Während COVID-19 die Welt mit derzeit 287.000 neuen Fällen pro Tag (2 Millionen pro Woche) ab dem 1. Oktober 2020 umkreist, bleibt ein anhaltendes Problem weitgehend ungelöst: Sauerstoffmangel. COVID greift die Lunge an und verringert die Atemkapazität; Patienten mit einer schweren oder kritischen Prognose benötigen zusätzlichen Sauerstoff, um am Leben zu bleiben. Viele von uns sind sich dieser Notwendigkeit bewusst, doch das Ausmaß des Problems ist gewaltig.
Das Ausmaß des Sauerstoffproblems
- Die WHO geht davon aus, dass bei 2 Millionen neuen COVID-Fällen pro Woche weltweit täglich zusätzlich 1 240 000 Kubikmeter medizinisches Sauerstoffgas benötigt werden, was 176 000 großen Flaschenbehältern von 5 Fuß Länge entspricht, um das Virus zu bekämpfen. Quelle: U. of Minnesota / WHO, 6. Juni
- Ein Zylindertank versorgt etwa einen Erwachsenen pro Tag; der Tagespreis für einen „J“-Zylinder Sauerstoff reicht von 112 $ in Guinea (einschließlich Transport) bis 23 $ in Kenia. COVID hat zu Preistreiberei und Schwarzmärkten geführt – in Peru kostet eine Flasche jetzt das Zehnfache von 2019.
- Der Grad der Verknappung und das tatsächliche Bedarfsvolumen variieren weltweit massiv, wobei China das größte Volumen benötigt und Afrika den größten Mangel aufweist. Quelle: McKinsey , 25. August
Ein COVID-Patient benötigt im schweren Stadium 10 Liter Sauerstoff pro Minute und im kritischen Stadium (in der Regel in der Phase der invasiven Beatmung) 30 Liter Sauerstoff pro Minute. Extrapoliert man die WHO-Schätzung vom 6. Juni, die von 2 Millionen Infektionen pro Woche ausgeht, so ergibt sich durch COVID ein zusätzlicher Bedarf von 1,2 Milliarden Litern medizinischem Sauerstoff pro Tag, was eine zusätzliche Belastung des Systems von über 60 % bedeutet. Anfang Juni, als es in mehreren Ländern bereits zu Engpässen kam, war diese Zahl nur halb so hoch wie jetzt.
Das derzeitige Problem der Sauerstoffverfügbarkeit ist vielschichtig; an erster Stelle steht die Erzeugung (nicht genügend Anlagen und Konzentratoren), gefolgt von der Verteilung und der Effizienz bei der medizinischen Nutzung. Der weltweite optimale Bedarf an konzentriertem medizinischem O2 wurde auf 10 Mrd. Liter pro Tag geschätzt; der wahrscheinliche tatsächliche Verbrauch lag vor der COVID bei etwa 2 Mrd. Litern 02. Quelle: PATH / OSMS Schätzung
OSMS‘ frei zugängliches Forschungsdokument
Als OSMS haben wir das Problem in mehreren Ländern der Welt untersucht und analysiert. Wir haben unsere laufenden Untersuchungen frei zugänglich gemacht (aktuelle Version: 1.0), um Einzelpersonen und Organisationen zu helfen, das Ausmaß des Problems zu verstehen und Einblicke in laufende Lösungsansätze zu geben. Das Dokument enthält eine Problemanalyse, eine industrielle Analyse, Rechner, die helfen, das Ausmaß des Problems auf nationaler Ebene abzuschätzen, und laufende Lösungswege.
Cost of Generating Oxygen by Method
Die meisten großen, effizienten Krankenhaussysteme verwenden gelieferten Flüssigsauerstoff, der in großen Tanks vor Ort gelagert werden kann, aber dies erfordert eine entwickelte Industrie. Hier ist ein Kostenvergleich der bestehenden Lösungen:
| Typ | Philipps M10 | HVO 120 | 180 LOx Lieferung | Peruvian 25m3 PSA |
| Liter pro Tag | 14,400L | 172,800L | 154,980L | 600,000L |
| Kaufpreis | $1,500 | $45,000 | $175 pro Lieferung | $300,000 |
| Kosten für die Herstellung von 100 M Litern O2 in 200 Tagen |
$52,083 | $130,208 | $112,917 | $250.000 |
Personalkonzentratoren bieten überraschenderweise den besten Preis pro erzeugtem Liter Sauerstoff. Sie werden bereits in Notfällen in Krankenhäusern eingesetzt, aber es bleibt abzuwarten, wie effizient diese Geräte in einer realen Umgebung mit vielen Patienten, die gleichzeitig Sauerstoff benötigen, sein werden. Die WHO warnt davor, dass persönliche Konzentratoren sowohl Probleme mit der Wartung als auch mit der Leistung haben.
Laufende Lösungen
Das Problem der Sauerstofferzeugung besteht seit mindestens März 2020; die Lösungen sind vielfältig, aber es kommt immer noch zu potenziell katastrophalen Engpässen, insbesondere in Entwicklungsländern. Es gibt drei Hauptwege zur Lösung des Problems, die wahrscheinlich gleichzeitig beschritten werden müssen. Zwei davon sind in industriellem Maßstab (d.h. sie erfordern große finanzielle Ressourcen für die Umsetzung), einer davon ist basisdemokratisch und kann von der Maker-Bewegung übernommen werden.
Ausgliederung der bestehenden flüssigen (kryogenen) Sauerstoffproduktion
- Vorteile: Sofort einsetzbar, größter Produktionsumfang
- Nachteile: Erfordert bestehende und teure Infrastruktur, erfordert Zusammenarbeit mit der Industrie
Mit fortgeschrittener Technologie ist es möglich, flüssigen Sauerstoff bei -183°C zu erzeugen, was einen viel schnelleren Transport ermöglicht, aber den Wartungsbedarf und die Anforderungen an hochqualifizierte Ingenieure sowie die Kühlinfrastruktur stark erhöht. Flüssigsauerstoffanlagen sind eine große finanzielle Investition und erfordern umfangreiche Bauarbeiten; die Errichtung einer mittelgroßen kryogenen Anlage kann bis zu 60 Millionen Dollar kosten.
Daher besteht eine praktikable kurzfristige Lösung während COVID-19 darin, die vorhandenen Produktionskapazitäten auf den medizinischen Sektor umzuleiten.
Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass der Sauerstoffmangel nicht nur ein „Entwicklungsländerproblem“ ist, so der CEO von Novair: „Wir stellen fest, dass die Sauerstoffversorgung zu einem allgemeinen Problem wird. In den Industrieländern stößt das System für die Lieferung von Flüssigsauerstoff und Flaschen trotz der großen vorhandenen Kapazitäten an seine Grenzen. Wir sind darüber informiert, dass es mancherorts an medizinischem Sauerstoff mangelt, und wir werden gebeten, Sauerstoffgeneratoren an Krankenhäuser zu liefern, um die bestehende Sauerstoffquelle zu unterstützen.“
Dieser LOx ist zwar für industrielle Zwecke bestimmt, kann aber aufgrund seines hohen Reinheitsgrades auch in der Medizin verwendet werden; viele industrielle LOx-Anlagen in der ganzen Welt haben sich verpflichtet, 10-30 % der Produktion für die Bekämpfung von COVID zu reservieren.
Im Hinblick auf groß angelegte internationale Hilfe könnte eine Methode darin bestehen, LOx in großen Mengen zu kaufen und es in bedürftige Länder zu verschiffen – was in gewissem Umfang bereits geschieht.
Kauf und Installation von PSA-Anlagen
- Vorteile: Kann innerhalb von Wochen eingesetzt werden, funktioniert in großem Maßstab
- Nachteile: Kostspielige Investition in neue Ausrüstung, erfordert Post-COVID-Infrastrukturambitionen, nur für Städte realisierbar
Druckwechselabsorption ist das flexibelste Verfahren zur Herstellung von Sauerstoff in medizinischer Qualität. Diese Anlagen können innerhalb weniger Wochen gekauft und in Betrieb genommen werden und stellen eine kontinuierliche Investition in die Sauerstoffinfrastruktur dar. Mehrere Regierungen auf der ganzen Welt haben 5-20 Millionen Dollar investiert, um ihre Sauerstoffproduktionskapazitäten auf diese Weise zu erweitern, mit der Begründung, dass diese Maschinen auch nach der Bekämpfung von COVID zur Bekämpfung von Lungenentzündungen und anderen Atemwegserkrankungen beitragen werden, die vor dem Ausbruch der Pandemie nicht ausreichend mit Sauerstoff versorgt wurden.
Eine mittelgroße PSA-Anlage produziert zwischen 2-190 m3 Sauerstoff pro Stunde (d. h. 48-4.500 m3/Tag) und wiegt jeweils etwa 1,5-20 Tonnen. Eine peruanische PSA-Anlage, die zur Bekämpfung des COVID-Mangels angeschafft wurde, produzierte beispielsweise 25 m3 pro Stunde und kostete ca. 300.000 $ für Anschaffung und Installation. Kleinere HVO-Maschinen (High Volume Oxygen) kosten 45.000 $ pro Einheit, 450 $/Monat für Strom und Wartung und können 120 Liter pro Minute produzieren. Die Vorlaufzeit für die Installation einer PSA auf einem Gestell beträgt in den Industrieländern nur noch knapp 2 Wochen.
Kauf oder lokale Herstellung von persönlichen Sauerstoffkonzentratoren
- Vorteile: Erschwinglichste Art der Sauerstofferzeugung, funktioniert in ländlichen Gegenden, kann innerhalb von Tagen vor Ort gebaut werden, vorhandene Open-Source-Lösungen, praktikable Übergangslösung
- Nachteile: Unbekannte Effizienz in großem Maßstab, mögliche Druck- und Wartungsprobleme bei der Anwendung
Persönliche Sauerstoffkonzentratoren sind semimobile Geräte, die bis zu 15 Liter pro Minute erzeugen können; das ist genug für einen schweren Patienten, aber es wären mindestens zwei parallele Geräte erforderlich, um einen kritischen Patienten zu versorgen, der durchschnittlich 30 Liter pro Minute benötigt.
Obwohl sie die kleinste Lösung darstellen, bieten persönliche Konzentratoren überraschenderweise den besten Preis pro Liter erzeugten Sauerstoffs auf einer kurzfristigen Basis, wie unsere Analyse oben zeigt. Sie werden bereits in Krankenhäusern für Notfälle eingesetzt, aber es bleibt abzuwarten, wie effizient diese Geräte in einer realen Umgebung mit vielen Patienten, die gleichzeitig Sauerstoff benötigen, sein werden. Die WHO warnt davor, dass persönliche Konzentratoren Wartungs- und Leistungsprobleme haben. Während im Handel Geräte für ca. 1.500 $ für ein Gerät mit 10 Litern pro Minute erhältlich sind, laufen mehrere Open-Source-Projekte.
Die derzeit vielversprechendste kostengünstige Lösung ist OxiKit, ein DIY-Open-Source-Sauerstoffkonzentrator, der potenziell 15 Liter/Minute erzeugen kann. Mehrere Gruppen, darunter COSMIC Medical in Kanada, arbeiten an Tests und entsprechenden Entwürfen.
What Makers Can Do
Die Zukunft ist ungewiss. Was wir wissen, ist, dass das Problem wahrscheinlich bis weit ins Jahr 2021 bestehen bleiben wird, wenn die Pandemie ihren derzeitigen Verlauf nimmt. Die Hersteller können sich auf folgende Weise engagieren, um das Problem zu überbrücken, bis Regierungen und Nichtregierungsorganisationen das Problem in industriellem Maßstab angegangen sind.