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Hermann-Rietschel-Institut | Fachgebiet Gebäude-Energie-Systeme | Marchstr. 4 D-10587 Berlin
Emissionsrate und Partikelgröße von Bioaerosolen beim Atmen, Sprechen und
Husten
Autoren: A. Hartmann, J. Lange, H. Rotheudt, M. Kriegel
DOI: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-10332
Einleitung:
Infektionserreger können über flüssige Partikel (z.B. Speicheltröpfchen) beim Atmen, Sprechen und
Husten in die Raumluft gelangen und sich dort u.a. als Aerosol über weite Strecken ausbreiten. Die
Quellstärke und Größenverteilung der Emission von diesen Bioaerosolen sind die Basis für das
Ausbreitungsverhalten und damit eine wesentliche Größe zur Bestimmung des von Menschen
ausgehenden Infektionsrisikos. Die vorliegende Studie liefert Werte für die Emissionsrate von
Partikeln, die aus Mund oder Nase von Menschen unter verschiedenen Aktivitäten abgegeben
werden: atmen, sprechen und husten.
Messmethode:
Die Messungen wurden in einem Reinraum mit einer vertikalen turbulenzarmen
Verdrängungsströmung (TAV) durchgeführt (siehe Abbildung 1). Die Zuluft wird über die gesamte
Deckenfläche von 4,8 x 4,8 m² über endständige ULPA-Filter (Ultra Low Penetrating Air Filter)
eingebracht und ist somit partikelfrei. Die Zuluftgeschwindigkeit beträgt 0,3 m/s und verhindert
vollständig den thermischen Auftrieb an den Probanden. Die Abluft wird über einen Doppelboden
ebenfalls vollflächig aus dem Raum abgeführt. Damit werden die vom Menschen über die Haut und
Kleidung abgegebenen Partikel (ca. 5.000 Partikel pro Sekunde bei ruhigem Sitzen) unmittelbar nach
unten verdrängt und aus dem Raum abtransportiert. Die Probanden sind gekleidet in eine
Kombination von spezieller, partikelarmer Reinraumbekleidung, bestehend aus Unterbekleidung,
Kittel und Kopfhaube. Die Kopfhaube wird zusätzlich mit Klebeband an der Haut fixiert, so dass
ausschließlich das Gesicht freibleibt. Die Störeinflüsse einer möglichen Hintergrundkonzentration von
Partikeln und der Emission von Haut- und Kleidungspartikeln sind so nahezu vollständig eliminiert.
Abbildung 1: Forschungsreinraum mit turbulenzarmer Verdrängungsströmung (TAV)
In dieser partikelgeschützten Umgebung befindet sich der eigentliche Versuchstand bestehend aus
einem durchströmten Messrohr aus Glas, darin mittig die Probenahmesonde des Laserpartikelzählers
(LPC; Typ Solair 3100). Die Partikel werden in sechs Größenklassen von 0,3 μm bis > 10 μm detektiert.
TAV
Mischlüftung
4,8 m
4,8 m
3,0 m
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Zur Ausbildung der Durchströmung des Messrohres wird die Luft am Ende des Rohrs angesaugt von
einer FFU (Filter Fan Unit), die mit einem endständigen HEPA-Filter (High Efficient Particular Air
Filter) ausgerüstet ist und mit einem Volumenstrom in Höhe von 400 m3/h betrieben wird. Zur
Vergleichmäßigung der Partikelkonzentration über den Rohrquerschnitt wird eine Prallblende
verwendet. Eine schematische Ansicht des Versuchsaufbaus zeigt Abbildung 2.
Nacheinander vollzieht jeweils ein Proband die Tätigkeit nach einem vorgegebenen Muster des
entsprechenden Lastfalls und atmet, spricht oder hustet in das Messrohr hinein. Der Versuch wird
mit jedem Probanden mindestens fünf Mal wiederholt.
Die Probanden sind nahezu hälftig weiblich und männlich. Es handelte sich um erwachsene
Personen.
Die Partikelkonzentration während der Aktivität wird über den angeschlossenen Partikelzähler (LPC)
bestimmt und daraus die Emissionsrate bzw. Quellstärke berechnet:
𝑃𝑀= 𝐶𝑀⋅ 𝑉
Mit:
𝑃𝑀 Quellstärke in Partikel/s
𝐶𝑀 Partikelkonzentration in Partikel/m³
𝑉
Volumenstrom im Messrohr in m³/s
Die untersuchten Lastfälle sind:
1. ruhiges Atmen durch die Nase
2. ruhiges Atmen durch den Mund
3. vorlesen eines Textes in Vortragslautstärke und mittlerem Tempo (sprechen)
4. husten als Einzelereignis (einmal husten)
Abbildung 2: Schematische Ansicht des Versuchsaufbaus, Abmessungen in mm
Partikel-
zähler
FFU
810
Strömungs-
richtung
der Luft
Messrohr
Prallblende
295
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Abbildung 3: Emissionsraten der Testpersonen bei verschiedenen Aktivitäten.
Ergebnisse:
In Abbildung 3 ist der Mittelwert (rote Kreuze) sowie die zugehörigen Minimalwerte (blaue Dreiecke)
und Maximalwerte (violette Kreise) für Atmen und Sprechen dargestellt. Einzelne Werte, die um
mindestens 50 % oberhalb des gemessenen Wertes der übrigen Testpersonen lagen, werden bei der
Mittelwertbildung vernachlässigt. Sie werden dennoch in Abbildung 3 als Maximalwerte dargestellt.
Eine Übersicht der Quellstärken (Minimalwert, Mittelwert (ohne Extremwert) und Maximalwert) für
das Sprechen und Atmen ist in Tabelle 1 enthalten. Dort sind auch die Werte für das Husten
aufgeführt. Da es sich beim Husten um ein Einzelereignis handelt, wurde keine Quellstärke, sondern
eine Partikelabgabe je Einzelereignis bestimmt. Es fällt auf, dass die Bandbreite beim Husten deutlich
größer ist. Die physische Intensität des Hustens zwischen den einzelnen Testpersonen wies im
Vergleich zu den anderen Aktivitäten größere auf. Des Weiteren ist in Tabelle 1 die Anzahl der
Probanden eines Testfalls aufgeführt.
Die Standardabweichung bei den fünf Wiederholungsmessungen der einzelnen Probanden lag im
Mittel bei etwa 5 % und maximal bei 10 % des Messwertes.
Tabelle 1: Gemessene Emissionsraten der Testpersonen bei verschiedenen Aktivitäten
Atmen durch die
Nase
Atmen durch
den Mund
Sprechen
Husten
Mittelwert
23 P/s
134 P/s
195 P/s
13.709 P/Husten
Minimalwert
0 P/s
7 P/s
17 P/s
181 P/Husten
Maximalwert
296 P/s
1018 P/s
626 P/s
287.697 P/Husten
Probandenanzahl
10 (4 w/6 m)
18 (8 w/10 m)
17 (8 w/9 m)
8 (4 w/4 m)
Abbildung 4 zeigt die Größenverteilung der von den Probanden emittierten Partikel. Über 80 % der
gefundenen Partikel sind kleiner als 1 μm und über 99,9 % sind kleiner als 5 μm und können daher als
gut luftgetragen betrachtet werden. Partikel größer 10 μm sind praktisch bei keinem Ereignis
vorhanden.
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Abbildung 4: Größenverteilung der von den Testpersonen emittierten Aerosolpartikel.
Kurzdiskussion:
Die gemessene Größenverteilung ähnelt stark den Ergebnissen von Johnson und Morawska [1], die
ebenfalls mit ihrem Messaufbau die Einflüsse der sonstigen Partikelemission des Menschen (Haut
und Kleidung) eliminieren konnten. Andere Autoren kommen zu deutlich abweichenden Ergebnissen
mit einer stark in den Bereich großer Partikel über 10 μm verschobenen Verteilung wie etwa Xie et al.
[2] oder Chao et al. [3]. Hier lassen Messverfahren und Messaufbau es jedoch zu, dass Quereinflüsse
von sonstigen Partikeln möglich sind.
Die gängige Meinung, dass beim Atmen, Sprechen und Husten viele große Tröpfchen (> 20 μm)
emittiert werden, die aufgrund ihrer Schwerkraft schnell zu Boden sinken, konnte widerlegt werden.
Partikel < 5 μm gelten als ideal luftgetragen. Selbst Partikel mit einer Größe von 10 μm haben
lediglich eine Sinkgeschwindigkeit von etwa 3 mm/s und verweilen in der Regel sehr lange in der
Raumluft und werden mit der Luftströmung nahezu überall im Raum verteilt.
Auffallend ist, dass einige Probanden deutlich mehr und einige Probanden deutlich weniger
Bioaerosole über die Atemwege abgeben als andere. Der gebildete Mittelwert repräsentiert somit
Probanden, die wenig und Probanden, die mehr emittieren. Es könnte von Low-Emittern und High-
Emittern gesprochen werden. Darüber hinaus existieren auch Probanden, die überproportional viel
emittieren. Diese könnten dann Super-Emitter genannt werden. Sie emittieren zwischen 10 bis
20 mal mehr Bioaerosole als der aus den Nicht-Super-Emittern berechnete Mittelwert.
Ausblick:
Die durchgeführte Untersuchung liefert eine anfängliche Einschätzung der Quellstärke von
Bioaerosolen, die von Menschen emittiert werden. Für eine höhere statistische Sicherheit sind
weitere Messungen unterschiedlicher Probanden und Aktivitäten notwendig. Darüber hinaus sollten
auch Wiederholungsmessungen der Probanden an unterschiedlichen Tagen und in verschiedenen
Reihenfolgen der Aktivitäten erfolgen. Eine intensive Zusammenarbeit mit Medizinern ist notwendig,
um darauf aufbauend eine Korrelation zwischen der Bioaerosolkonzentration in der Raumluft und
eines Infektionsrisikos zu erhalten. Dies würde es erlauben Maßnahmen des Infektionsschutzes vor
luftgetragenen Erregern auf einer fundierten Grundlage bewerten zu können.
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Literatur:
1 G. R. Johnson, L. Morawska: The Mechanism of Breath Aerosol Formation, Journal of Aerosol
Medicine and Pulmonary Drug Delivery, Ausgabe 22, Nummer 3, Seiten 229-237Jahr 2009
2 X. Xie, Y. Li, H. Sun, L. Liu: Exhaled droplets due to talking and coughing, Journal of the Royal
Society Interface, Volume 6, Seiten 703-714, Jahr 2009
3 C. Y. H. Chao et al: Characterization of expiration air jets and droplet size distributions
immediately at the mouth opening, Journal of Aerosol Science, Ausgabe 40, Seiten 122-133, Jahr
2009
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