Ermittlung des Rückhaltevermögens von Filteranlagen zur Atemluftversorgung von Fahrzeugen in der Abfallwirtschaft gegenüber Mikroorganismen

DIPLOMARBEIT

Ermittlung des Rückhaltevermögens von Filteranlagen 
zur Atemluftversorgung von Fahrzeugen 
in der Abfallwirtschaft gegenüber Mikroorganismen

Durchgeführt im
Labor Dr. Rabe HygieneConsult
in Essen

Vorgelegt von

Steffi Krüger

Wintersemester 2002/2003

ZUSAMMENFASSUNG
Die meisten Fahrzeuge in der Abfallwirtschaft sind mit einer Schutzbelüftungsanlage ausgerüstet, die die Fahrerkabinen mit gefilterter Außenluft versorgt. In dieser Arbeit wurden die Schwebstofffilter der Anlagen auf das Rückhaltevermögen gegenüber Mikroorganismen untersucht. Hierzu wurde während des Versuchszeitraumes das Mikroklima im Filterkasten von 18 Fahrzeugen verschiedener Abfallwirtschaftsbetriebe aufgezeichnet und die Filter nach einer Standzeit von sechs Monaten untersucht.
Die Auswertung der Klimadaten zeigte, dass die mittleren Temperaturen an den einzelnen Filtern zwischen 4,8 und 18 °C schwankten. Die mittleren relativen Feuchten lagen zwischen 48 und 85 %.
Die durchgeführten Abstrichproben ergaben für die Rohseiten der Filter Keimdichten von 13 bis 40.000 KBE / cm2 für mesophile Schimmelpilze, 6 bis 76.000 KBE / cm2 für mesophile Actinomyceten und < 8 bis 110.000 KBE / cm2 für thermophile Actinomyceten. Für Reinseite wurden Belastungen von < 6 bis 120 KBE / cm2 für Schimmelpilze, < 6 bis 570 KBE / cm2 für mesophile und < 6 bis 2.600 KBE / cm2 für thermophile Actinomyceten ermittelt.
Die im Strömungskanal ermittelten Emissionswerte der Schwebstofffilter sanken nach 13-minütiger Durchströmung meist auf vernachlässigbar kleine Werte. Einige Filter emittierten aber noch bis zu 1.900 KBE / m3. Die Konzentration mesophiler und thermophiler Actinomyceten in der emittierten Luft der Filter lag in der gleichen Größenordnung wie die der Schimmelpilze.
Mit Hilfe der mikroskopischen Untersuchung von Klebefilmproben der Schwebstofffilter konnte nur zweimal ein Hyphenwachstum auf der Rohseite ermittelt werden. Auf den Reinseiten konnten keine Hyphen oder Mycelien festgestellt werden. Ein Durchwachsen der Filter konnte daher nicht nachgewiesen werden.
Da die Mikroorganismen auf dem Schwebstofffilter keine optimalen Wachstumsbedingungen vorfinden (sich oft ändernde klimatische Verhältnisse und Stress durch die Durchströmung), ist das Risiko, dass Sporen auskeimen, sich die Mikroorganismen vermehren und das Filtermaterial durchwachsen eher gering. Das Filter stellt daher keine Keimquelle für die Atemluft in den Fahrzeugkabinen dar.
Die Untersuchungen an den Schwebstofffiltern zeigten also, dass ihr Rückhaltevermögen gegenüber Mikroorganismen ausreichend ist. Die in der Praxis übliche Filterstandzeit von sechs Monaten ist demnach vertretbar. Da die Keimdichten und -konzentrationen der untersuchten Schwebstofffilter der beiden Mietenumsetzer höher waren, als die der anderen Fahrzeuge, sollten weitere Untersuchungen durchgeführt werden, um über eine Verkürzung deren Filterstandzeit zu entscheiden.

Inhaltsverzeichnis

1 EINLEITUNG ... 1
1.1 Literatur ... 1
1.2 Forschungsprojekt ... 3
1.3 Ziel der Diplomarbeit ... 4

2 Grundlagen ... 6
2.1 Schimmelpilze ... 6
2.1.1 Vorkommen und Lebensbedingungen ... 6
2.1.2 Gefährdung des Menschen ... 9
2.1.3 Schutzmaßnahmen ... 10
2.2 Actinomyceten ... 12
2.2.1 Vorkommen und Lebensbedingungen ... 12
2.2.2 Gefährdung des Menschen ... 12
2.2.3 Schutzmaßnahmen ... 13
2.3 Filtration ... 13
2.4 Einflussfaktoren und Randbedingungen ... 15

3 Materialien und Methoden ... 17
3.1 Verwendete Materialien und Geräte ... 17
3.1.1 Nährböden ... 17
3.1.2 Chemikalien ... 18
3.1.3 Gefäße ... 18
3.1.4 Geräte ... 19
3.1.5 Filter ... 20
3.2 Methodik ... 20
3.2.1 Filterwechsel und Vorbereitung des Sommerversuchs 2002 ... 20
3.2.2 Beprobung der Prüffilter am klimatisierbaren Strömungskanal ... 21
3.2.3 Abstrichproben an den Filtern ... 24
3.2.4 Klebefilmproben an den Filtern ... 25
3.2.5 Auslesen der Klimadaten ... 25

4 Untersuchungsergebnisse ... 26
4.1 Mikroklima während des Versuchszeitraumes ... 27
4.2 Sporendichte auf Rein- und Rohseiten der untersuchten Filter ... 34
4.2.1 Ergebnisse der Abstrichproben ... 34
4.2.2 Ergebnisse der Klebefilmproben ... 39
4.3 Emission von Sporen aus den untersuchten Filtern ... 42
4.3.1 Schimmelpilze ... 42
4.3.2 Actinomyceten ... 45

5 Bewertung und Diskussion ... 47
5.1 Bewertung der Klimadaten ... 47
5.2 Vergleich der Untersuchungsergebnisse der Methoden zur Keimbestimmungen ... 59
5.2.1 Abstrichproben in Bezug zu den Klebefilmproben ... 59
5.2.2 Abstrichproben in Bezug zu den Strömungskanalversuchen ... 65
5.3 Bewertung der Einflussfaktoren und Randbedingungen ... 76
5.4 Schlussfolgerung  ... 80

6 Abkürzungsverzeichnis ... 82

7 Literaturverzeichnis ... 84

8 Anhang  ... 87

ABBILDUNGSVERZEICHNIS
Abb. 1: Stoffwechsel von Schimmelpilzen mit Beispielen für Sekundärmetaboliten nach [28]
Abb. 2: Kassettenfilter
Abb. 3: Patronenfilter
Abb. 4: Schema des Klimakanals der DMT Prüfstelle für Lufthygiene mit erster Strömungsstrecke (oben) und zweiter Strömungsstrecke (unten) (Pfeile symbolisieren Strömungsrichtung)
Abb. 5: Zweite Strömungsstrecke des klimatisierbaren Strömungskanals zum Beproben der Prüffilter
Abb. 6: Datenlogger testostor 175-2

DIAGRAMMVERZEICHNIS
Diagramm 1: Keimdichte mesophiler Schimmelpilze der Roh- und Reinseite der Schwebstofffilter in Bezug zu den jeweiligen mittleren relativen Feuchten während des Versuchszeitraumes ... 48
Diagramm 2: Keimdichte mesophiler Actinomyceten der Roh- und Reinseite der Schwebstofffilter in Bezug zu den jeweiligen mittleren relativen Feuchten während des Versuchszeitraumes ... 48
Diagramm 3: Keimdichte thermophiler Actinomyceten der Roh- und Reinseite der Schwebstofffilter in Bezug zu den jeweiligen mittleren relativen Feuchten während des Versuchszeitraumes ... 49
Diagramm 4: Darstellung der Klimadaten des Fahrzeuges G in der Woche vom 26.11.01 bis 02.12.01
Diagramm 5: Darstellung der Klimadaten des Fahrzeuges M in der Woche vom 26.11.01 bis 02.12.01
Diagramm 6: Darstellung der Klimadaten des Fahrzeuges N in der Woche vom 26.11.01 bis 02.12.01
Diagramm 7: Darstellung der Ergebnisse der Abstrichproben der Rohseite der untersuchten Schwebstofffilter
Diagramm 8: Darstellung der Ergebnisse der Abstrichproben der Reinseite der untersuchten Schwebstofffilter
Diagramm 9: Graphische Darstellung der Emissionswerte nach 30 s Durchströmung im Versuchskanal
Diagramm 10: Graphische Darstellung der Emissionswerte nach 60 s Durchströmung im Versuchskanal
Diagramm 11: Graphische Darstellung der Emissionswerte nach 2 min Durchströmung im Versuchskanal
Diagramm 12: Graphische Darstellung der Emissionswerte nach 3 min Durchströmung im Versuchskanal
Diagramm 13: Graphische Darstellung der Emissionswerte nach 13 min Durchströmung im Versuchskanal

TABELLENVERZEICHNIS
Tab. 1: Verwendete Nährmedien
Tab. 2: Verwendete Chemikalien
Tab. 3: Benutzte Gefäße
Tab. 4: Verwendete Geräte zur Beprobung und Probenaufarbeitung
Tab. 5: Verwendete Filter für die Emissionsmessung im Strömungskanal
Tab. 6: Zuordnung der Fahrzeuge
Tab. 7: Statistische Auswertung der Klimadaten an den Schwebstofffiltern
Tab. 8: Belastungsstufen der Abstrichprobenahme nach [35]
Tab. 9: Konzentration mesophiler Pilzsporen in von Schwebstofffiltern emittierter Luft
Tab. 10: Konzentration mesophiler und thermophiler Actinomycetensporen in von Schwebstofffiltern emittierter Luft
Tab. 11: Übersicht über Keimdichten und die mikroskopische Untersuchung auf der Roh- und Reinseite der Schwebstofffilter 
Tab. 12: Übersicht über Keimdichte auf der Roh- und Reinseite der Schwebstofffilter und der Konzentration mesophiler Pilzsporen, die von den Schwebstofffiltern im Strömungskanalversuch freigesetzt wurden
Tab. 13: Übersicht über Keimdichte auf der Roh- und Reinseite der Schwebstofffilter und der Konzentration mesophiler Actinomyceten, die von den Schwebstofffiltern im Strömungskanalversuch freigesetzt wurden
Tab. 14: Übersicht über Keimdichte auf der Roh- und Reinseite der Schwebstofffilter und der Konzentration thermophiler Actinomyceten, die von den Schwebstofffiltern im Strömungskanalversuch freigesetzt wurden

1 EINLEITUNG
Luftfilteranlagen dienen neben der Reinigung der Luft von Stäuben auch der Rückhaltung von Mikroorganismen. Dieser Aspekt ist in Arbeitsbereichen mit hohen Konzentrationen an Mikroorganismen maßgeblich für den Arbeitsschutz von Bedeutung.
Sind die auf dem Filter abgeschiedenen Mikroorganismen aber in der Lage, sich zu vermehren, das Filter zu durchwachsen und werden dann auf der Reinseite in die Luft abgegeben, stellt dies ein zusätzliches Gesundheitsrisiko da.
Zu dieser Thematik sind bereits Untersuchungen durchgeführt worden, die zu unterschiedlichen Ergebnissen geführt haben.

1.1 Literatur
Rüden und Botzenhart [29, 30 und 31] untersuchten die Mikroorganismenkonzentration auf Luftfiltern an einer laufenden Klimaanlage bei einer relativen Luftfeuchtigkeit unter 70 %. Die Untersuchungen ergaben keine Abhängigkeit zwischen Filterstandzeit und Mikroorganismenkonzentration auf den Filtern. Unabhängig von der Standzeit wurde ein beträchtliches Absterben vegetativer Mikroorganismen festgestellt. Sporenbildner und Pilzarten hingegen überlebten, ohne sich aber zu vermehren. Bei höheren relativen Luftfeuchtigkeiten wurde sogar eine höhere Absterberate vegetativer Formen beobachtet. Rüden und Botzenhart vermuten eine bakteriostatische bzw. bakteriozide Wirkung des Staubes.
Weiter nehmen die Autoren an, dass sich eine kontinuierliche Durchströmung des Filters negativ auf die Mikroorganismen auswirkt, da einige Keimarten bei Nichtdurchströmung besser überlebten als bei Durchströmung.

Rüden et al. [32 und 33] führten weitere Untersuchungen an Hochleistungsschwebstoff- (HOSCH-) Filtern auf Pilze und Bakterien durch. Nach 21 Tagen Versuchszeit konnte weder bei Pilzen noch bei Bakterien eine Vermehrung oder ein Durchwachsen der Filter festgestellt werden. Die Mikroorganismen auf gebrauchten Filtern starben schneller ab als auf ungebrauchten. Nur durch die Aufgabe von Nährmedien konnte ein Durchwachsen der Filter von Pilzen forciert werden. Daraus schlussfolgerten die Autoren, dass HOSCH-Filter keine ausreichende Nähstoffbedingungen für Mikroorganismen bieten.

Elixmann [6] kam nach Untersuchungen an einer raumlufttechnischen (RLT-) Anlage zu dem Schluss, dass der Staub auf den gebrauchten Luftfiltern von Pilzen als Nährsubstrat verwendet werden kann. Er stellte fest, dass die Konzentration von einigen Pilzen, die allergologisch relevant sind, bei Luftfeuchtigkeiten über 70 % nach den Filtern (Grob- [G3-] und Feinstaub- [F7-] Filter)gleich oder sogar höher waren als vor den Filtern. Untersuchungen mit dem Rasterelektronenmikroskop zeigten Pilzhyphen sowohl auf den Roh- als auch auf den Reinseiten. Daher folgerte der Autor, dass Filter zu einer Quelle für Pilzsporen werden können statt sie zurückzuhalten.

In einer weiteren Studie stellten Elixmann und Jorde [5] fest, dass sich Pilze in Glasfaser-Taschenfiltern (G3 und F7) bei hohen relativen Luftfeuchten vermehren können. Der Umfang und die Rahmenbedingungen des Durchwachsens konnten in dieser Studie nicht geklärt werden.

Martikainen et al. [21] fanden während ihrer Untersuchungen an unterschiedlichen RLT-Anlagen eine positive Korrelation zwischen dem Wassergehalt der Luftfilter und der Bakterienkonzentration. Für Pilze konnte dies nicht festgestellt werden. Die Versuche zeigten des Weiteren eine stärkere Beeinflussung der Mikroorganismen durch die Luftfeuchtigkeit als durch die Temperatur.

Untersuchungen zur Wirksamkeit eines Glasfaser-, eines Polymerfaser- und eines zweistufigen Elektrofilters gegenüber Mikroorganismen in RLT-Anlagen und deren Wachstum in diesen Filtern führten Kemp et al. [16 und 17] durch. Ein Jahr lang wurden Luftfilter mit Außenluft durchströmt. Danach konnte kein mikrobielles Wachstum festgestellt werden. Als die gleichen Luftfilter anschließend mit einer konstanten Luftfeuchtigkeit von 90 % rF durchströmt wurden, trat innerhalb von vier Wochen ein Pilzwachstum auf. Bei einem weiteren Versuch in einem Umluft-Kanalsystem bei 21 °C und 90 % rF mit den gleichen Filtern, konnte nach einem Jahr nur auf der Rohseite des Glasfasermediums ein Pilzwachstum festgestellt werden. Die nur minimal mit Keimen belastete Umgebungsluft wurde während des Versuchs intermittierend mit Cladosporien-Pilzsporen beaufschlagt. Erst nach Durchfeuchtung der Filter und zusätzlicher Aufgabe von Nährstofflösung konnte ein Durchwachsen beobachtet werden.

Feld- und Laborstudien von Möritz [22] an verschiedenen Filtertypen (Taschen- und Kassettenfilter) der Klassen F7 und F6, die aus Glas-, Synthese- und Zellulosefasern bestanden, ergaben, dass es bei lang anhaltender hoher Luftfeuchtigkeit zu einer Vermehrung der abgeschiedenen Mikroorganismen und daher zu einer massiven Abgabe von Pilzsporen, Hefen und speziell von Bakterien kommt. Trockenphasen durch periodische Schwankungen der Feuchtigkeit führten aber zu einem Absterben der Mikroorganismen.
Alle Untersuchungen gehen von Bedingungen einer RLT-Anlage aus. Die Keimbelastungen und klimatischen Bedingungen der Schutzbelüftungsanlagen von Fahrzeugen in der Abfallwirtschaft sind aber völlig anders. Daher besteht auf diesem Gebiet weiterer Forschungsbedarf.

1.2 Forschungsprojekt
Die Tiefbau-Berufsgenossenschaft (TBG) beauftragte das Labor Dr. Rabe HygieneConsult 1999 mit der Durchführung eines Forschungsprojektes. In diesem Projekt soll die Möglichkeit erforscht werden, ob und unter welchen Bedingungen Schimmelpilze in der Lage sind, Schwebstofffilter in Belüftungsanlagen in Fahrzeugen der Abfallwirtschaft zu durchwachsen. Das Projekt gliedert sich in vier Teilprojekte, von denen diese Diplomarbeit das Dritte darstellt.
In den vorangegangenen Projektabschnitten wurde im Laborversuch gezeigt, dass Schimmelpilze Staub mit hohem organischen Anteil als Nahrungsquelle nutzen können. Die Schimmelpilzsporen keimten bei konstanter Luftfeuchtigkeit von = 86 % rF und die Pilze wuchsen durch die staubbeladenen Hochleistungsschwebstofffilter (HEPA-Filter).
In weiteren Laborversuchen wurde unter Simulation realer Einsatzbedingungen von Schutzbelüftungsanlagen bei hoher Luftfeuchtigkeit eine Durchwachsung festgestellt. Bei einem Median der relativen Luftfeuchte von 97 % war die Durchwachsung erheblich. Sie reduzierte sich deutlich bei einem Median von 85 % rF, war aber noch vorhanden. Nach vier Wochen war keine Freisetzung von Schimmelpilzsporen auf der Reinseite des Filters festzustellen und Pilze nur in geringem Maße nachzuweisen.
In einer weiteren Versuchsreihe wurde der Einfluss der Standzeit des Filters untersucht. Nach sechs Wochen bei variierender hoher Luftfeuchte war eine Durchwachsung des Filtermaterials festzustellen. Die Sporenfreisetzung auf der Reinseite war bemerkenswert.
HEPA-Filter können also von Schimmelpilzen durchwachsen werden, die auf der Reinseite neue Sporen bilden und diese in die Reinluft abgeben. [27]
Der zweite Teil des Forschungsvorhabens bestand aus einem Praxisversuch, in dem Schwebstofffilter von sieben Fahrzeuge aus der Abfallwirschaft, die über drei Monate im alltäglichen Gebrauch waren, beprobt wurden. Hierzu wurden in jedem Fahrzeug neue Filter eingesetzt und diese zusätzlich mit einem Klimadatenlogger ausgestattet.
Nach drei Monaten wurden die Schwebstofffilter und Datenlogger aus der Schutzbelüftungsanlage entnommen und im Labor untersucht. Die ausgelesenen Klimadaten ergaben, dass die mittlere Temperatur zwischen 17,4 und 24,8 °C und die mittlere relative Feuchte zwischen 46 bis 84 % schwankte.
Die Schwebstofffilter wurden mittelbar nach der Entnahme im Strömungskanal untersucht, wobei eine Freisetzung von Pilzsporen festgestellt wurde. Die Sporenkonzentration in der Luft auf der Reinseite des Filters war jedoch relativ gering.
Des Weiteren wurden von dem Schwebstofffilter Abstrichproben auf der Roh- und Reinluftseite entnommen. Deren Auswertungen ergaben Keimdichten von 16 bis 1480 KBE / cm2 (Schimmelpilze) auf der Rohluftseite und <5 bis 127 KBE / cm2 (Schimmelpilze) auf der Reinluftseite des Filters.
Auf den entnommenen Klebefilmproben auf Roh- und Reinluftseite wurden keine offensichtlichen Durchwachsungen des Filtermaterials durch Schimmelpilze festgestellt.
In sechs der sieben Fahrzeuge war die mittlere relative Feuchtigkeit im Vergleich zu den Laborbedingungen gering. Der höchste Mittelwert lag bei 68 % rF. Ein Hyphenwachstum ist unter diesen Bedingungen eher unwahrscheinlich. Die relative Feuchte des siebten Fahrzeuges betrug im Mittel 84 %, aber auch hier wurde nur auf der Rohluftseite des Filters ein Mycelwachstum festgestellt. Auf der Reinluftseite war eine Durchwachsung des Filtermaterials nicht nachweisbar. [35]
Die geringe Anzahl der Fahrzeuge und der relativ kurze Versuchszeitraum ließen keine statistisch abgesicherten Aussagen zur Keimfreisetzung aus Schwebstofffiltern in der Praxis zu, so dass weiterer Forschungsbedarf bestand.
Im dritten und vierten Projektteil sollten nun in Praxisversuchen Schwebstofffilter, die mit Klimadatenlogger für je sechs Monate in 18 Fahrzeugen eingesetzt waren, untersucht werden.

1.3 Ziel der Diplomarbeit
Im Rahmen der Diplomarbeit soll der dritte Teil des obigen Forschungsvorhabens, die sechsmonatige Versuchsreihe des Winterhalbjahres 2001/2002, ausgewertet und der vierte Teil, die Versuchsreihe des Sommerhalbjahres 2002, vorbereitet werden. Ein weiterer Teil der Diplomarbeit stellt die Untersuchung der Schwebstofffilter auf das Durchwachsen von Actinomyceten dar. Dieser Teil der Diplomarbeit wurde aufgrund der Aktualität erst in deren Verlauf hinzugefügt. Auf diesem Gebiet besteht noch sehr hoher Forschungsbedarf.
Hierzu wurden alle Schwebstofffilter und Klimadatenlogger, die in den 18 Fahrzeugen in verschiedenen Betrieben der Abfallwirtschaft für sechs Monate eingesetzt waren, im Austausch entnommen. Die Filter wurden auf Schimmelpilze und Actinomyceten untersucht. Die eingesetzten Klimadatenlogger wurden ausgelesen und nach dem Überprüfen der Messgenauigkeit wieder in die Fahrzeuge eingesetzt.
Die zentrale Fragestellung war wieder, inwieweit eine Sporenbildung bzw. ein Hyphenwachstum auf der Reinluftseite erfolgte.
Nach Auswertung der Klimadaten der einzelnen Standorte der Fahrzeuge soll entschieden werden, ob Standorte mit zu geringer mittlerer Feuchte eventuell durch neue ersetzt werden müssen, da hier keine Bedingungen für ein Durchwachsen des Filtermaterials gegeben sind.

[...]