Infektionswege von Keimen (Bakterien, Viren, Pilze, Prionen sowie Sporen von Bakterien und Pilzen) verlaufen über Berührung, Oberflächen, Nahrung, Vektoren, Tröpfchen, Aerosole in meist keimspezifscher Weise. Prionen und Viren fallen nicht unter die selbstvermehrungsfähigen Einheiten dar, dennoch sind sie in der Lage infizierende Targets zu bilden. Die absolute Höhe der Zahl für eine Infektion erforderliche Anzahl von Targets stellt im folgenden Kontext einen weniger relevante Größe dar. Sie variiert zudem mit Alter, Vorerkrankung, klinischem Kontext etc. der exponierten Individuen. Da es um die Vorstellung eines mehr oder weniger allgemeingültigen Konzepts zur Abreicherung und Inaktivierung infektiöser Targets in Aerosolen gehen soll, soll die keimspezifische Abscheidungs- und Inaktivierungsrate eine zunächst untergeordnete Rolle spielen.
Spezifische Proteine und Zucker auf den äußeren Strukturen spielen für das Infektionsgeschehen eine wesentliche Rolle, weshalb die allgemeine Denaturierung dieser Molekülarten zunächst im Vordergrund stehen muss.
Zielformulierungen
- Kontinuierlicher Betrieb
- Breitband-Abreicherung von Targets
- InSitu-Inaktivierung der Targets
- Hohe Abscheidungsgrad
- Verträglichkeit in jedem Betriebszustand
Die im folgenden beschriebenen Aufgaben zu technischen Lösungen setzen ein praktisch-technisches Grundverständnis voraus, wie es in guten Ausbildungen zur technischen Assistenz oder zu Laboranten der Chemie, Biologie und Informationstechnik vermittelt wird. Die Informationen und Konstruktionen beinhalten fachbereichsübergreifende Elemente: Elektrisches Feld, Magnetfeld, Ionisierung, Löslichkeitsprodukt, Spannung, Strom, Proteinaufbau und -struktur.
Einschränkungen der Anwendbarkeit: Infektiöse, aerosolische Targets bestehen aus Molekülen. Diese sind in jedem Fall im Partikel/Luftstrom abreicherbar. Der Inaktivierungsschritt setzt an der Außenstruktur des Targets Proteine (und Zucker s. o.) als für eine erfolgreiche Infektion wesentlichen Stoff voraus. Der Aufbau der Hülle von Endosporen lässt deshalb keine Inaktivierung der Sporen durch die hier beschriebenen Maßnahmen erwarten.
Die technische Lösung zur Abreicherung infektiöser, aerosolischer Targets sieht vor:
- Elektronisches Ansaugen der Umgebungsluft
- Ionisierung der enthaltenen Aerosole
- Transport der mit einer ionischen Nettoladung versehenen Aerosole zu einer Abscheidungselektrode
- Inaktivierung der Aerosole auf der Abscheidungselektrode
Angriffswege zur Inaktivierung infektiöser Agenzien können auch auf DNA oder RNA zielen. Starke, kurzwellige elektromagnetische Wellen (UV-Licht, Röntgenstrahlen) sind prinzipiell ebenfalls zur Inaktivierung von Protein, DNA und RNA geeignet – wenn eine ausreichende Einwirkzeit gewährleistet ist. Anderenfalls können Mutationen induziert werden, die für eine Vergrößerung der Probleme sorgen. Luftreiniger mit UV-Licht als alleiniger Desinfektions-/Inaktivierungsmaßnahme schützen nicht vor dem Coronavirus. Zur Inaktivierung mit UV-Licht gibt es je nach Umgebung sehr unterschiedliche Daten. Filtertechniken können eine Abreicherung infektiöser Aerosole in der zirkulierenden Luft sorgen, doch konzentrieren sie aufgrund der Tenazität der Viren auf den verwendeten Materialien das Problem und schaffen neue Risiken, denn infektiöse Viren können auf manchen Oberflächen tagelang überleben. Damit würde die Handhabung / der Austausch von Filtern) zum Hochrisiko.
Die Abreicherung infektiöser Targets muss in einem Durchgang durch den Aufbau zu einer vollständigen Inaktivierung oder vollständigen Entfernung aus dem Luftstrom führen, damit kein zusätzliches Risiko durch Verwirbelungen entsteht.
Elektrostatische Filter funktionieren auch ohne propellergestützte Ventilation. In Anlagen zur Feinstaubabscheidung sind es gebräuchliche Aggregate. Ähnliche technische Ansätze bewegen Raumsonden durch All.
Zum Nachbau geeignet diese Anleitung des Makeprojekts. Die Erzeugung und der Umgang mit Hochspannung ist allerdings technisch versierten Kräften vorbehalten.
Nachdem das Prinzip die Erzeugung eines Luftstroms im obigen Video demostriert hat, einige Hinweise zur Höhe der verwendeten Spannung und des verwendeten Strombedarfs.
Die Demonstration mit dem Fluss des Rauchs durch den Lifter hindurch zeigt, dass dieser Ansatz für die gewünschte Abreicherung der Aerosole noch nicht genügt.
Die folgende Demostration zeigt einen Aufbau, der diesen Mangel behebt.
Den genauen Aufbau und Hintergrund des Smoke Precipitators erläutert Rimstar auf der Webseite rimstar.org hier und in dem Video mit dem Titel „How Ion Propulsion, Lifter and Ionocrafts Work“
Beschaffbar sind geeignete Spannungsquellen für den Nachbau zur Erzeugung von mehr als +30kV bzw. -30 kV zum Beispiel hier.
Die Verwendung von Kupfer oder Silber an Stelle der Aluminiumfolie verspricht eine Denaturation der Proteine durch Reaktion des Schwermetalls mit den Schwefelverbindungen der Proteine. Umgekehrt führen in der Atemluft enthaltene Schwefelverbindungen zur Vergiftung der reaktiven Oberflächen.
Eine initiale Verifikation von Testaufbauten könnte durch Abreicherung aerosolisch durch Ultraschallvernebler verbreitetes Protein erfolgen. Es sollte sich auf den Elektroden des elektrostatischen Abscheiders niederschlagen. Wenn das verwendete Protein ein Enzym ist, sollte dessen enzymatische Aktivität anschließend im Vergleich zur Abscheidung an Aluminiumfolie oder Stahl signifikant gemindert sein.
Aus einer Frage / einem Denkansatz wird nun ein Projekt.
Wirkung von Kupferverbindungen auf Konidien
Strukturelle Organisation von Protein
Löslichkeitsprodukte einiger Stoffe bei 298 K
Bestimmung des Löslichkeitsproduktes von Silbersulfid Ag2S
Zwischenstand vom 18.08.2020