Když COVID-19 obchází svět s aktuálně 287 000 novými případy denně (2 miliony týdně) od 1. října 2020, přetrvávající problém zůstává z velké části nevyřešen: nedostatek kyslíku. COVID napadá plíce a snižuje kapacitu dýchání; pacienti s těžkou nebo kritickou prognózou potřebují doplňkový kyslík, aby zůstali naživu. Přestože si mnozí z nás tuto potřebu uvědomují, rozsah problému je obrovský.
Rozsah problému s kyslíkem
- Podle WHO potřebuje svět při 2 milionech nových případů COVID každý týden k boji s virem navíc 1 240 000 metrů krychlových medicinálního plynného kyslíku každý den, což odpovídá 176 000 velkým 5metrovým válcovým nádržím. Zdroj: U. of Minnesota / WHO, 6. června
- Jedna tlaková láhev ošetří přibližně jednoho dospělého člověka denně; denní cena „J“ tlakové láhve kyslíku se pohybuje od 112 USD v Guineji (včetně dopravy) do 23 USD v Keni. COVID dále vytvořil zdražování a černé trhy – v Peru nyní stojí jedna nádrž 10x více než v roce 2019.
- Stupeň nedostatku a skutečný objem potřeby se ve světě masivně liší, přičemž největší objem potřebuje Čína a nejvážnější nedostatek je v Africe. Zdroj: MZV ČR Zdroj: MZV ČR Zdroj: MZV ČR McKinsey , 25. srpna
Pacient s COVID potřebuje 10 l kyslíku za minutu v těžké fázi a 30 l kyslíku za minutu v kritické fázi (obvykle ve fázi invazivní ventilace). Extrapolací odhadu WHO z 6. června založeného na 2 milionech infekcí týdně vytváří COVID dodatečnou poptávku po 1,2 miliardách litrů medicinálního kyslíku denně, což představuje dodatečné zatížení systému o více než 60 %. Na začátku června, kdy již došlo k nedostatku ve více zemích, bylo toto číslo poloviční než nyní.
Současný problém dostupnosti kyslíku je několikanásobný; základem problému je výroba (nedostatek zařízení a koncentrátorů), následuje distribuce a efektivita při lékařském využití. Celosvětová optimální potřeba koncentrovaného medicinálního kyslíku byla odhadnuta na 10 miliard litrů denně; pravděpodobná skutečná spotřeba se blížila 2 miliardám litrů 02, před zavedením systému COVID. Zdroj: Odhad PATH / OSMS
Volně přístupný výzkumný dokument OSMS
V OSMS jsme provedli průzkum a analýzu problému v mnoha zemích po celém světě. Náš probíhající výzkum jsme volně zpřístupnili (aktuální verze: 1.0), abychom pomohli jednotlivcům a organizacím pochopit rozsah problému a poskytli náhled na probíhající přístupy k řešení. Dokument obsahuje analýzu problému, průmyslovou analýzu, kalkulačky, které pomáhají odhadnout rozsah problému na národní úrovni, a probíhající cesty řešení.
Náklady na výrobu kyslíku podle metody
Většina velkých a efektivních nemocničních systémů používá dodávaný kapalný kyslík, který lze skladovat ve velkých nádržích na místě, což však vyžaduje rozvinutý průmysl. Zde je srovnání nákladů na stávající řešení:
| Typ | Philipps M10 | HVO 120 | 180 LOx Dodávka | Peruvian 25m3 PSA |
| Litrů za den | 14,400L | 172,800L | 154,980L | 600,000L |
| Kupní cena | $1,500 | $45,000 | $175 za dodávku | $300,000 |
| Náklady na výrobu 100 M litrů O2 za 200 dní |
$52 083 | $130 208 | $112,917 | $250 000 |
Osobní koncentrátory překvapivě nabízejí nejlepší cenu za litr vyrobeného kyslíku. V nemocnicích se již nouzově používají, ale teprve se ukáže, jak efektivní budou tyto přístroje v reálném prostředí s mnoha pacienty, kteří potřebují kyslík současně. WHO upozorňuje, že osobní koncentrátory mají problémy s údržbou i s výkonem.
Probíhající řešení
Problém s výrobou kyslíku existuje nejméně od března 2020; řešení bylo několikeré, ale potenciálně katastrofální nedostatek se stále projevuje, zejména v rozvojových zemích. Existují 3 základní cesty k vyřešení problému, které bude pravděpodobně nutné použít současně. Dvě z nich jsou v průmyslovém měřítku (což znamená, že vyžadují velké finanční prostředky na realizaci), jedna z nich je v základním měřítku a může být přijata hnutím tvůrců.
Odklon stávající výroby kapalného (kryogenního) kyslíku
- Klady: Okamžitě použitelné, největší rozsah výroby
- Nevýhody: Vyžaduje existující a drahou infrastrukturu, vyžaduje spolupráci průmyslu
S pokročilou technologií je možné vyrábět kapalný kyslík při -183 °C, což umožňuje mnohem rychlejší přepravu, ale prudce zvyšuje potřeby údržby a nároky na vysoce kvalifikované inženýry, stejně jako chladicí infrastrukturu. Závody na výrobu kapalného kyslíku představují velkou finanční investici a vyžadují rozsáhlou výstavbu; vybudování středně velkého kryogenního závodu může stát 60 milionů dolarů.
Přínosným krátkodobějším řešením během COVID-19 je tedy přesměrování stávajících výrobních kapacit do zdravotnického sektoru.
Dle generálního ředitele společnosti Novair je důležité poznamenat, že nedostatek kyslíku není jen „problémem rozvojového světa“: „Vidíme, že zásobování kyslíkem se stává záležitostí obecného zájmu. Ve vyspělých zemích, navzdory velkým stávajícím kapacitám, dosáhl systém dodávek kapalného kyslíku a lahví svých limitů. Jsme informováni, že na některých místech je nedostatek medicinálního kyslíku, a jsme žádáni o dodávky kyslíkových generátorů do nemocnic, abychom podpořili stávající zdroj kyslíku.“
Přestože je tento LOx určen pro průmyslové účely, díky své vysoké čistotě bude pravděpodobně použitelný i ve zdravotnictví; mnoho průmyslových závodů na výrobu LOx po celém světě se zavázalo rezervovat 10-30 % produkce pro účely boje proti COVID.
Pokud jde o rozsáhlou mezinárodní pomoc, jednou z metod by mohl být nákup LOx ve velkém a jeho zasílání do zemí v nouzi – což se již do jisté míry děje.
Nákup a instalace závodů PSA
- Klady: Lze nasadit během několika týdnů, funguje ve velkém měřítku
- Nevýhody: Nákladné investice do nových zařízení, vyžaduje ambice v oblasti infrastruktury po zavedení COVID, proveditelné pouze pro města
Pressure Swing Absorption je nejpružnější proces výroby kyslíku pro lékařské účely. Tato zařízení lze zakoupit a nasadit během několika týdnů a znamenají průběžnou investici do kyslíkové infrastruktury. Řada vlád po celém světě investovala 5-20 milionů dolarů do rozšíření kapacity výroby kyslíku tímto způsobem s odůvodněním, že i po vypořádání se s nákazou COVID pomohou tato zařízení v boji proti zápalu plic a dalším respiračním onemocněním, které byly před začátkem pandemie nedostatečně zásobeny kyslíkem.
Jedno středně velké zařízení PSA vyrábí 2-190 m3 kyslíku za hodinu (tj. 48-4 500 m3/den) a každé váží asi 1,5-20 tun. Například peruánské zařízení PSA zakoupené za účelem boje proti nedostatku COVID produkuje 25 m3 za hodinu a jeho pořízení a instalace stály přibližně 300 000 USD. Menší zařízení HVO (High Volume Oxygen) stojí 45 000 USD za kus, 450 USD/měsíc za energii a údržbu a mohou produkovat 120 litrů za minutu. Doba instalace skid-mounted PSA se nyní ve vyspělých zemích snížila na téměř 2 týdny.
Nákup nebo místní výroba osobních kyslíkových koncentrátorů
- Klady: Nejdostupnější způsob výroby kyslíku, funguje ve venkovském prostředí, lze postavit lokálně během několika dnů, existující řešení s otevřeným zdrojovým kódem, životaschopné provizorní řešení
- Nevýhody: Neznámá účinnost v měřítku, možné problémy s tlakem a údržbou při nasazení
Osobní koncentrátory kyslíku jsou polomobilní jednotky, které mohou generovat až 15 litrů za minutu; to stačí pro těžkého pacienta, ale pro zásobování kritického pacienta, který potřebuje v průměru 30 litrů za minutu, by byly zapotřebí nejméně dvě paralelní jednotky.
Přestože se jedná o řešení nejmenšího rozsahu, osobní koncentrátory překvapivě nabízejí nejlepší cenu za litr generovaného kyslíku v krátkodobém horizontu podle naší výše uvedené analýzy. V nemocnicích se již nouzově používají, ale teprve se ukáže, jak efektivní budou tyto přístroje v reálném prostředí s mnoha pacienty, kteří potřebují kyslík současně. WHO upozorňuje, že osobní koncentrátory mají problémy s údržbou a výkonem. Zatímco jednotky jsou komerčně dostupné za cca 1 500 USD za přístroj o výkonu 10 litrů za minutu, probíhá několik open source projektů.
V současné době je nejslibnějším levným řešením OxiKit, DIY open source kyslíkový koncentrátor, který může potenciálně generovat 15 l/min. Na testování a souvisejících návrzích pracuje více skupin, včetně kanadské společnosti COSMIC Medical.
Co mohou udělat tvůrci
Budoucnost je nejistá. Víme jen to, že problém bude pravděpodobně přetrvávat i v roce 2021, pokud bude pandemie pokračovat současným směrem. Tvůrci se mohou zapojit následujícími způsoby, aby pomohli vytvořit provizorium pro tento problém do doby, než se vlády a nevládní organizace vypořádají s problémem v průmyslovém měřítku.