Come la COVID-19 circonda il mondo con attualmente 287.000 nuovi casi al giorno (2 milioni a settimana) a partire dal 1 ottobre 2020, un problema in corso rimane in gran parte irrisolto: la carenza di ossigeno. La COVID attacca i polmoni e riduce la capacità respiratoria; i pazienti con una prognosi grave o critica richiedono ossigeno supplementare per rimanere in vita. Mentre molti di noi sono consapevoli di questa necessità, la scala del problema è enorme.
La scala del problema dell’ossigeno
- Secondo l’OMS, con 2 milioni di nuovi casi di COVID ogni settimana, il mondo ha bisogno di ulteriori 1.240.000 metri cubi di gas ossigeno medico ogni giorno, equivalente a 176.000 grandi bombole lunghe 5 piedi, per combattere il virus. Fonte: U. of Minnesota / OMS, 6 giugno
- Una bombola tratta circa un adulto al giorno; il prezzo giornaliero di una bombola “J” di ossigeno varia da 112 dollari in Guinea, (compreso il trasporto), a 23 dollari in Kenya. COVID ha ulteriormente creato prezzi maggiorati e mercati neri – in Perù, una bombola ora costa 10 volte di più che nel 2019.
- I gradi di carenza e il volume effettivo del bisogno variano enormemente nel mondo, con la Cina che ha bisogno del maggior volume e l’Africa che ha la carenza più grave. Fonte: McKinsey , 25 agosto
Un paziente COVID richiede 10L di ossigeno al minuto nella fase grave, e 30L di ossigeno al minuto nella fase critica (di solito nella fase di ventilazione invasiva). Estrapolando la stima dell’OMS del 6 giugno basata su 2 milioni di infezioni alla settimana, la COVID crea una domanda aggiuntiva di 1,2 miliardi di litri di ossigeno medico al giorno, un carico aggiuntivo del 60+% sul sistema. All’inizio di giugno, quando c’erano già carenze in diversi paesi, questa cifra era la metà di quella attuale.
Il problema attuale della disponibilità di ossigeno è multiforme; la generazione è alla base del problema (non abbastanza impianti e concentratori), seguita dalla distribuzione e dall’efficienza nell’uso medico. Il bisogno ottimale globale di O2 medico concentrato è stato stimato a 10 miliardi di L al giorno; il probabile uso reale era più vicino a 2 miliardi di litri 02, pre-COVID. Fonte: PATH / OSMS Estimate
Documento di ricerca liberamente accessibile di OSMS
A OSMS, abbiamo esaminato e analizzato il problema in più paesi del mondo. Abbiamo reso la nostra ricerca in corso liberamente disponibile (versione attuale: 1.0) al fine di aiutare gli individui e le organizzazioni a capire la portata del problema e dare intuizioni sugli approcci di soluzione in corso. Il documento include l’analisi del problema, l’analisi industriale, i calcolatori che aiutano a stimare la scala del problema a livello nazionale e i percorsi di soluzione in corso.
Costo della generazione di ossigeno per metodo
La maggior parte dei grandi ed efficienti sistemi ospedalieri usano ossigeno liquido consegnato che può essere conservato in grandi serbatoi in loco, ma questo richiede un’industria sviluppata. Ecco un confronto dei costi delle soluzioni esistenti:
| Tipo | Philipps M10 | HVO 120 | 180 LOx Delivery | Peruvian 25m3 PSA |
| Litri al giorno | 14,400L | 172,800L | 154,980L | 600,000L |
| Prezzo d’acquisto | $1,500 | $45,000 | $175 per consegna | $300,000 |
| Costo per produrre 100 M Litri di O2 in 200 giorni |
52,083 | $130,208 | $112,917 | $250,000 |
I concentratori personali offrono sorprendentemente il miglior prezzo per litro di ossigeno generato. Sono già in uso nelle emergenze ospedaliere, ma resta da vedere quanto saranno efficienti queste macchine in un ambiente reale con molti pazienti che hanno bisogno di ossigeno simultaneamente. L’OMS avverte che i concentratori personali hanno sia problemi di manutenzione che di produzione.
Soluzioni in corso
Il problema della generazione di ossigeno esiste almeno dal marzo 2020; le soluzioni sono state molteplici, ma le carenze potenzialmente catastrofiche sono ancora presenti, in particolare nei paesi in via di sviluppo. Ci sono 3 percorsi primari per risolvere il problema, e probabilmente dovranno essere impiegati simultaneamente. Due di essi sono su scala industriale (il che significa che richiedono grandi risorse finanziarie per l’implementazione), uno di essi è su scala di base e può essere adottato dal movimento maker.
Diversificazione della produzione esistente di ossigeno liquido (criogenico)
- Pro: Immediatamente applicabile, la più grande scala di produzione
- Contro: Richiede infrastrutture esistenti e costose, richiede la cooperazione dell’industria
Con la tecnologia avanzata, è possibile generare ossigeno liquido a -183°C, che permette un trasporto molto più veloce, ma aumenta fortemente le esigenze di manutenzione e i requisiti per ingegneri altamente qualificati, così come le infrastrutture di raffreddamento. Gli impianti di ossigeno liquido sono un grande investimento finanziario e richiedono un’ampia costruzione; un impianto criogenico di medie dimensioni può costare 60 milioni di dollari.
Quindi, una soluzione praticabile a breve termine durante COVID-19 è quella di dirottare la capacità produttiva esistente al settore medico.
È importante notare che la carenza di ossigeno non è solo un “problema del mondo in via di sviluppo”, secondo il CEO di Novair: “Stiamo vedendo che la fornitura di ossigeno sta diventando una questione di preoccupazione generale. Nei paesi sviluppati, nonostante le grandi capacità esistenti, il sistema di consegna dell’ossigeno liquido e delle bottiglie ha raggiunto i suoi limiti. Siamo informati che c’è una mancanza di ossigeno medico in alcuni luoghi, e ci viene richiesto di fornire generatori di ossigeno agli ospedali per sostenere la fonte di ossigeno esistente.”
Mentre questo LOx è destinato a scopi industriali, il suo alto livello di purezza lo rende probabilmente utilizzabile in un contesto medico; molti impianti industriali LOx in tutto il mondo si sono impegnati a riservare il 10-30% della produzione per scopi di lotta COVID.
In termini di aiuti internazionali su larga scala, un metodo potrebbe essere quello di comprare LOx all’ingrosso e spedirlo ai paesi bisognosi – cosa che sta già accadendo in una certa misura.
Acquisto e installazione di impianti PSA
- Pro: Può essere distribuito in poche settimane, funziona su scala
- Contro: Investimento costoso in nuove attrezzature, richiede ambizioni infrastrutturali post-COVID, fattibile solo per le città
La Pressure Swing Absorption è il processo più flessibile per produrre ossigeno di grado medico. Questi impianti possono essere acquistati e distribuiti in poche settimane e significano un investimento continuo nell’infrastruttura dell’ossigeno. Diversi governi in tutto il mondo hanno investito 5-20 milioni di dollari per espandere la loro capacità di produzione di ossigeno in questo modo, con la logica che anche una volta che la COVID è stata affrontata, queste macchine aiuteranno a combattere la polmonite e altre malattie respiratorie che erano sotto-fornite di ossigeno prima dell’inizio della pandemia.
Un impianto PSA di media scala produce tra 2-190m3 di ossigeno all’ora (cioè, 48-4.500m3/giorno) e pesa circa 1,5-20 tonnellate ciascuno. Per esempio, un impianto PSA peruviano acquistato per combattere la carenza di COVID produce 25m3/ora, e costa circa 300.000 dollari per l’acquisto e l’installazione. Le macchine HVO (High Volume Oxygen) più piccole costano 45.000 dollari per unità, 450 dollari al mese in energia e manutenzione, e possono produrre 120 litri al minuto. I tempi di installazione di un PSA montato su skid sono scesi a circa 2 settimane nel mondo sviluppato.
Acquisto o produzione locale di concentratori personali di ossigeno
- Pro: Il modo più conveniente per generare ossigeno, funziona in ambienti rurali, può essere costruito localmente in pochi giorni, soluzioni open source esistenti, soluzione tappabuchi praticabile
- Contro: Efficienza sconosciuta su scala, possibili problemi di pressione e manutenzione nella distribuzione
I concentratori personali di ossigeno sono unità semi-mobili che possono generare fino a 15 litri al minuto; abbastanza per un paziente grave, ma almeno due unità parallele sarebbero necessarie per fornire un paziente critico che richiede una media di 30 litri al minuto. Sono già in uso nell’emergenza ospedaliera, ma resta da vedere quanto saranno efficienti queste macchine in un ambiente reale con molti pazienti che hanno bisogno di ossigeno contemporaneamente. L’OMS avverte che i concentratori personali hanno problemi di manutenzione e di rendimento. Mentre le unità sono disponibili in commercio per circa 1.500 dollari per una macchina da 10 litri al minuto, sono in corso diversi progetti open source.
La soluzione a basso costo attualmente più promettente è OxiKit, un concentratore di ossigeno open source DIY che può potenzialmente generare 15L/minuto. Test e progetti correlati sono in corso da più gruppi, tra cui COSMIC Medical in Canada.
Cosa possono fare i Maker
Il futuro è incerto. Quello che sappiamo è che il problema probabilmente persisterà fino al 2021 se la pandemia continua a prendere il suo corso attuale. I creatori possono impegnarsi nei seguenti modi per aiutare a creare un tappabuchi per il problema finché i governi e le ONG non avranno affrontato il problema su scala industriale.