den CleanO3mat so konzipiert, dass er zunächst die Funktion einer gewöhnlichen Badbeleuchtung übernimmt.« Für die folgende Desinfektion sind neben einer gewöhnlichen LED-Lampe auch UVC- und Ozonröhren verbaut. Der Desinfektionszyklus wird in Gang gesetzt, sobald der Patient das Badezimmer verlässt und das Licht ausschaltet. Für eine Dauer von einer Minute wird zunächst Ozon produziert. Dadurch lassen sich Geruchsmoleküle vollständig eliminieren. Anschließend werden mittels UV-C-Strahlung Keime und Mikroorganismen zerstört. »Die Ozonwerte liegen dabei stets innerhalb der gesetzlich vorgeschriebenen Grenzen und sind für den Menschen ungefährlich«, erklärt Dinies. »Das Gerät wurde dennoch so konzipiert, dass der Zyklus unterbrochen wird, sobald der Patient kurzfristig in das Badezimmer zurückkehrt und den Lichtschalter betätigt.« Das bereits freigesetzte Ozon zersetzt sich selbständig innerhalb kurzer Zeit zu ungefährlichem Luftsauerstoff. Dagegen werden gefährliche Keime wie Enterobakterien, Enterokokken oder Staphylococcus aureus und Pseudomonas aeruginosa um bis zu 99,9 % zerstört. Diese Wirksamkeit bleibt langfristig erhalten, da die Bakterien keine Resistenzen gegen die UV-C-Strahlen ausbilden können. Der Einsatz von aggressiven chemischen Desinfektionsmitteln, welche die Gesundheit und die Umwelt gleichermaßen belasten und teils hohe Kosten verursachen, wird somit überflüssig.

Im Anschluss an die Entwicklungsphase wurde der CleanO3mat unter realen Bedingungen getestet. Dazu wurde zunächst die Keimbelastung an verschiedenen Stellen in einer Toilette gemessen. »Diese Analysen ergaben sehr hohe Werte«, berichtet Dinies. »Teils lag die Keimbelastung bei knapp 0,36 Gesamtkeimzahl/KBE/cm2 an der Wand und über 2,88 KBE/cm2 am Boden des Urinals. Auch der Türgriff und die Armaturen des Waschbeckens waren hochgradig mit Keimen belastet.« Daraufhin wurde der CleanO3mat zur kontinuierlichen Desinfektion eingesetzt. »Bereits ab Tag zwei lag die Keimbelastung bei Höchstwerten von nur noch 0,16 Gesamtkeimzahl/KBE/cm2 und stellte somit keine Gefahr mehr für die menschliche Gesundheit dar. Diese niedrigen Werte blieben auch dann noch langfristig bestehen, als die übliche Wischdesinfektion ausgesetzt wurde«, so Dinies weiter.

Abb.: CleanO3mat montiert in Toilette; Diagramm: Keimbelastung in Toilette: Bei einem Feldversuch ergaben die Messungen zunächst sehr hohe Keimbelastungen an verschiedenen Stellen im Bereich der Toilette. Nach Inbetriebnahme des CleanO3Mat wurde die Keimbelastung dauerhaft drastisch reduziert und verblieb auf einem gesundheitlich unbedenklichen Niveau – selbst als die
Wischdesinfektion ausgesetzt wurde. Grafik: Dinies Technologies
Dinies Technologies GmbH

Weitere Informationen:

Herstelleradressen: www.cleano3mat.de; www.dinies.com; www.licht.de; www.signify.com; www.smartunited.com; www.zvei.org

ZVEI-Schrift »UV-C-Luftentkeimung in Schulen und Bildungseinrichtungen«: https://url.rpv.media/4pv

ZVEI-Positionspapier »UV-C-Anwendungen zur Entkeimung von Oberflächen und Luft«: https://url.rpv.media/4pw

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Licht 3 | 2022

Erschienen am 26. April 2022