The Microbiological Efficiency of HEPA Filtration and Its Use in Medical Facilities

Abstract

This thesis evaluates both the microbiological efficiency of High-Efficiency Particulate Air (HEPA) filtration systems and their operational applications in medical environments. The once military developed HEPA filtration system now serves as a vital airborne microbiological contamination control tool, since in theory it captures ≥99.95% of 0.3 µm particles, which represent the most penetrating particle size (MPPS). The research stems from rising worldwide recognition of air-borne pathogen transmission, which gained prominence during the COVID-19 pandemic. This thesis aims to act as a facilitator, helping solve the immediate need for enhanced airborne infection control in healthcare facilities.

The research begins with an overview of the different key factors in connection to airborne microbial contamination. Once a sufficient knowledge base of the underlying factors has been established, the research examines the fundamentals of HEPA filtration by studying its physical capturing mechanisms of interception, impaction, diffusion, sieving and electrostatic capture to evaluate their combined effectiveness against airborne bacteria, viruses, fungal spores and other microorganisms. The research further examines the microbiological efficiency of HEPA filtration with advanced HEPA filtration enhancements, such as antimicrobial coatings (for example silver, copper, chlorine dioxide and plant-derived substances), integration of nanofibre materials and combined technologies (for example ultraviolet irradiation, photocatalytic oxidation and air ions) used to improve microbial capture and inactivation. In addition, the research investigates how environmental factors including humidity levels, airflow patterns, ventilation systems and maintenance procedures affect filtration performance and microbial inactivation. To address the regulatory aspects, this thesis examines HEPA filtration guidelines, standards and regulations in Finnish healthcare facilities, while comparing them to German standards.

Based on the research, recommendations for the use of HEPA filtration in medical facilities are derived and presented as part of the conclusions. In conclusion, the research demonstrates that HEPA filters are proficient and, in many cases, excel at removing diverse microbial contaminants, but their microbiological effectiveness depends on countless factors including the environment, ventilation rate, proper filter placement, pre-filtration and strict maintenance procedures to stop microbial growth on filter media. Based on the research, the estimated microbiological efficiency of unmodified HEPA filters is ∼70–100% for fungi and ∼60–100% for bacteria. A justifiable estimate for the viral efficiency could not be formulated due to prevailing conflicting research.

Tämä kandidaatintyö arvioi sekä HEPA-suodatuksen (engl. High-Efficiency Particulate Air) mikrobiologista tehokkuutta että sen toiminnallisia sovelluksia lääketieteellisissä ympäristöissä. Alunperin sotilaalliseen käyttöön kehitetty HEPA-suodatusjärjestelmä toimii nyt erittäin tärkeänä ilmateitse leviävän mikrobiologisen kontaminaation hallintamenetelmänä, sillä teoriassa se vangitsee ≥99,95 %:a 0,3 µm:n hiukkasista, jotka edustavat tunkeutuvinta hiukkaskokoa (MPPS). Tutkimuksen taustalla on kasvava maailmanlaajuinen tietoisuus ilmateitse tapahtuvasta taudinaiheuttajien leviämisestä, joka tuli erityisen ajankohtaiseksi COVID-19-pandemian aikana. Tämä kandidaatin työ pyrkii toimimaan edistäjänä ja osaltaan vastaamaan välittömään tarpeeseen tehostaa ilmateitse leviävien infektioiden torjuntaa terveydenhuollon laitoksissa.

Tutkimus alkaa katsauksella erilaisiin avaintekijöihin, jotka liittyvät ilmateitse tapahtuvaan mikrobikontaminaatioon. Kun riittävä tietopohja taustatekijöistä on luotu, tutkimus tarkastelee HEPA-suodatuksen perusteita tutkimalla sen fysikaalisia hiukkasten vangitsemismekanismeja: sieppaus, törmäys, diffuusio, seulonta ja sähköstaattinen vangitseminen, arvioidakseen näiden yhteisvaikutuksen tehokkuutta ilmateitse leviävien bakteerien, virusten, sienimikro-organismien ja muiden mikro-organismien poistamisessa. Tutkimus tarkastelee lisäksi HEPA-suodatuksen mikrobiologista tehokkuutta edistyneiden HEPA-suodattimien parannusten avulla, kuten antimikrobisten pinnoitteiden (esimerkiksi hopea, kupari, klooridioksidi ja kasvipohjaiset aineet), nanokuitumateriaalien integroinnin sekä yhdistettävien teknologioiden (esimerkiksi ultraviolettisäteilytys, fotokatalyyttinen hapetus ja ilman ionit) avulla, jotka parantavat mikrobien sieppausta ja inaktivointia. Lisäksi tutkimus selvittää, kuinka ympäristötekijät, mukaan lukien kosteustasot, ilmavirtaukset, ilmanvaihtojärjestelmät ja huoltokäytännöt vaikuttavat suodatuksen suorituskykyyn ja mikrobien inaktivointiin. Sääntelynäkökohtien huomioimiseksi tutkielmassa tarkastellaan HEPA-suodatuksen ohjeistuksia, standardeja ja määräyksiä suomalaisissa terveydenhuollon laitoksissa, vertaillen niitä Saksan standardeihin.

Tutkimuksen perusteella johdetaan ja esitetään suosituksia HEPA-suodatuksen käytöstä lääketieteellisissä laitoksissa osana johtopäätöksiä. Yhteenvetona tutkimus osoittaa, että HEPA-suodattimet ovat tehokkaita ja monissa tapauksissa erittäin tehokkaita poistamaan erilaisia mikrobikontaminantteja, mutta niiden mikrobiologinen tehokkuus riippuu lukuisista tekijöistä, kuten ympäristöstä, ilmanvaihdon nopeudesta, suodattimen oikeasta sijoittelusta, esisuodatuksesta ja tiukoista huoltokäytännöistä mikrobikasvun estämiseksi suodatinmateriaalissa. Tutkimuksen perusteella arvioitu mikrobiologinen tehokkuus muokkaamattomilla HEPA-suodattimilla on ∼70–100 % sienimikro-organismeille ja ∼60–100 % bakteereille. Virusten osalta perusteltua tehokkuusarviota ei voitu muodostaa vallitsevan ristiriitaisen tutkimustiedon vuoksi.