Vzduchové filtry

Úvod

Uvnitř ventilačních a klimatizačních instalací se vyskytují pevné, biologické, mikrobiologické a plynné nečistoty. V závislosti na množství nečistot přenášených ventilačním vzduchem do ventilovaných/klimatizovaných místností a jejich negativním vlivům na zdraví uživatelů místností mohou mít tyto nečistoty v různé míře vliv na zhoršení lidského zdraví nebo výskyt nové, dříve nediagnostikované nemoci.

Pro nemocné s oslabeným imunitním systémem nebo pro starší osoby a děti, tedy pro jedince nejvíce citlivé na stav vzduchu, se mohou dokonce i nevelké koncentrace, které neohrožují zdravé, dospělé jedince, stát zdrojem dodatečných zdravotních komplikací. Prach a jiné nečistoty (také mikrobiologické) pronikají dovnitř ventilačních nebo klimatizačních instalací společně s vnějším vzduchem a recirkulačním vzduchem z obsluhovaných místností.

Kromě „nových“ nečistot přinášených ventilačním vzduchem se ve ventilačních a klimatizačních systémech skrývá spousta nečistot, které se nahromadily během mnoha let provozu instalace, např.: nečistoty pocházející z doby, kdy probíhala stavba, závěrečné úpravy a vybavování budovy, saze, plísně, výtrusy rostlin a hub, květový pyl, prach, bakterie, azbestová vlákna, částice maziv, dehtu a kouře, roztoči, vlákna textilií a jiné nečistoty ⁽⁵⁾. V instalacích se pak prach a společně s ním také mikroorganismy – hromadí a kumulují ve vzduchových filtrech a na površích jiných zařízení pro úpravu vzduchu a na vnitřních površích potrubí.

Kromě přímého pronikání nečistot přenášených vzduchem do klimatizovaného objektu, se prach a mikroorganismy dostávají do místností také v důsledku tzv. sekundárního znečištění. To vzniká v důsledku toho, že proud vzduchu přiváděného do místností strhává dříve usazené nečistoty, které se nacházejí na površích ventilačního vedení a na površích zařízení pro úpravu vzduchu. Uvnitř instalace, v nánosu, který se zde usadil a který obsahuje organické složky, nacházejí mikroorganismy vhodné prostředí pro množení. 

Mnoho vláknitých hub (plísní) a baktérií, které se rozvíjejí v instalacích, patří k saprofágům, tedy heterotrofním organismům, které získávají energii z odumřelých organických zbytků tím, že je rozloží na jednoduché sloučeniny. Dobře se adaptují na prostředí, pokud v něm vládne vhodná vlhkost a je v něm dostupná potrava organického původu. Mezi saprofágy nalezneme také toxické saprofágy, které vytvářejí škodlivé chemické látky – ektotoxiny, tedy vysoce toxické bílkoviny, které některé druhy baktérií vytvářejí a vylučují mimo buňku. V případě kontaktu s exotoxickými baktériemi se vyloučený toxin dostává do krevního oběhu a poškozuje vnitřní orgány. V případě většího ohrožení zdraví spojeného s výskytem hub a bakterií lze zaznamenat kromě alergické reakce (mykologická alergie) takové příznaky, jako jsou infekce (mykóza) a otravy (mykotoxikóza). 

Uživatelé klimatizovaných místností si často stěžují nejen na nevhodné teplotní parametry přiváděného vzduchu, příliš prudký průtok vzduchu kolem míst pro práci nebo odpočinek nebo na jeho stagnaci, ale také na nepříjemný zápach vycházející z instalace. Jeho zdrojem mohou být zařízení pro úpravu vzduchu, jako jsou vzduchové filtry, tlumiče hluku, zařízení pro zvlhčování vzduchu, které se v důsledku nevhodné údržby a nedostatečného čištění stávají vhodnými místy pro nekontrolovaný růst mikroorganismů. Plísně kromě alergenů obsahují také vysoce dráždivé složky buněčných membrán a vylučují do okolí mykotoxiny, které jsou produkty jejich metabolismu a velká množství organických sloučenin, tedy těkavých nízkomolekulárních sloučenin (aldehydů, alkoholů, ketonů aj.). Zápach plísně pochází hlavně z těkavých organických sloučenin. Také tyto kmeny bakterií jsou zdrojem těkavých organických sloučenin ⁽²¹⁾.

Četné výzkumy prokazují, že mikrobiologické znečištění a jeho amplifikace vzniká ve vzduchových filtrech v podmínkách dostatečné vlhkosti. Výtrusy a jiné částice bioaerosolu, které se nacházejí v proudu vzduchu, jsou z něho vylučovány. Vzduchové filtry mohou vlivem růstu kolonií mikroorganismů podléhat degradaci. Zároveň se v důsledku ucpávání filtračního materiálu snižuje účinnost filtrace a doba jejich provozu. V publikaci⁽¹⁾ byl pečlivě popsán problém výskytu vláknitých hub (plísní) (obzvláště Penicillium) na filtrech vzduchu a površích, které je obklopují. Jak bylo zjištěno, tento problém vznikal v důsledku nevhodné údržby filtrů. V jiných měřeních byla stanovena emise těkavých organických sloučenin z čistých kmenů bakterií izolovaných z organismů získaných ze vzduchových filtrů umístěných v obytných budovách. Těkavé organické sloučeniny vylučované určitými kulturami bakterií obsahovaly etanol, methylmerkaptan a dimethyl disulfid, jiné obsahovaly metanol, trimethylamin, etanol, aceton, methyl ethyl keton a ethyl keton, dimethyl disulfd, dimethyl trisulfd, indol, krezol, fenol. Složení těkavých organických sloučenin a množství emisí obecně záviselo na druhu kmenů bakterií, jejich metabolické aktivitě a možnosti vývoje⁽¹⁾. Také vláknité houby jsou zdrojem těkavých organických sloučenin, v důsledku čehož vzniká nepříjemný zápach instalace.

Mikroorganismy v instalacích a budovách

Mikroorganismy ve ventilačních a klimatizačních instalacích představují jak zdravotní problém pro uživatele ventilovaných nebo klimatizovaných místností, tak technický problém vzhledem k možnosti výskytu biologické koroze v instalacích.

V Tabulce 1 je uveden výčet potenciálních problémů, které se mohou vyskytnou ve ventilačních a klimatizačních instalacích a jejich potenciálních příčin, které vznikají v době provozu instalace a které jsou také způsobeny mikroorganismy.

Tabulka 1. Problémy spojené s kvalitou vnitřního vzduchu, které narůstají v případě pochybení při údržbě a provozu instalace⁽¹⁶⁾

Pro správné vyhodnocení úrovně rizika vyplývajícího ze znečištění instalací je třeba se seznámit se všemi potenciálními zdroji ohrožení a druhy nečistot. V Tabulce 2 jsou znázorněny podmínky příznivé pro růst a přežití mikroorganismů.

V Tabulce 3 jsou uvedeny nejdůležitější škodlivé biologické faktory, které se mohou vyskytovat v klimatizovaných místnostech, pocházející mj. ze znečištěných instalací.

Tabulka 2. Podmínky prostředí pro vývoj biologických znečištění⁽¹²⁾

Tabulka 3. Základní zdroje biologických nečistot vnitřního vzduchu podle World Health Organisation (15)

Měřítko (znázorněno v sestupném pořadí): 4 – dominantní zdroj 3 – hlavní zdroj 2 – důležitý zdroj 1 – významný zdroj

Příkladové výsledky výzkumu čistoty instalací 

Ve výzkumech hygienického stavu ventilačních vedení, prováděných různými zahraničními vědeckými centry, bylo zjišťováno množství prachu nahromaděného na jejich vnitřních stěnách. Zkoumání byly podrobeny jak existující instalace, které byly bez čištění v provozu po mnoho let, tak nové, teprve nedávno zprovozněné nebo právě zprovozňované systémy.

Bylo tak prozkoumáno např. 13 systémů pro úpravu a rozvod vzduchu, které se nacházely v dánských školách a kancelářských budovách ⁽²⁾. Díky provedeným gravimetrickým měřením bylo zjištěno, že povrchová hustota prachu usazeného na spodní stěně ventilačního vedení činila 1,1 až 50,9 g/m2 (průměrná hodnota: 6,8 g/m2). Bylo vypočteno, že průměrná povrchová hustota prachu v odvodním vedení byla 2,7- krát větší než v přívodním vedení. Průměrná roční hustota prachu akumulovaného v celé instalaci na spodní stěně vedení činila 0,7 g/m2. Nebyl zjištěn velký rozdíl v množství akumulace prachu v instalacích s recirkulací a bez recirkulace vzduchu.

Ve Finsku byly zase odebrány vzorky prachu z instalací, které se nacházely v obytném domě, ve škole a ve čtyřech kancelářských budovách. Bylo zjištěno, že povrchová hustota prachu, který se akumuloval během jednoho roku na spodních stěnách vodorovného vedení, činila 0,51 až 12,8 g/m2. 

Vzhledem ke skutečnosti, že prach obsahující různé organické látky je vynikajícím podhoubím pro růst mikroorganismů v instalaci, byly během měření odebírány také vzorky prachu, které sloužily k identifikaci mikroorganismů, které se v něm nacházely. 

V průběhu citovaných výzkumů bylo zároveň stanoveno množství kolonií plísní a bakterií v jednotce hmotnosti prachu nebo na 1 m² povrchu vedení. Výsledky byly následující:

• koncentrace kolonií plísní: 70÷6200 ktj/g prachu (Dánsko)
• koncentrace kolonií bakterií: 50÷5000 ktj/g prachu (Dánsko)
• koncentrace těkavých výtrusů hub: 200÷22 500 jtk/m² povrchu vedení (Finsko)
• koncentrace kolonií bakterií: 490÷35 900 jtk/m² povrchu vedení (Finsko)

Jednotkou používanou pro stanovení koncentrace mikroorganismů je ktj – kolonie tvořící jednotka. Název pochází z angličtiny (ang. colony formule unit - CFU) a znamená jednotlivé buňky, ze kterých v důsledku dělení vzniknou kolonie buněk. Vzhledem k této vlastnosti může množství kolonií sloužit ke stanovení koncentrace buněk v roztoku.

V referátu [Kalliokoski] byly uvedeny výsledky měření zaprášení ventilačních instalací ve 23 rodinných domech poblíž Kuopio ve Finsku. Volba právě těchto budov nebyla náhodná. Jejich majitelé se obrátili na firmy čistící instalace s žádostí o právě takovou službu. V Tabulce 4 jsou znázorněny výsledky měření, tedy složení prachu získaného z přívodních a odvodních vedení. Obzvláště zajímavé jsou údaje obsažené v Tabulce 4, které se týkají množství organických látek v prachu akumulovaném ve ventilačních instalacích.

Tabulka 4. Složení prachu získaného z přívodního a odvodního vedení v rodinných domech s instalacemi mechanické ventilace⁽⁸⁾

---

mezofil (mezo- + gr. phileín ‘mít rád’) - biol. - organismus přizpůsobený k životu ve středním, mírném stavu vlhkosti, přechodný mezi hydrofilem a xerofilem sklerofil, xerofil (sklero- + gr. phileín ‘mít rád’) - biol. - organismus upřednostňující sucho, přizpůsobený k nedostatku vody skrze silné omezení možnosti odpařování vody skrze jeho povrch

V tabulce 4 a 5 byly uvedeny výsledky měření, v kterých byly izolovány houby a bakterie na površích uvnitř místností nebo na površích zařízení a vedení v klimatizačních systémech.

Tabulka 5. Houby na površích uvnitř místností nebo na površích zařízení a vedení v klimatizačních systémech ⁽¹⁰⁾

Tabulka 6. Patogenní bakterie nalezené uvnitř místností nebo v klimatizačních systémech  (10), (13)

Přípustné koncentrace mikroorganismů ve vnitřním prostředí

V současné době tedy neexistuje polská norma nebo nařízení, které by určovalo klasifikaci místností (nezávisle na jejich určení – čistých nebo s typickým využitím) z hlediska mikroorganismů vyskytujících se ve vzduchu a které by popisovalo metody mikrobiologických výzkumů vnitřního vzduchu. Existují ale normy týkající se takových výzkumů ve vnějším vzduchu. Ty popisují metody stanovení množství hub (PN-89/Z-04111/03) a počtu bakterií (PN-89/Z-04111/02) v atmosférickém vzduchu. 

Také v literatuře a zahraničních normách lze jen těžko najít takovou klasifikaci. V minulých letech se ale objevila kanadská a finská doporučení týkající se přípustných množství kolonií hub ve vnitřním vzduchu.

Podle návrhů kanadských požadavků⁽²²⁾:

• by se ve vnitřním vzduchu neměly vyskytovat patogenní houby, jako např. Aspergillus fumigatus, Histoplasma, Cryptococcus a toxikogenní houby, jako je Stachybotrys atra
• dlouhodobý výskyt významného množství toxikogenních hub (Strachybotrys atra, Aspergillus, Penicillium, Fusarium) vyžaduje provedení dalších výzkumů
• potvrzená přítomnost jednoho nebo více druhů hub vyskytujících se ve významném procentu vzorků vzduchu a jejich současná absence ve vzorcích vnějšího vzduchu dokazuje, že se zde vyskytl zdroj (amplifikátor) hub
• pokud se ve vnitřním vzduchu vyskytuje jeden druh hub (jiných než Cladosporium nebo Alternaria) v množství přesahujícím 50 kolonií/1 m³ vzduchu, znamená to zhoršení hygienického stavu vzduchu, po překročení tohoto množství je nutné provést měření
• pokud se ve vnitřním vzduchu vyskytuje mnoho (směs) druhů hub, které odrážejí výtrusy přítomné ve vnějším vzduchu, jejich maximální přípustné množství činí 150 kolonií/1 m³ vnitřního vzduchu, a po jeho překročení je třeba provést další měření
• pokud je dominujícím druhem hub Cladosporium, Alternaria nebo jiné houby typické pro mikroflóru atmosférického vzduchu, jejich přípustná koncentrace činí v letním období 500 kolonií/1 m³  vnitřního vzduchu. Větší množství může svědčit o poškození vzduchových filtrů nebo kontaminaci budovy

Metody hodnocení mikrobiologického znečištění instalace

Míra kontaminace mikroorganismy je obvykle určována za použití vhodných metod pro jejich kultivaci, pomocí nichž lze provést jak identifikaci množství, tak kvality (druhy a kmeny mikroorganismů). Spočítání množství výtrusů hub a bakterií lze provést skrze odebrání prachu z vnitřku instalace pomocí filtrační metody (podtlakové). Přímé spočítání buněk pomocí mikroskopu je obvykle nemožné z důvodu značné tloušťky prachu ve vzorku s různými možnostmi odrazu světla.⁽¹⁸⁾ Počet mikroorganismů by měl být stanoven v usazenině a ve vzduchu, který prochází instalací. V případě, že lze ve ventilovaných/klimatizovaných místnostech vycítit nepříjemný pach z vnitřku instalace, bylo by vhodné odebrat vzorky prachu z filtru nebo kousku filtračního materiálu společně s tzv. „filtrační hmotou” (i když to nebude vždy možné), protože tento zápach může být důsledkem růstu mikroorganismů (plísňových hub a bakterií) na filtru.

Vyhodnocení množství mikroorganismů ve ventilačním vzduchu a v prachu 

Mikrobiologické výzkumy vzduchu jsou prováděny volumetrickou metodou za použití zařízení s kontrolovaným průtokem vzduchu. Ve výzkumu jsou používány pevné podklady. Získané vzorky jsou podrobeny 48-hodinové inkubaci v teplotě 37 ºC v aerobních podmínkách.⁽²⁰⁾ Pro odebrání vzorku mikrobiologických nečistot (např. hub) z povrchu vedení lze použít také otiskovou metodu a získaný materiál předat příslušné laboratoři za účelem provedení identifikace druhů a množství mikroorganismů. Otisková (kontaktní) metoda se nejlépe osvědčí během mikrobiologické kontroly plochých a hladkých (rovných) povrchů. V případě velkých, neabsorpčních, nepravidelných nebo prohloubených povrchů, pro které nelze použít kontaktní metody, lze použít odběrový tampon. Živé mikroorganismy mohou být odebrány pomocí setření sterilním tamponem nebo houbou. Některé vatové tampony mohou obsahovat určité složky nebo nečistoty na povrchu nebo uvnitř vaty. Vata může také působit toxicky na určité mikroorganismy.

V souvislosti s touto skutečností je třeba používat výhradně tampony se sterilním omývacím prostředkem, tedy fyziologickým solným roztokem. Lze použít předem připravené, navlhčené sterilní tampony.

K postupům umožňujícím provedení množstevní identifikace životaschopných částic pomocí otisku povrchu na vhodně zvoleném médiu obsahujícím živnou půdu, lze zařadit:

• vzorkovací destičky (otiskové) se speciálním přístupným povrchem vzorkování, tj. s vypouklým povrchem (meniskem) živné půdy
• elastická (pružná) zařízení se speciálním vzorkovacím povrchem

Během mikrobiologických výzkumů povrchu otiskovou metodou jsou používány speciální aplikátory. Ve výzkumech popsaných v ⁽²⁰⁾ jsou používány pevné podklady o průměru 55mm Získané vzorky jsou podrobeny 48-hodinové inkubaci v teplotě 37 °C v aerobních podmínkách.

Tabulka 7. Přípustná úroveň znečištění instalace, odběr vzorku podtlakovou metodou⁽¹⁸⁾

Přípustná množství mikroorganismů v používaných instalacích

Přijatelné množství mikroorganismů v prachu odebraném ze zařízení je uvedeno v navrhovaných pokynech předložených společností Mechanical Hygiene Industries ⁽⁶⁾ - Tabulka 8.

Tabulka 8. Návrh hodnocení mikrobiologického znečištění ventilačních vedení ⁽⁶⁾

Pouze v německých směrnicích VDI 6022, part 1⁽¹⁸⁾, je uvedeno zjištění, že při kontrole mikrobiologické kvality vody přiváděné do zvlhčovačů je třeba označit celkové množství bakterií. Doporučuje se používat agar s krví a inkubaci provádět v teplotě 20 °C ±1 a 36 °C ±1. V souladu se zmiňovanými směrnicemi činí maximální přípustná koncentrace celkového množství bakterií 1000 KTJ/ ml. V případě výskytu bakterií z rodu legionella koncentrace nemůže překročit 1 KTJ/ml. 

Účinnost zadržování mikroorganismů ve vysoce účinných filtrech HEPA a ULPA 

První filtry HEPA (“High Efficiency Particulate Air”) byly navrženy ve 40. letech minulého století a byly použity v projektu Manhattan za účelem předcházení šíření radioaktivních nečistot. Do prodeje byly uvedeny v 50. letech. V současné době jsou používány k velmi účinnému očišťování vzduchu (odtud také pochází název skupiny filtrů, do níž patří – vysoce účinné filtry) mj. ve farmaceutickém průmyslu, v nemocnicích, podnicích pro nukleární paliva, jaderných elektrárnách, při výrobě mikroprocesorů. Na základě požadavků týkajících se provádění testů filtrů HEPA lze říci, že filtr s účinností 99,97% bude s touto efektivitou zadržovat všechny částice, které jsou větší než 0,3 mikrometry.

 Filtry ULPA („Ultra Low Penetrating Air”), ještě účinnější než HEPA filtry (>99,997%), jsou schopny zadržet nejméně 99,999% takových nečistot, jako je prach, výtrusy rostlin, plísňové houby, bakterie a každá částice větší než 120 nanometrů.

V publikaci⁽⁹⁾ byly na základě modelových výzkumů identifikovány druhy mikroorganismů (virů, bakterií a výtrusů plísňových hub), vůči nimž se filtr HEPA s účinností 99,9% ve vztahu k nečistotám s rozměry 0,3 mikrometru vyznačuje největší propustností během jednorázového průtoku skrze filtr (Tabulka 9). Mezi mikroorganismy uvedenými v Tabulce 9 se nacházejí také ty, které se běžně vyskytují v nemocničním prostředí a které způsobují infekce nemocničního původu. Počet mikroorganismů procházejících filtrem samozřejmě nepředstavuje dostačující informaci pro zvážení jejich působení na lidské zdraví, pokud není doplněn o informaci týkající se jejich koncentrace a úrovně rizika. Ilustruje ale vlastnost, která je co se týče mikroorganismů - charakteristická pro všechny filtry: filtry zadržují některé z nich s větší nebo menší účinností.

Tabulka 9. Mikroorganismy, které nejčastěji procházejí filtrem HEPA s účinností 99,9% ve vztahu k nečistotám s rozměry 0,3 mikrometru během jednorázového průtoku vzduchu filtrem^{(9), (10)}

---

Ve zpracování znázorněném v ⁽⁷⁾ jsou uvedeny třídy vzduchových filtrů – tak, jak je navrhuje firma Camfil Farr (uvedeno v souladu s americkým názvoslovím) – které účinně zastavují plísňové houby uvedené ve stejné tabulce (Tabulka 10).

Tabulka 10. Navrhované třídy filtrů pro účinné zastavení plísňových hub⁽⁷⁾

Bibliografie

1. Batterman S. A., Burge H., HVAC Systems as Emission Sources Affecting Indoor Air Quality: a Critical Review, HVAC&Research, vol.1, no. 1, January 1995, p. 61-82
2. Brosseau L.M., Vesley D., Kuehn T., Melson J., Han H.S., Duct Cleaning: A Review of Associated Health Effects and Results of Company and Expert Surveys, w: ASHRAE Transaction