Development of a method for characterization of air filters using bioaerosols

Abstract

Diseases caused by the presence of airborne infectious particles and pathogenic microorganisms such as viruses, bacteria or fungal spores are classified as significant threat for human health by World Health Organization (WHO). Knowledge about transmission, behavior and origin of hazardous airborne particles is still lacking and strongly required for risk evaluation, minimization and prevention. Especially, standardized biological methods for the evaluation of the efficiency of measures and instruments applied for controlled minimization of hazardous bioaerosols, such as ventilation and filtration systems (e.g. in private and public transportation or rooms), face masks, distance, hand disinfection and diluting air via ventilation, are barely existing. The application of bioaerosols for a standardized air filter evaluation is still a black box within aerosol research and filter testing, but would help to accurately estimate and improve e.g. infection control and prevention. Typically, inert non-biological aerosols such as salt particles (KCl, NaCl), fine dust or oil-like droplets (DEHS, paraffin oil) are applied in common standards for air filter evaluation, whereas classification is usually done according to particle size instead of the evaluation towards retention of biohazards. Several studies dealing with filtration or aerosolization experiments using bacteria, fungal spores or viruses exist. However, major limitations and drawbacks of those studies are that tests were conducted at small laboratory scale, within very specific or complex test setups or conditions (e.g. for one filter/aerosol type or air flow rate; BSL2 or BSL3 requirement) which cannot be compared or used to generate reproducible data. Within the scope of this work, a large-scale filter test rig was developed and modified for the application of biological infectious particles in order to evaluate a broad range of filter types for various applications such as cabin air filtration, air conditioning systems (HVAC), air purifiers including e.g. UV disinfection, or face masks under comparable conditions. Microbes used as model bioaerosols were chosen based on biosafety level, relevance for human health and airborne stability. Different microbes required different aerosolization and preparation techniques to achieve stable, reproducible and representative bioaerosols. Dry fungal spores derived from Cladosporium cladosporioides could be properly applied as aerosol by mixing with standardized fine dust. However, liquid nebulization was the most suitable method to create stable bioaerosols for bacteria (model strain Kocuria varians) and viruses (bacteriophages MS2 and phi6 as models for non-enveloped and enveloped viruses). Validation of these three methods led to the conclusion that the developed methods allow a reliable and reproducible evaluation of the efficiency of filters to remove bioaerosols. A selection of representative cabin air filters was tested applying the developed biological methods in comparison to state-of-the-art filtration testing with non-biological test aerosols like salt particles or oil droplets. When testing filters with bioaerosols of fungal spores, Abstract viii bacteria and viruses, significant differences in the filtration efficiency could be observed compared to non-biological standard test dusts. In general, it could be concluded that the currently common used test aerosols NaCl and DEHS rather cover a worst-case for filtration of real biological aerosols and can lead to a strong underestimation of filtration efficiency against viruses for some filter technologies. While this ensures additional safety factors for critical applications, it may also lead to inefficient filtration processes including unnecessarily high pressure drop, energy consumption and noise emissions within filtration systems. Additionally, the influence of aging of air filters (real-life vs. simulated aging) was assessed showing that aging significantly influenced removal capacity of filters towards bioaerosols, especially for electrostatic particle filters and activated carbon cabin air filters. Summing up, the implementation of standardized methods for the evaluation of air filtration within more realistic scenarios using selected infectious bioaerosols into classical filtration methods could be realized successfully.

Krankheiten, die durch infektiöse Partikel und pathogene Keime wie Viren, Bakterien oder Pilzsporen in der Luft verursacht werden, werden von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) als erhebliche Bedrohung für die menschliche Gesundheit eingestuft. Das Knowhow zu Übertragung, Verhalten und genauer Herkunft gefährlicher luftgetragener Partikel ist immer noch unzureichend und wird für die Risikobewertung, -minimierung und - prävention dringend benötigt. Derzeit gibt es kaum standardisierte biologische Methoden zur Bewertung der Wirksamkeit von Maßnahmen wie Lüftungs- und Filtersysteme (z.B. in privaten und öffentlichen Verkehrsmitteln oder Räumen), Gesichtsmasken, Abstandhalten, Händedesinfektion oder Lüften, die zur kontrollierten Minimierung gefährlicher Bioaerosole eingesetzt werden. Die Anwendung von Bioaerosolen für eine standardisierte Bewertung von Luftfiltern ist somit eine Blackbox innerhalb der Aerosolforschung und in der Filtrationsbranche. In aktuellen Normen für die Evaluierung von Luftfiltern werden inerte nicht-biologische Aerosole wie Salzpartikel (KCl, NaCl), Feinstaub oder Öltröpfchen (DEHS, Paraffinöl) verwendet, wobei die Klassifizierung nach Partikelgröße und nicht hinsichtlich biologischer Gefahrenstoffe erfolgt. Es gibt einige Studien, die sich mit Filtrations- und Aerosolisierungsexperimenten mit Bakterien, Pilzsporen oder Viren befassen. Die größten Einschränkungen und Nachteile dieser Studien bestehen jedoch darin, dass die Tests in kleinem Labormaßstab, unter sehr spezifischen oder komplexen Versuchsbedingungen (z. B. für einen bestimmten Filter-/Aerosoltyp oder Volumenstrom; Anforderungen nach BSL2 oder BSL3) durchgeführt wurden, was einen Vergleich oder die Generierung reproduzierbarer Daten erschwert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Filterprüfstand in größerem Maßstab entwickelt und für die Anwendung biologischer infektiöser Partikel modifiziert, um eine breite Palette von Filtertypen für verschiedene realitätsnahe Anwendungen wie Filtration von Innenraumluft, Klimaanlagen (HVAC), Gesichtsmasken oder Raumluftreiniger, einschließlich z. B. UV-Desinfektion, unter vergleichbaren Bedingungen zu bewerten. Die Auswahl der Mikroorganismen, die als Modell-Bioaerosole verwendet wurden, erfolgte auf Basis der biologischen Sicherheitsstufe, der Relevanz für die menschliche Gesundheit sowie der Stabilität als luftgetragener Keim. Die verschiedenen Mikroorganismen erforderten unterschiedliche Aerosolisierungs- und Aufbereitungstechniken, um stabile, reproduzierbare und repräsentative Bioaerosole zu erzeugen. Pilzsporen von Cladosporium cladosporioides konnten in Kombination mit standardisiertem Feinstaub zufriedenstellend als Feststoffaerosol eingesetzt werden. Die Vernebelung aus einer Flüssigkeit war jedoch die geeignetste Methode, um stabile Bioaerosole für Bakterien (Modellstamm Kocuria varians) und Viren (Bakteriophagen MS2 und phi6 als Modelle für unbehüllte und behüllte Viren) zu generieren. Die Validierung dieser drei Methoden führte zu dem Schluss, dass die Kurzfassung x entwickelten Methoden eine zuverlässige und reproduzierbare Bewertung der Effizienz von Luftfiltern gegenüber Bioaerosolen ermöglichen. Eine Auswahl repräsentativer Innenraumfilter wurde somit unter Anwendung der entwickelten biologischen Methoden im Vergleich zum Stand der Technik mit nichtbiologischen Testaerosolen wie Salzpartikeln oder Öltröpfchen untersucht. Bei der Charakterisierung von Filtern unter Verwendung von Bioaerosolen aus Pilzsporen, Bakterien und Viren konnten im Vergleich zu nicht-biologischen Standardtestaerosolen signifikante Unterschiede bezüglich Filtrationseffizienz festgestellt werden. Generell wurde beobachtet, dass die derzeit gebräuchlichen Testaerosole wie NaCl und DEHS einen Worst-Case für die Filtration realer biologischer Aerosole abdecken und bei einigen Filtertechnologien zu einer starken Unterschätzung der Filtrationseffizienz gegenüber Viren führen können. Dies gewährleistet zwar zusätzliche Sicherheitsfaktoren für kritische Anwendungen, kann aber auch zu ineffizienten Filtrationsprozessen einschließlich hohem Druckabfall, Energieverbrauch und Geräuschemissionen innerhalb von Filtersystemen führen. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Alterung von Luftfiltern (reale Alterung vs. simulierte Alterung) bewertet. Dabei zeigte sich, dass die Alterung die Abscheidekapazität von Filtern gegenüber Bioaerosolen erheblich beeinflusst, insbesondere bei elektrostatischen Partikelfiltern und Innenraumluftfiltern mit Aktivkohle. Zusammenfassend konnte eine Implementierung standardisierter Methoden zur Bewertung der Luftfiltration in realistischeren Szenarien unter Verwendung ausgewählter infektiöser Bioaerosole in klassischen Filtrationsmethoden erfolgreich umgesetzt werden.