Wofür dient und wie funktioniert der antibakterielle HEPA-Filter?

HEPA-Filter werden empfohlen, um Smog, Staub, Milben, Viren, Pilze und viele andere in der Luft zirkulierende Partikel und Mikroorganismen zu bekämpfen. Ihr außergewöhnlich großes Wirkungsspektrum macht sie immer beliebter und sie werden fast unverzichtbarer Bestandteil moderner Staubsauger, Autoklimaanlagen und natürlich Luftreiniger. Doch wie funktionieren HEPA-Filter und was steckt hinter ihrem großen Erfolg?

Pre-HEPA-Geschichte

Luftreinigende HEPA-Filter, obwohl sie bis vor kurzem fast ausschließlich an Orten mit sehr hohen Anforderungen an die Luftreinheit verwendet wurden, wie in der Lebensmittel-, Elektronik- und Pharmaindustrie sowie in sterilen Labors und Operationssälen, sind heute etwas Alltägliches, dem normale Menschen fast täglich begegnen. Ursprünglich eine militärische Erfindung, die entwickelt wurde, um intensiven Bombenangriffen in Schutzräumen standzuhalten, ermöglichen diese Filter eine effektivere Hausreinigung und bieten täglich hohen Komfort für Menschen mit Asthma oder schweren Allergien.

Die Geschichte der modernen HEPA-Filter begann 1940 in den USA mit dem Beginn des Manhattan-Projekts, dem amerikanischen wissenschaftlichen Forschungsprogramm zur Konstruktion der Atombombe. Aufgrund des Auftretens kleiner, radioaktiver Partikel, die während der Experimente mit radioaktiven Materialien in die Luft freigesetzt wurden, entstand die Notwendigkeit, hochspezialisierte Filter zu entwickeln, die alle schädlichen Partikel und Mikroorganismen effektiv einfangen können. Die zu diesem Zweck gebauten Geräte, die höchste Sicherheit gewährleisten und über 99 % der Verunreinigungen auffangen, wurden mit dem Akronym HEPA, das für High Efficiency Particulate Air steht, getauft.

Was ist ein HEPA-Filter?

Wir wissen bereits, woher die HEPA-Filter stammen, aber was genau verbirgt sich hinter dem Begriff High Efficiency Particulate Air Filter? Die einfachste Übersetzung wäre einfach „hocheffizienter Partikelluftfilter“, was bedeutet, dass es sich um ein Gerät handelt, das mit einer Effizienz von über 99,95 % feste Partikel mit einer Größe von 0,3 Mikrometern einfangen kann, also Partikel, die kleiner sind als die Dicke eines menschlichen Haares, dessen durchschnittlicher Durchmesser 50 Mikrometer beträgt. Das bedeutet, dass HEPA-Filter nicht nur verschiedene Arten von Staub einfangen können, sondern auch wirklich mikroskopisch kleine Verunreinigungen, darunter gesundheitsgefährdende Schimmelsporen und andere Pilze, Atemwegserkrankungen verursachende atmosphärische Aerosole wie Smog sowie Pollen, tierische Allergene und durch Tröpfchen übertragene Bakterien und Viren.

Interessanterweise werden HEPA-Filter zwar auf der Grundlage ihrer Effizienz bei der Entfernung von 0,3 Mikrometer großen Partikeln aus der Luft bewertet, sie sind jedoch so gebaut, dass sie zuverlässig noch kleinere, aber ebenso schädliche Partikel und Mikroorganismen einfangen können. Dies liegt daran, dass Partikel mit einem Durchmesser von etwa 0,3 Mikrometern am schwierigsten zu erfassen sind und bei der Luftfiltration die meisten Probleme verursachen, während noch kleinere Bakterien und Viren leicht im Fasernetz des Filters gefangen werden. Dies ist alles dank der geeigneten Konstruktion der dünnen Blätter, die zum Einfangen von Verunreinigungen verwendet werden, und die es ermöglichen, gesundheitsschädliche Substanzen auf drei verschiedene Arten einzufangen.

Wie filtert HEPA die Luft?

Der Hauptteil eines HEPA-Filters ist ein großformatiges Blatt, das in einer Ziehharmonika gefaltet ist und aus zufällig angeordneten Fasern aus Glas oder synthetischem Material besteht, die durch ihre zufällige und ungleichmäßige Struktur ein komplexes Labyrinth von Luftkanälen bilden, in denen sich die Teilchen, die versuchen, hindurchzukommen, verlieren und festgehalten werden. Es geht nicht nur darum, große Partikel direkt zu „sieben“, wie die PM10-Mischung, die Teil des Smogs ist und eine Größe von „nur“ 10 Mikrometern hat, sondern auch darum, eine Situation zu schaffen, in der Verunreinigungen, die klein genug sind, um zwischen die einzelnen Fasern zu passen, ebenfalls im Inneren des Filters gefangen werden. Um einen so guten Effekt zu erzielen, sind HEPA-Filter darauf ausgelegt, für den Menschen schädliche Partikel auf mehrere Arten zu fangen:

1. Filtration durch Aufprall

Dies ist der einfachste Erfassungsprozess, der verwendet wird, um die größten in der Luft übertragenen Partikel, einschließlich der bei der Verbrennung von festen und flüssigen Brennstoffen entstehenden toxischen Substanzen, zurückzuhalten. Diese Methode nutzt die dichte Anordnung der Filterfasern, um schädliche Partikel analog zu einem Netz zu fangen, indem sie daran gehindert werden, durch zu enge Maschen zu gelangen, und sie zwischen den einzelnen Fasern blockiert werden. HEPA bewältigt damit effektiv alle Arten von Pollen und ist eine hervorragende Lösung für Menschen mit saisonalen Allergien.

2. Filtration durch Abscheidung

Bei Partikeln unter 1 Mikrometer funktionieren Standard-Siebmethoden nicht mehr, da diese Partikel problemlos durch die Öffnungen passen, die den freien Luftdurchlass durch den Filter ermöglichen. Glücklicherweise haben sie trotz ihrer geringen Größe immer noch ein gewisses Gewicht und werden vom Luftstrom getragen. Sie können den häufigen Richtungsänderungen im durch unregelmäßig angeordnete Fasern geschaffenen Labyrinth nicht folgen, kollidieren früher oder später mit einer der Filterfäden und haften an ihrer Oberfläche. In dieser Phase fängt HEPA hauptsächlich Bakterien und Milbensporen im Staub ein und hat somit erhebliche Auswirkungen auf die Gesundheit der Personen im Raum.

3. Filtration durch Diffusion

Die letzte Filtermethode gilt für Partikel, die kleiner als 0,3 Mikrometer sind, also verschiedene Viren (einschließlich Coronavirus). Diese Methode, bekannt als Diffusion, nutzt das Phänomen der Brownschen Bewegung, also die chaotische Bewegung von Partikeln, die klein genug sind, um sich in der Luft zu bewegen und von ihren Molekülen abzuprallen und ständig ihre Flugbahn zu ändern. Aus diesem Grund würden sie, obwohl sie sich mit dem Luftstrom bewegen und auf die andere Seite des Filters gelangen könnten, in einem komplizierten und unregelmäßigen Zickzack fliegen, auf die ebenfalls chaotisch angeordneten Fasern treffen und im Filterinneren gefangen werden.

Woran erkennt man einen effektiven HEPA-Filter?

Tatsächlich haben viele HEPA-Filter eine 100%ige Wirksamkeit gegen verschiedene Arten von Partikeln, und kämpfen nur mit den schwierigsten, die 0,3 µm groß sind, deren Filtration an der Grenze zwischen Abscheidung und Diffusion erfolgt, wodurch einige entkommen können. Doch auch in diesen Fällen muss jeder HEPA-Filter eine Mindestwirksamkeit von 99,95 % aufweisen – und das ist ausreichend, um in Krankenhäusern, Laboratorien, der pharmazeutischen Industrie und in Lebensmittelproduktionsstätten eingesetzt zu werden. Natürlich sollten hochspezialisierte Einrichtungen, die Teil der Nuklear-, Pyrotechnik- oder Energieindustrie sind und äußerst strenge Anforderungen erfüllen müssen, mit HEPA-ähnlichen Filtern, den sogenannten ULPA-Filtern, ausgestattet werden, die bis zu 99,999995 % der Partikel einfangen können. Unter normalen Bedingungen erhöhen jedoch selbst EPA-Filter mit einer Wirksamkeit von 85 % bis 99,5 %, die beispielsweise in Staubsaugern eingebaut sind, das Hygieneniveau der Luft erheblich.

Unabhängig vom Wirkungsgrad ist es jedoch wichtig zu bedenken, dass Filter mit der Zeit an Wirksamkeit verlieren. Und obwohl Modelle erhältlich sind, die für eine regelmäßige Reinigung ausgelegt sind, verwenden die meisten Luftreiniger, Staubsauger und Klimaanlagen weiterhin austauschbare HEPA-Filter, die zwischen 12 und 24 Monaten halten, bevor sie abgenutzt sind und durch neue ersetzt werden müssen. Angesichts der aktuellen Preise für Luftreiniger-Einsätze belaufen sich die Kosten auf nur etwa 50 PLN, was wirklich ein geringer Aufwand ist, wenn man die enormen Vorteile bedenkt, die HEPA-Filter täglich für Allergiker, Menschen mit Atemwegserkrankungen und diejenigen bringen, die in smoggefährdeten Ballungsräumen leben und arbeiten.

Ryszard Kurek