Is UV-C een realistische optie om het coronavirus te bestrijden?
En waar moet je op letten in een luchtreiniger?
Voorwoord
Het coronavirus heeft het onderwerp aerosolen eindelijk op tafel gebracht. Waar luchthygiëne in de meeste sectoren een latente behoefte was, is het nu een urgente behoefte geworden.
Apparatuur- en systeemverkopers schieten als paddenstoelen uit de grond, en met name UV-C is de afgelopen maanden als goed en slecht beschreven. Maar wat is echt waar en wat kan en wat niet met UV-C?
Wat is UV-C?
UV-C licht is straling met een korte golflengte tussen de 200 en 280 nanometer. Dit licht is schadelijk voor de mens omdat het huidcellen vernietigt. Gelukkig wordt natuurlijk UV-C-licht volledig geblokkeerd voor onze atmosfeer. UV-C licht is echter zeer geschikt voor microbiologische desinfectie en is ook een bijzonder schone technologie.
Wat kan UV-C doen?
UV-C kan "verkleving" (thyminedimeer) veroorzaken in het DNA van micro-organismen in het gebied van thymineparen. Door deze "blokkering" kan een micro-organisme zich niet meer vermenigvuldigen en is het niet meer besmettelijk. Het coronavirus kan dus al in de lucht met UV-C onschadelijk gemaakt worden en als het daarna wordt ingeademd kan het geen infectie meer veroorzaken.
Is het UV-C effect wetenschappelijk bewezen?
UV-C wordt sinds 19011) gebruikt om veilig en effectief water te reinigen2) zonder chemicaliën. UV-C werd door Hart voor het eerst gebruikt in een operatiekamer3) om de lucht daar schoon te houden. Het werd later veel gebruikt tegen mazelen en TBC4). Sindsdien zijn er veel studies5), wetenschappelijke publicaties6), normen7) en boeken8) over luchtsterilisatie met UV-C. Er zijn ook veel gegevens verzameld over de mate waarin UV-C in de deactivering van het coronavirus is effectief is9).
De vraag wordt vaak gesteld of het gebruik van UV-C veilig is, aangezien UV-C eigenlijk een gevaar is voor ogen en huid vormt10). Hierdoor hebben vele internationale gezondheidsinstituten zoals de WHO, RKI of de Amerikaanse CDC bijvoorbeeld het gebruik van open UV-C afgeraden11).
Dit heeft de afgelopen jaren geleid tot de ontwikkeling van nieuwe methoden om UV-C toe te passen, waardoor de lampen letterlijk naar de luchtkanalen zijn verhuisd12). Samen met de ontwikkeling van ozonvrije lampen13) 14) werd de veiligheidskwestie daarom volledig aangepakt.
Welke UV-C-toepassingen zijn er?
UV is eigenlijk niet hetzelfde als UV:
- Er zijn verschillende varianten zoals UV-V, UV-C, UV-B en UV-A (golflengtes 100-400 nm)
- Er zijn verschillende toepassingen zoals:
- Open UV-systemen (Upper Air Irradiation)
- Lampen in air conditioning-system (UVGI)
- UV-standaard modules (UVPE)
In de praktijk zijn dus tientallen combinaties mogelijk, die uiteraard hun voor- en nadelen hebben en daardoor breed, beperkt of helemaal niet inzetbaar zijn.
Open UV-C (straling bovenin een ruimte)
Open UV (ongeacht de golflengte) wordt over het algemeen niet aanbevolen11), dus het gebruik van 254 nm (kiemdodende) UVC, 222 nm (ver) UVC of erger 172 nm (ozon genererend) UVC wordt niet aanbevolen.
- Het werkt niet omdat het een 2D-techniek is voor een 3D-ruimteprobleem
- De beveiliging loopt ernstig gevaar
De WHO, RKI en CDC hebben daarom het gebruik ervan al in 2003 afgewezen, hoewel ze voorheen wijdverspreid waren in tbc-klinieken.
UVGI
Als gevolg van het verbod zijn de lampen verplaatst naar de luchtbehandelingskanalen. Het gebruik van een serie 254 nm UV-C lampen was helaas maar gedeeltelijk succesvol. Samen met de ontwikkeling van de ozonvrije UV-C lampen en het gebruik ervan op (gebruikers)afstand werd het veiligheidsprobleem opgelost, maar de prestatie verslechterde aanzienlijk doordat, in tegenstelling tot de (langzame) natuurlijke luchtstromen van de open UV-C, er in luchtkanalen hoge luchtsnelheden zijn met zeer korte (bestralings)tijden, waardoor UVGI systemen niet voldoende dosis kunnen afgeven (intensiteit x verblijftijd)15).
UVPE
Slimme ontwikkelaars onderkenden dit al in 2003 vanwege SARS1 en de opkomende vraag naar UV-C. Daarna ontwikkelden ze een nieuw type UV-C applicatie die een voldoende dosis kan leveren16). In combinatie met de gegeven veiligheidskenmerken van UVGI is een brede en gepatenteerde oplossing voor kiemreductie in de lucht ontstaan.
Door buizen met reflectoren te gebruiken, worden micro-organismen dicht langs de lampen gedwongen voor maximale intensiteit en maken de reflectoren het gebruik van extra virtuele lampen mogelijk. De totale prestaties zijn daarom veel beter dan de UVGI16).
Unit-systemen zijn standaardmodules met een eigen (technische) configuratie en constructie, die zowel technisch17) als biologisch18) gecertificeerd en gevalideerd zijn door een erkend testcentrum. Systemen van units zijn dus ook uitwisselbaar19).
UVGI-systemen zijn klantspecifieke lampconfiguraties en kunnen daarom alleen worden gebruikt met specifieke technische en biologische goedkeuringen.
Het grote nadeel van UV-C systemen zoals UVPE-technologie is dat ze alleen geschikt zijn voor micro-organismen en geen deeltjes kunnen afvangen. De combinatie met een (HEPA) filter is ideaal wat betreft de vergroting van het werkgebied, waarbij het mechanische filter vooral de grotere anorganische deeltjes behandelt en het UVPE-systeem de (organische) micro-organismen. Actieve kool is op zijn beurt de oplossing voor VOC's. Oplossingen op basis van ionisatie (of plasma) worden slechts in beperkte mate aanbevolen vanwege hun verschillende efficiëntie- en veiligheidsdiscussies.
Gebruik van luchtreinigers
Volgens het Federale Milieuagentschap en het Ministerie van Arbeid, Volksgezondheid en Sociale Zaken van de deelstaat Noordrijn-Westfalen (CoronaSchVO §2c) kunnen innovatieve luchtfiltertechnieken ook worden gebruikt als onderdeel van het multi-barrièresysteem om infecties te voorkomen in plaats van niet beschikbare of adequate ventilatie met frisse lucht, als hun adequate effectiviteit in relatie tot de betrokken ruimten wetenschappelijk aannemelijk is.
Is ramen open of 100% verse lucht niet voldoende?
Ventilatie helpt alleen "als er óf een groot temperatuurverschil is tussen binnen en buiten óf als de wind voor de ramen waait”. Anders is de luchtuitwisseling te laag. Luchtreinigers werken ongeacht het weer. Daarnaast hebben veel ruimtes alleen kleine dakramen die geopend kunnen worden. Deze kunnen niet voldoende luchttoevoer genereren. Het als zeer effectief geldende "doorwaaien" werkt alleen als er ramen tegenover elkaar open staan. In de praktijk is dit echter niet altijd het geval.
Tijdens de koude seizoenen is dit continue ventilatie ongeschikt om de volgende redenen:
- Kachels zijn niet ontworpen voor een constante toevoer van koude lucht.
- Ecologisch en economisch niet verantwoord: toenemende stookkosten en dus meer CO2-uitstoot.
- "Constante koude luchtstroom in de nek" vermindert het welzijn.
- Aanvoer van droge (winter)lucht droogt de slijmvliezen en verhoogt de gevoeligheid voor ziektekiemen.
- Het verminderde risico door ventilatie wordt teniet gedaan gemaakt door de koude en droge lucht, waarvan bekend is dat virussen daarvan houden.
Instructies en aanbevelingen voor luchtreinigers
Mobiele luchtzuiveringsinstallaties maken vaak gebruik van high-performance fijnstoffilters (HEPA-filters), die de concentratie fijnstof en ook besmettelijke deeltjes in de lucht kunnen verminderen. Sommige van deze apparaten gebruiken naast of in plaats van het deeltjesfilter UV-desinfectie, dat virussen zou moeten inactiveren. Apparaten die virussen zouden moeten inactiveren door middel van ozon of ionisatie, worden niet aanbevolen vanwege mogelijke gezondheidsrisico's. Ozon is een irriterend gas en kan ook chemisch reageren met andere stoffen in de lucht, waardoor nieuwe verontreinigende stoffen ontstaan.
Niet alleen de mate van scheiding van een systeem is bepalend, maar ook factoren als luchtverplaatsing, ruimtelijke omstandigheden, opstelling in de ruimte, nulemissie, veilige bedrijfsomstandigheden en economische efficiëntie bepalen of het goed kan worden gebruikt.
Analyse van het risico op infectie
Gelukkig heb je geen glazen bol nodig om de kans op infectie te voorspellen. Met behulp van het Wells-Riley-model (1978) en latere variaties20) hebben wetenschappers modellen ontwikkeld om het gedrag van ziektekiemen in de lucht te beschrijven en deze te evalueren in de vorm van een analyse van het risico van overdracht van infectie.
P = infectierisico, D = besmet, S = hoeveelheid, I = besmet, p = ademfrequentie, q = virussen/uur, t = verblijftijd en Q = ventilatie m3/h
De basismodellen beschouwen als bescherming tegen infectie vooral frisse lucht. Zodra er meer frisse lucht aan een ruimte wordt toegevoerd, neemt de curve van het risico op infectieoverdracht exponentieel af. Maar op een gegeven moment bereikt de toevoer van verse lucht zijn grenzen, want op een gegeven moment wordt een punt bereikt dat meer toevoer niet noodzakelijk meer bescherming betekent.
In tegenstelling tot bacteriën en schimmels, die ook vanuit kameroppervlakken in de kamerlucht kunnen worden afgegeven, worden virussen alleen door mensen en door ademhaling afgegeven. In 2003 ontwikkelden Rudnick & Milton een Wells-Riley-variant die niet is gebaseerd op het volume van de kamer, maar op de verhouding tussen het volume van de uitgeademde lucht door de geïnfecteerde en het totale volume van de kamer21).
Pi = infectierisico, f = verhouding adem/ruimtevolume, q = virussen/uur, t = verblijftijd en n = aantal mensen
De (f) verhouding wordt vaak bepaald met een CO2-meetinstrument.
Ve = uitgeademde m3, V = kamervolume, C = CO2 PPM in de kamer, Co = CO2 PPM frisse lucht, Ca = dP CO2 uitgeademd naar het aantal personen
Deze variant leidde uiteindelijk tot de aanbeveling om CO2-verkeerslichten te gebruiken, aangezien CO2 - net als virussen - door de mens wordt uitgeademd. Toch betekent ook in dit model "meer ventilatie" niet automatisch "meer" bescherming vanaf een bepaald punt.
Risico op infectie bij gebruik van een luchtreiniger
Als alternatief voor de zuivere toevoer van verse lucht, maakt het Wells-Riley-model ook aanvullende virusfiltratie mogelijk door bijvoorbeeld filtergebaseerde of UV-C luchtreinigers (Fisk et al., 2005). Als gevolg hiervan betekent meer ventilatorcapaciteit bij gebruik van luchtreinigers niet noodzakelijkerwijs meer bescherming.
Verschillende concepten: Luchthoeveelheid versus luchtuitstroomsnelheid
Alle op Wells-Riley gebaseerde modellen gaan uit van een bijna ideaal luchtmengsel in de kamer. De beste manier om een ideaal luchtmengsel te creëren, is door gebruik te maken van hoge luchtuitstroomsnelheden van de luchtreiniger. Apparaten met hoge luchthoeveelheden maar lage uitstroomsnelheden brengen het risico met zich mee van niet-ideale luchtmengsels en kortsluitstromen, wat een aanzienlijk negatief effect kan hebben op de netto luchthoeveelheid (CADR) - en dus ook de bescherming tegen infectie.
Volgens het Wells-Riley-model - en dus ook in de praktijk - kunnen apparaten met ogenschijnlijk lage luchthoeveelheden maar hogere uitstroomsnelheden daardoor een hogere bescherming bieden dan apparaten met hogere luchthoeveelheden maar lagere CADR-snelheden.
Apparaten met hogere uitstroomsnelheden bieden ook 3 voordelen:
- Door extra convectiestromen is het netto luchtvolume hoger dan het zuivere ventilatorvolume
- Er zijn geen kortsluitstromen
- De verre uitworp zorgt voor een ideaal luchtmengsel
Verder is beweren “het werkt” niet genoeg - een luchtreiniger moet ook de lucht in de kamer voldoende kunnen mengen, het moet ook goed zijn voor de oren en de “ogen”.
CFD-analyse van 2 verschillende concepten
Luchtreiniger met veel luchtvolume, maar lage luchtuitstroomsnelheid: in de praktijk zorgen veel kortsluiting en korte uitworp voor een lagere luchtuitwisseling dan theoretisch verwacht.
Luchtreiniger met laag luchtvolume, maar zeer hoge luchtuitstroomsnelheid: geen kortsluiting en hele verre uitworp. In de praktijk zorgt dit apparaat voor een hogere luchtuitwisseling dan theoretisch verwacht.
Samenvatting
UV-C
De werking van UV-C is al decennia bekend en bewezen. Het wordt ook al jaren gebruikt voor waterzuivering. Voor de lucht is het, behalve in de voedingsindustrie, nooit echt aangeslagen, omdat de behoefte aan luchthygiëne in de andere sectoren (nog) niet bestond.
Het coronavirus heeft daar verandering in gebracht. Door de urgentie en het gebrek aan kennis en ervaring wordt UV-C helaas ook oneigenlijk gebruikt (open UV-C) en werpt daardoor ook een negatieve schaduw over andere bewezen, veilige en toegepaste systemen zoals het UVPE principe.
UVPE zal de komende jaren zeker een goed alternatief zijn voor (HEPA) filters als het gaat om het onschadelijk maken van micro-organismen, daar waar het nuttig zou zijn. Tenslotte heeft UVPE ten opzichte van filters het grote voordeel dat het naar wens kan worden in- en uitgeschakeld.
Luchtreinigers
"Wie niet sterk is, moet slim zijn."
Met betrekking tot wetenschappelijke (Wells-Riley) modellen betekent het vergroten van de luchttoevoer/-uitwisseling in de ruimte niet noodzakelijkerwijs meer bescherming tegen infectie.
Veel belangrijker is het ideale ruimteluchtmengsel door de verre uitworp en het vermijden van kortsluitstromen.
Toekomst
De bestaande indicaties van minimaal 3- tot 6-voudige luchtuitwisseling zijn gebaseerd op wiskundige modellen voor VOC's en bacteriën/schimmels, omdat beide ook via de kameroppervlakken worden afgegeven zonder dat er mensen in de kamer aanwezig zijn. Volgens de Wells-Riley-modellen is het twijfelachtig of deze overwegingen geldig waren voor beschermingsmaatregelen tegen infectie door virussen. Hier zijn de modellen die zijn afgeleid van Wells-Riley op basis van het ademvolume misschien logischer.
Referenties
1) AWWA. 1971. Water Quality and Treatment. McGraw-Hill, New York.
2) Burger, Kroczek. 1999. Bundesgesundheitsblatt “Einsatz von UV-Anlagen zur Desinfektion von Trinkwasser”.
3) Sharp, G. 1939. The lethal action of short ultraviolet rays on several common pathogenic bacteria. J. Bact. 37:447-459.
4) Riley, R.L. 1972. The ecology of indoor atmospheres: Airborne infection in hospitals. J. Chron. Dis. 25:421-423.
5) Eijnde, J.v.d 2009, TU Delft, UV-Bestrahlung der Luft.
6) IUVA Factsheet Covid-19.
7) Heißling, Hönes, Vatter, Lingenfelder, Ulm 2020. Ultraviolette Bestrahlungsdosen für die Inaktivierung von Coronaviren – Review und Analyse von Coronavirusinaktivierungsstudien.
8) EU Commision; Health Effects of UV-C Lamp Radiation.
Bahnfleth, W.P. Reducing Infectious Disease Transmission with UVGI.
9) Kowalski, 2009. Ultraviolet Germicidal Irradiation Handbook (ISBN-13: 978-3642019982).
10) Kowalski, Walsh, 2020 Covid-19 Coronavirus Ultraviolet Susceptibility.
11) Bundesamt für Strahlenschutz, 6-2020 Desinfektion mit UV-C Strahlung.
12) CDC, Environmental Control for Tuberculosis.
13) Voß, Gritzki, Bux. 2020. Infektionsschutzgerechtes Lüften – Hinweise und Maßnahmen in Zeiten der SARS-CoV-2-Epidemie.
14) Olfatec GmbH – Untersuchungsbericht 2009.
15) LightTech, 2007. Ozone Free Compliance Declaration on Soft Glass Germicidal Lamp Products.
16) Kleesiek, Uni Bochum, 2009. Transmission von Viren durch RLT-Anlagen und inaktivierung durch UVC.
17) Auerbag, Wissplinghoff, 2010. Ermittlung der Eliminations-rate von Mikroorganismen in der Raumluft durch UVC-Strahlung.
18) TüV Bericht Luftreinigungsgerät R60024536.
19) Biotec GmbH, 2020. Inaktivierungsraten von Corona
Surrogaten.
20) Nielsen, Yigit LF Denmark 2015. Air Filtration Technologies for Pig Transport.
21) G.N. Sze To, C.Y.H. Chao, 2009. Review and comparison between the Wells-Riley and Dose-Response approaches to risk assesment of infectious respirotary diseases.
22) S.N. Rudnick, D.K. Milton 2003, Risk of indoor airborne infection transmission estimated from carbon dioxide concentration.
