Terwijl COVID-19 de wereld omsingelt met momenteel 287.000 nieuwe gevallen per dag (2 miljoen per week) vanaf 1 oktober 2020, blijft een aanhoudend probleem grotendeels onopgelost: zuurstoftekort. COVID tast de longen aan en vermindert de ademhalingscapaciteit; patiënten met een ernstige of kritieke prognose hebben extra zuurstof nodig om in leven te blijven. Hoewel velen van ons zich bewust zijn van deze behoefte, is de omvang van het probleem enorm.
De omvang van het zuurstofprobleem
- Volgens de WHO, met 2 miljoen nieuwe gevallen van COVID per week, heeft de wereld elke dag 1.240.000 kubieke meter extra medisch zuurstofgas nodig, gelijk aan 176.000 grote 5ft lange cilindertanks, om het virus te bestrijden. Bron: U. of Minnesota / WHO, 6 juni
- Een cilindertank behandelt ongeveer één volwassene per dag; de dagelijkse prijs van een “J” cilinder zuurstof varieert van $112 in Guinee, (inclusief transport), tot $23 in Kenia. COVID heeft verder prijsvechters en zwarte markten gecreëerd – in Peru kost een tank nu 10x meer dan in 2019.
- De mate van schaarste en de werkelijke behoefte lopen wereldwijd sterk uiteen, waarbij China het meeste volume nodig heeft en Afrika het grootste tekort heeft. Bron: McKinsey , 25 augustus
Een COVID-patiënt heeft 10 liter zuurstof per minuut nodig in de ernstige fase, en 30 liter zuurstof per minuut in de kritieke fase (meestal in de fase van invasieve beademing). Extrapolatie van de WHO-raming van 6 juni, gebaseerd op 2 miljoen infecties per week, betekent dat COVID een extra vraag van 1,2 miljard liter medisch zuurstofgas per dag creëert, een extra belasting van het systeem met meer dan 60 %. Begin juni, toen er al tekorten waren in meerdere landen, was dit cijfer de helft van wat het nu is.
Het huidige probleem van de beschikbaarheid van zuurstof is meervoudig; de opwekking ligt aan de basis van het probleem (niet genoeg fabrieken en concentrators), gevolgd door distributie en efficiëntie in medisch gebruik. De wereldwijde optimale behoefte aan geconcentreerde medische O2 werd geraamd op 10 miljard liter per dag; het waarschijnlijke werkelijke gebruik lag dichter bij 2 miljard liter 02, pre-COVID. Bron: PATH / OSMS Estimate
OSMS’ Freely Accessible Research Document
Bij OSMS hebben we het probleem in meerdere landen over de hele wereld onderzocht en geanalyseerd. Wij hebben ons lopende onderzoek vrij beschikbaar gesteld (huidige versie: 1.0) om individuen en organisaties te helpen de omvang van het probleem te begrijpen en inzicht te geven in lopende oplossingsrichtingen. Het document bevat een analyse van het probleem, een analyse van de industrie, rekenmachines die helpen om de omvang van het probleem op nationaal niveau in te schatten, en lopende oplossingsrichtingen.
Cost of Generating Oxygen by Method
De meeste grote, efficiënte ziekenhuissystemen gebruiken geleverde vloeibare zuurstof die ter plaatse in grote tanks kan worden opgeslagen, maar hiervoor is een ontwikkelde industrie nodig. Hier volgt een kostenvergelijking van bestaande oplossingen:
| Type | Philipps M10 | HVO 120 | 180 LOx Delivery | Peruvian 25m3 PSA |
| Liters per Dag | 14,400L | 172.800L | 154.980L | 600.000L |
| Aankoopprijs | $1.500 | $45.000 | $175 per levering | $300,000 |
| Kosten om 100 M liter O2 in 200 dagen te produceren |
$52,083 | $130,208 | $112,917 | $250.000 |
Persoonlijke concentrators bieden verrassend genoeg de beste prijs per liter gegenereerde zuurstof. Ze worden al gebruikt in ziekenhuizen voor noodgevallen, maar het valt nog te bezien hoe efficiënt deze machines zullen zijn in een real-world omgeving met veel patiënten die tegelijkertijd zuurstof nodig hebben. De WHO waarschuwt dat persoonlijke concentrators zowel onderhouds- als outputproblemen hebben.
Ongaande oplossingen
Het probleem van het genereren van zuurstof bestaat al sinds ten minste maart 2020; de oplossingen zijn veelvoudig geweest, maar potentieel catastrofale tekorten worden nog steeds ervaren, vooral in ontwikkelingslanden. Er zijn 3 hoofdroutes om het probleem op te lossen, en die zullen waarschijnlijk gelijktijdig moeten worden toegepast. Twee van hen zijn industrieel van schaal (dat wil zeggen, ze vereisen grote financiële middelen voor de uitvoering), een van hen is grassroots in schaal en kan worden overgenomen door de maker beweging.
Diverting Existing Liquid (Cryogenic) Oxygen Production
- Voors: Onmiddellijk toepasbaar, grootste productieschaal
- Nadelen: Vereist bestaande en dure infrastructuur, vereist medewerking van de industrie
Met geavanceerde technologie is het mogelijk vloeibare zuurstof te genereren bij -183°C, wat een veel sneller transport mogelijk maakt, maar de onderhoudsbehoeften en de vereisten voor hoogopgeleide ingenieurs, evenals de koelinfrastructuur, sterk doet toenemen. Fabrieken voor vloeibare zuurstof zijn een grote financiële investering en vergen een uitgebreide constructie; een middelgrote cryogene fabriek kan 60 miljoen dollar kosten om op te zetten.
Een haalbare oplossing op kortere termijn tijdens COVID-19 is dus de bestaande productiecapaciteit om te buigen naar de medische sector.
Het is belangrijk op te merken dat zuurstoftekort niet alleen een “ontwikkelingswereldprobleem” is, aldus de CEO van Novair: “We zien dat zuurstofvoorziening een zaak van algemeen belang aan het worden is. In de ontwikkelde landen heeft het systeem voor de levering van vloeibare zuurstof en flessen, ondanks de grote bestaande capaciteiten, zijn grenzen bereikt. Ons wordt meegedeeld dat er op sommige plaatsen een tekort is aan medische zuurstof, en ons wordt verzocht zuurstofgeneratoren aan ziekenhuizen te leveren om de bestaande zuurstofbron te ondersteunen.”
Hoewel deze LOx bedoeld is voor industriële doeleinden, maakt de hoge zuiverheidsgraad het waarschijnlijk bruikbaar in een medische context; veel industriële LOx-fabrieken over de hele wereld hebben zich ertoe verbonden 10-30% van de productie te reserveren voor COVID-bestrijdingsdoeleinden.
In termen van grootschalige internationale hulp zou een methode kunnen zijn om LOx in bulk te kopen en te verschepen naar landen in nood – wat al tot op zekere hoogte gebeurt.
Aankoop en installatie van PSA-installaties
- Voors: Kan binnen enkele weken worden ingezet, werkt op schaal
- Nadelen: Kostbare investering in nieuwe apparatuur, vereist post-COVID-infrastructuurambities, alleen haalbaar voor steden
Pressure Swing Absorption is het meest flexibele proces om zuurstof van medische kwaliteit te produceren. Deze installaties kunnen binnen enkele weken worden gekocht en in gebruik genomen en betekenen een voortdurende investering in zuurstofinfrastructuur. Verscheidene regeringen over de hele wereld hebben voor $5-20 miljoen geïnvesteerd om hun zuurstofproductiecapaciteit op deze manier uit te breiden, met het idee dat zelfs wanneer COVID eenmaal is aangepakt, deze machines zullen helpen bij de bestrijding van longontsteking en andere ademhalingsziekten die voor het begin van de pandemie te weinig zuurstof kregen.
Een PSA-installatie op middelgrote schaal produceert tussen 2-190m3 zuurstof per uur (dat is 48-4.500m3/dag) en weegt ongeveer 1,5-20 ton per stuk. Een Peruaanse PSA-fabriek bijvoorbeeld, die werd aangeschaft om het COVID-tekort te bestrijden, produceerde 25m3/uur en kostte ongeveer $300.000 voor aanschaf en installatie. Kleinere HVO-machines (High Volume Oxygen) kosten 45.000 dollar per eenheid, 450 dollar per maand aan stroom en onderhoud, en kunnen 120 liter per minuut produceren. De installatietijd voor een op een skid gemonteerde PSA is nu gedaald tot bijna 2 weken in de ontwikkelde wereld.
Koop of lokale productie van persoonlijke zuurstofconcentrators
- Voors: Meest betaalbare manier om zuurstof te genereren, werkt in landelijke omgevingen, kan binnen enkele dagen lokaal worden gebouwd, bestaande open source oplossingen, levensvatbare noodoplossing
- Nadelen: onbekende efficiëntie op schaal, mogelijke druk- en onderhoudsproblemen bij inzet
Persoonlijke zuurstofconcentratoren zijn semimobiele eenheden die tot 15 liter per minuut kunnen produceren; genoeg voor een ernstige patiënt, maar er zouden minstens twee parallelle eenheden nodig zijn om een kritieke patiënt te bevoorraden die gemiddeld 30 liter per minuut nodig heeft.
Ondanks het feit dat persoonlijke concentratoren de kleinschaligste oplossing zijn, bieden zij verrassend genoeg de beste prijs per liter gegenereerde zuurstof op korte termijn, zoals blijkt uit onze analyse hierboven. Ze worden al gebruikt in ziekenhuizen voor noodgevallen, maar het valt nog te bezien hoe efficiënt deze machines zullen zijn in een real-world omgeving met veel patiënten die tegelijkertijd zuurstof nodig hebben. De WHO waarschuwt dat persoonlijke concentrators problemen hebben met het onderhoud en de productie. Terwijl eenheden commercieel beschikbaar zijn voor ongeveer $ 1.500 voor een 10 liter per minuut machine, zijn meerdere open source-projecten aan de gang.
De momenteel meest veelbelovende goedkope oplossing is OxiKit, een DIY Open Source Zuurstofconcentrator die mogelijk 15L/minuut kan genereren. Tests en gerelateerde ontwerpen worden uitgevoerd door meerdere groepen, waaronder COSMIC Medical in Canada.
What Makers kunnen doen
De toekomst is onzeker. Wat we wel weten is dat het probleem waarschijnlijk tot ver in 2021 zal blijven bestaan als de pandemie zijn huidige koers blijft volgen. Makers kunnen zich op de volgende manieren inzetten om een noodoplossing voor het probleem te helpen creëren totdat regeringen en ngo’s het probleem op industriële schaal hebben aangepakt.