Aerosole in raumlufttechnischen Anlagen

Nutzen und Notwendigkeit von Luftbefeuchtung

Auch wenn sich renommierte Planungsbüros aufgrund schlechter Erfahrungen (siehe z. B. die Proklima-Studie) gegen eine Luftbefeuchtung aussprechen, sollte die hygienische Luftbefeuchtung auch in Zukunft ein wichtiger Bestandteil der modernen Raumklimatisierung bleiben. Ein entscheidender Grund dafür ist die medizinische Notwendigkeit ausreichender Luftfeuchtigkeit für den Selbstreinigungsmechanismus unserer Atemwege [1, 2, 3]. Nase, Nasennebenhöhlen, Rachen, Luftröhre und Bronchien sind mit der so genannten Schleimhaut (Mucosa) ausgekleidet. Spezielle Drüsenzellen (Becherzellen) produzieren einen klebrigen Polysaccharidfilm an dem eingeatmete Luftverunreinigungen und Bakterien kleben bleiben. Dieser Polyzuckerschleim ist eigentlich eine ideale Lebensgrundlage für Bakterien. Trotzdem hat das bakterielle Strandgut nur geringe Überlebenschancen. Die zwischen den Becherzellen angeordneten Flimmerzellen transportieren den auf einer flüssigen Solschicht liegenden Klebefilm mit den gebundenen Luftverunreinigungen kontinuierlich mundwärts, wo diese Masse dann nach kurzem Räuspern in den Magen gelangt und ordnungsgemäß desinfiziert und abgebaut wird.

Wird der Wassergehalt des Polysaccharidschleimes durch eine zu trockene Umgebungsluft zu stark reduziert, erhöht sich seine Viskosität, und der Transportmechanismus ist lahmgelegt. Ein Abtransport des mit Staub und Bakterien beladenen Schleimes ist nicht mehr möglich, die Selbstreinigungsfunktion gestört, und die Vermehrung der gefangenen Bakterien auf dem zuckerhaltigen Schleim ist unabwendbar [1]. Die Hygienische Luftbefeuchtung ist deshalb eine sinnvolle Unterstützung körpereigener Schutzmechanismen.

Gesundheitliches Risiko durch ungeeignete Luftbefeuchter

2004 erkrankten in Bayern und Baden-Württemberg 14 Menschen aus zunächst unbekannter Ursache an wiederholt auftretenden Fieberschüben, Husten und Atemnot. Die behandelnden Ärzte leisteten wahre Detektivarbeit, um der Ursache auf den Grund zu kommen:

Auslöser dieser Symptome waren Zimmerspringbrunnen bzw. Luftbefeuchter mit Ultraschall-Vernebelung. Damit sind z. B. bepflanzte Glasschalen auf schmiedeeisernen Ständern, aus denen dicke Nebel aufsteigen und wabernd über den Rand fließen, gemeint.

Bei zwölf der fieberkranken Patienten wurde eine so genannte exogen-allergische Alveolitis, eine Lungenerkrankung, dokumentiert. Zwei Patienten zeigten eine toxische Reaktion. Auslöser war in den Verneblern benutztes verunreinigtes Wasser. Die behandelnden Ärzte konnten nachweisen, dass im Blut der Patienten spezifische Antikörper gegen mindestens eine Komponente aus dem benutzten Wasser vorlag. Um die Diagnose abzusichern, ließ der Allergologe die Patienten Nebel des mitgebrachten Wassers aus ihren Zimmerspringbrunnen einatmen. Mit dieser Aktion konnten unmittelbar die typischen Krankheitssymptome einer exogen-allergischen Alveolitis ausgelöst werden.

Die Patienten bekamen Fieber und Husten. Sie reagierten allergisch auf das Wasser ihrer Luftbefeuchter [4, 5].

Die exogen allergische Alveolitis (EAA) ist eine immunologisch vermittelte Lungenentzündung. Verursacht wird sie durch das Einatmen von Antigenen [6]. Zahlreiche Antigene sind bereits nachgewiesen worden, die als Auslöser einer exogen-allergischen Alveolitis identifiziert wurden. Es kann sich dabei um Glykoproteine von Vögeln, Bakterien, thermophilen Aktinomyceten und Schimmelpilze handeln. Die genannten Mikroorganismen kommen u.a. in Heu, Getreidestaub, mikrobiell kontaminierten Luftbefeuchtern und Klimaanlagen vor (Tabelle 1).

Auslöser bei den Reaktionen auf die Zimmerbrunnen waren bakterielle Endotoxine, typische Zellwandbestandteile gramnegativer Bakterien, wie z. B. Pseudomonaden oder Enterobacteriaceen. Unabhängig von der Pathogenität des Bakteriums provozierten die freigesetzten Endotoxine das Immunsystem der Zimmerbewohner. Biochemisch handelt es sich bei Endotoxinen im Wesentlichen um Lipopolysaccharide (LPS). Auch aus abgetöteten oder zerstörte Bakterien können noch Endotoxine freigesetzt werden.

Abhängig von ihrer Konzentration in der Luft lösen sie beim Menschen die akuten Symptome eines „Inhalationsfiebers“ aus, z. B. Husten, Fieber, Muskel- und Gliederschmerzen. Ist man diesen Endotoxinen länger ausgesetzt, kann es zu einer chronischen Bronchitis kommen. [4, 5, 6, 7]. Um eine exogen allergische Alveolitis auszulösen, müssen diese allergenen Stoffe sehr tief in die Lunge gelangen, genau genommen in den Bereich der einzelnen Lungenbläschen (Alveolen). Normalerweise versucht unser Körper das Eindringen unerwünschter Stoffe möglichst effektiv zu verhindern. Aerosole werden vom Menschen eingeatmet, und dabei scheidet sich ein Teil der inhalierten Aerosolpartikel im Atemtrakt ab. Je nach Größe werden Partikel oder Aerosole an unterschiedlichen Stellen in unseren Atemwegen abgefangen:

Die einatembare Fraktion:

(Messbereich von 18,5 bis 0,5 µm) gelangt zwar in den Mund- und Rachenraum und die Luftröhre, aber nicht in die Lunge (Nasen-Rachenraum 10 bis 5 µm, Luftröhre 5 bis 3 µm).

Die thorakale Fraktion:

(Messbereich von 3 bis 2 µm) gelangt über den Kehlkopf hinaus bereits bis in die Bronchien und Bronchiolen hinein und wird erst dort abgefangen (Bronchien 3 bis 2 µm, Bronchiolen 2 bis 1 µm).

Die alveolengängige Fraktion:

(Messbereich von 1 bis 0,1 µm) gelangt ungehindert bis in die Lungenbläschen (Alveolen).

Im Alveolenbereich abgeschiedene Aerosolteilchen verweilen dort eine gewisse Zeit. Die Substanz leicht löslicher Teilchen verteilt sich schnell auf den gesamten Organismus. Chemisch sehr schwer lösliche Teilchen können bis zu mehreren Jahren im Alveolarbereich verbleiben.

Trotzdem versucht der Organismus auch diese Teilchen zu beseitigen. Spezielle weiße Blutkörperchen, die Alveolarmacrophagen, umschließen die Partikel und versuchen sie entweder zu verdauen oder zumindest in den nächstgelegenen Lymphknoten zu transportieren. Die Fähigkeit eines Ultraschallverneblers alveolengängige Aerosole zu erzeugen, wird in der Medizin zur Therapie von Lungenerkrankungen genutzt. Durch diese Technik können Medikamente besonders fein zerstäubt werden und gelangen direkt in die zu behandelnden Lungenbläschen. Die Schwebefähigkeit der Aerosole beruht darauf, dass sie sich mit kleiner werdendem Durchmesser immer stärker wie Gasmoleküle verhalten.

Aus Sicht der Aerodynamik reduzieren sich das Volumen und damit die Masse der Aerosole in der dritten Potenz, wohingegen die Querschnittsfläche nur um die zweite Potenz schrumpft. Durch den Luftwiderstand haben Aerosole eine maximale Sinkgeschwindigkeit, die beim Gleichgewicht von Gravitationskraft und Luftreibung erreicht wird. Bezogen auf die maximale Sinkgeschwindigkeit bedeutet die Halbierung des Partikeldurchmessers, eine Verringerung der Masse und damit der Gravitationskraft um den Faktor 8 und die der Querschnittsfläche und damit die Luftreibungskraft um den Faktor 4. Da die Luftreibungskraft quadratisch von der Geschwindigkeit abhängt, folgt daraus für die maximale Sinkgeschwindigkeit, dass bei Halbierung des Partikeldurchmessers die Sinkgeschwindigkeit mit der Wurzel von 1/2 also ungefähr um 0,707 abnimmt. In ruhiger Luft setzt sich ein Flüssigkeitstropfen von 100 µm Durchmesser bereits nach 5,8 s ab, ein Tröpfchen mit 10 µm benötigt dafür 8,2 min. Ein Aerosol mit nur 1 µm Durchmesser in ruhiger Luft benötigt dagegen 12 h Zeit um sich abzusetzen. In turbulenter Luft hat sich in der gleichen Zeitspanne nur die Hälfte der Aerosole abgesetzt. Die anderen Aerosole werden noch herumgewirbelt [9]. Die erzeugten Aerosole werden mit der Zuluft durch die Luftkanäle bis in die Säle, Hallen und Büros verschleppt.

Die hygienische Rolle des Wassers

Ziel einer Luftbefeuchtung ist es u.a., den Wassergehalt der Luft so einzustellen, dass die Selbstreinigungsfunktion der Atemwege erhalten bleibt. Aber die befeuchtete Luft darf selbst kein gesundheitliches Risiko darstellen. Entscheidend ist dabei die hygienische Qualität des verwendeten Wassers. Die VDI 6022 Bl.1 [10] schreibt deshalb vor: „Das in den Befeuchter eingespeiste Wasser muss die mikrobiologischen Anforderungen der Trinkwasserverordnung erfüllen.“ Wer direkt Trinkwasser zur Befeuchtung nutzen kann, ist eigentlich auf der sicheren Seite. Trinkwasser darf keine krankheitserregenden Bakterien, Pilze, Viren oder Protozoen (Giardia) enthalten, aber es ist nicht steril. Bis zu 100 Bakterien pro ml dürfen sich in diesem Lebensmittel aufhalten.

Nur wenige Gemeinden liefern Trinkwasser mit niedrigem Kalk- oder Salzgehalt. Häufig muss das Befeuchtungswasser von seiner Kalk- oder Salzfracht befreit werden. Die dazu erforderlichen Aufbereitungsanlagen begünstigen die Ansiedlung und Vermehrung von Mikroorganismen (Bild 1). Bakterien in wasserführenden Systemen kommen generell in zwei Zuständen vor: frei im Wasser treibend oder in einem so genannten Biofilm eingebettet. Dieser Biofilm etabliert sich in Ionenaustauschereinheiten von Enthärtungs- oder Vollentsalzungsanlagen, besiedelt die Module von Umkehrosmoseanlagen und penetriert sogar die Membranen, um auf die Permeatseite zu gelangen. Anschließend besiedelt er auch die Wandungen der nachfolgenden Rohrleitungen und Zwischenspeicher [11] (Bilder 2 und 3). Wenn der Biofilm eine bestimmte Dicke erreicht hat, gibt er genauso viele Keime ab, wie er durch Zellteilung neu produziert. Ein dramatischer Anstieg der Keimzahlen im Wasser zeigt dieses Stadium an.
Es gibt eine große Zahl von Bakterien, die Biofilme bilden können, und viele sind auch legal im Trinkwasser vorhanden. Exemplarisch für krankheitserregende Bakterien sind in Warmwassersystemen Bakterien der Gattung Legionella zu nennen und Bakterien der Spezies Pseudomonas, als deren Gegenstück in Kaltwassersystemen. Eine Desinfektion des Wassers lässt den Biofilm selbst meist unbehelligt und ist als wirksame Maßnahme zu ihrer Vermeidung nicht geeignet. Selbst wenn ein Biofilm keine typischen Infektionserreger enthält, können eine Vielzahl von Biofilmbewohnern Allergien, Allergische Reaktionen und Fieber auslösen. Ein Abtöten der Bakterien z. B. durch UV-Bestrahlung verhindert zwar ein weiteres Wachstum, kann aber die allergieauslösenden Zellwandbestandteile nicht entfernen.

Nicht nur durch die Verwendung von Ultraschall, auch durch die Zerstäubung von Wasser mit hohem Druck (50 bis 120 bar), entstehen alveolengängige Aerosole. Diese in die Luft gesprühten Wasserpartikel sind quasi-stabile Gas-Suspensionen, die je nach Zerstäubungstechnik eine Größe von 0,2 bis 20 µm (Gaußsche Verteilung) aufweisen.
Ist dieses Befeuchtungswasser mit Bakterien verunreinigt, können die in den alveolengängige Aerosolen eingeschlossene Bakterien und ihre Endotoxine direkt in die Lungenbläschen gelangen und dort allergischen Reaktionen hervorrufen. Deshalb sollte die Produktion von alveolengängigen Aerosolen eigentlich vermieden werden.

Diese Sichtweise hat sich in der herstellenden Industrie noch nicht ausreichend verankert. Nachfolgende Aussagen aus einer typischen Anlagen- bzw. Systembeschreibung (die dem Internet entnommen werden konnte) zeigen dies deutlich: „Feinstes Tröpfchenspektrum durch Pin-Jet-Düse ... Garantiert aerosolfreie Fortluft bei Auffeuchtung bis zu 98 % r.F.“ „Dieser Übergang benötigt eine Befeuchterstrecke von ca. 0,9 m. Um zu verhindern, dass noch vorhandene Tropfen oder Anteile in Form von Aerosolen im Luftkanal weitertransportiert werden, wird am Ende der Befeuchterstrecke ein zweistufiger Tropfen- und Nebelabscheider angebracht.“

Anzahl und Verteilung von Aerosolen

Da sogar Hygiene/Baumuster-Zertifikate nach VDI 6022 für derartige Anlagen verteilt wurden, war es an der Zeit die Behauptungen durch Messungen zu überprüfen.

Um die wirkliche Anzahl und Verteilung von Aerosolen, besonders bei laufender Luftbefeuchtung in Raumlufttechnischen Anlagen zu untersuchen musste ein geeignetes Messgerät gefunden werden, das durch Flüssigkeitsaerosole nicht beeinträchtigt wurde. Verwendet wurde ein Grimm Aerosol Spectrometer 1.108 der Grimm Aerosoltechnik GmbH & Co.KG, Ainring, verwendet. Dieses Gerät wird sowohl vom Landesgesundheitsamt Baden-Württemberg, als auch vom renommierten NIOSH (National Institute of ocupational safety and health) des CDC (Center of Disease Control, Atlanta U.S.A.) eingesetzt.

Messtechnik

Bei diesen Geräten kommt die Streulichtmessung der Einzelpartikel zum Einsatz, wobei ein Halbleiterlaser als Lichtquelle dient. Es wird das 90°-Streulicht mit einem Öffnungswinkel von etwa 60° über einen Spiegel auf eine Empfängerdiode gelenkt. Wenn Partikel den Laserstrahl durchqueren, geben sie einen Lichtimpuls ab. Das Signal der Diode wird, nach einer entsprechenden Verstärkung in verschiedenen Größenkanälen klassifiziert. Die Probenluft wird mit einem Schleier aus Reinstluft umgeben. In diesem Gerät kommen 31 verschiedene Kanäle zum Einsatz. Somit ist eine Größenbestimmung der Partikel möglich, und es lassen sich auch Bewertungskurven, z. B. lungengängiger Staub (alveolic) realisieren. Um dem Aerosol eine ausreichende Zeit zur Verdunstung zu geben, wurde ein Abstand von 6 m zur Befeuchtungseinheit eingehalten und bei moderater Luftgeschwindigkeit (2,5 bis 3,5 m/s) und mäßiger Befeuchtungsleistung (1,2 g/m³) gemessen (Tabelle 2). Die Ergebnisse der Messungen zeigten eine deutliche Produktion von lungengängigen Aerosolen, die noch in einer Entfernung von 6 m zur Befeuchtungseinheit zu messen waren. Es ist davon auszugehen, dass diese Aerosole auch in die zu klimatisierenden Räume gelangen und eingeatmet werden.

Konsequenzen für eine hygienische Luftbefeuchtung

Bereits im Planungsstadium sollte die verschiedenen Luftbefeuchtungssysteme miteinander verglichen werden. Die neu erstellte Richtlinie VDI 6016 Blatt 1: Luftbefeuchtung in Gebäuden über zentrale RLT-Anlagen soll dabei Hilfestellung geben. Keine Gefahr der Produktion von alveolengängigen Aerosolen besteht bei Verdunstern, klassischen Luftwäschern mit relativ großen Tropfen und den speziellen Hybridbefeuchtern die bei ca. 10 bar Pumpendruck Zerstäuben und Verdunsten kombinieren. Bei dem Einsatz von Zweistoffdüsen und Hochdruckzerstäubern mit Pumpendrücken von 60 bis 120 bar ist mit dem Auftreten von alveolengängigen Aerosolen zu rechnen. Deshalb muss die Qualität des zerstäubten Wassers konsequent und regelmäßig überwacht werden. Ultraschallzerstäuber und Systeme die so genannten Kaltdampf erzeugen sind die ideale Produzenten für lungengängige Aerosole. Die Qualität des zerstäubten Wassers muss konsequent und regelmäßig (jeden Monat) überwacht werden. Aerosole sind eigentlich auch nach der aktuellen VDI 6022 Bl.1 (4/2006) unzulässig. Unter 4.3.7 Luftbefeuchtung im Abschnitt „Luftbefeuchter ohne Umlaufwasser“ ist zu lesen „Diese Befeuchter sind so auszulegen und zu betreiben, dass kein Aerosol in das Luftleitungssystem gelangen kann.“

Für den Planer ist es schwierig unzulässige Aerosolproduzenten im Vorfeld auszumustern. Bei Herstellern finden sich zum Teil Aussagen wie „2-stufiger Tropfen- und Nebelabscheider aus Metall. Garantiert eine aerosolfreie Zuluft im Kanal“. Selbst wenn auf ein Hygiene-/Baumuster-Zertifikat nach VDI 6022 verwiesen wird ist nicht sofort zu erkennen, ob die Einschätzung „Aerosolfrei“ durch reine Dokumentenprüfung oder durch reale Aerosolmessung erfolgt ist.

Nachträgliche Reduktion von Aerosolen

Grobstaubfilter der Klasse G3/4 gemäß DIN EN 779 sind in der Lage feste Partikel zwischen >5 und 2,5 µm um 100 bis 50 % zurückzuhalten. Deshalb versuchen einige Hersteller von Hochdruckbefeuchtern die lungengängigen Aerosole von 5 bis 2,5 µm mit Filtern der Stufen G3/G4 abzufangen. Leider werden die wirklich gefährlichen, alveolengängigen Aerosole (1 µm bis 0,1 µm) von diesen Filtern nicht abgefangen. Dafür besteht die Gefahr einer permanenten Durchfeuchtung des Filtergewebes. Deshalb muss diese Anlage laut Herstellerangaben strikt kontrolliert werden. Alle vier Wochen sind diese Metallgitter-Tropfenabscheider auf eventuelle Verunreinigungen zu überprüfen und bei Bedarf zu reinigen. Mindestens 1 x jährlich sollten diese Tropfenabscheider gründlich gereinigt werden. Die Abscheidermatten in den zweistufigen Tropfenabscheidern sollten alle vier Wochen auf eventuelle Verunreinigungen oder Risse kontrolliert und bei Bedarf ausgewechselt werden, sowie aus hygienischen Gründen mindestens 2 x jährlich gewechselt werden. Der Reinigungsaufwand dieser „zertifizierten“ Metall-Tropfenabscheider ist hoch. Hier ein Auszug aus einer typischen Herstellervorschrift:

„1. Tropfenabscheider von Hand aus den Führungsschienen herausheben.

2. Tropfenabscheider mit Reinigungsmittel waschen, spülen und austrocknen lassen.

3. Überprüfung auf Verschmutzung; bei Beschädigung Tropfenabscheider austauschen.“

Nachträgliche Bewertung des Altbestands

Bei vorhandenen Anlagen sollte das Gefährdungspotential aufgrund vorhandener Informationen ermitteln werden, und ggf. im Rahmen einer Messung das reale Aerosolspektrum bestimmt werden. Je nach Gefährdungspotential ist das zerstäubte Wasser regelmäßig mikrobiologisch zu prüfen. Da die mikrobiologischen Kulturverfahren nur lebende Bakterien erfassen, Endotoxine aber auch von zerstörten Bakterien freigesetzt werden, ist es in besonderen Fällen (bei Gesundheitsbeschwerden) notwendig, den Endotoxingehalt des zerstäubten Wassers direkt zu bestimmen.