Jako że COVID-19 okrąża świat z obecnie 287 000 nowych przypadków dziennie (2 miliony tygodniowo) od 1 października 2020 r., trwający problem pozostaje w dużej mierze nierozwiązany: niedobór tlenu. COVID atakuje płuca i zmniejsza wydolność oddechową; pacjenci z ciężkim lub krytycznym rokowaniem wymagają uzupełniania tlenu, aby pozostać przy życiu. Chociaż wielu z nas zdaje sobie sprawę z tej potrzeby, skala problemu jest ogromna.
Skala problemu z tlenem
- Według WHO, przy 2 milionach nowych przypadków COVID każdego tygodnia świat potrzebuje dodatkowo 1 240 000 metrów sześciennych medycznego gazu tlenowego każdego dnia, co odpowiada 176 000 dużych zbiorników butlowych o długości 5 stóp, aby walczyć z wirusem. Źródło: U. of Minnesota / WHO, czerwiec 6
- Jeden zbiornik butli leczy około jednej osoby dorosłej dziennie; dzienna cena butli „J” tlenu waha się od 112 dolarów w Gwinei, (w tym transport), do 23 dolarów w Kenii. COVID przyczynił się do dalszego wzrostu cen i powstawania czarnych rynków – w Peru jedna butla kosztuje teraz 10 razy więcej niż w 2019 r.
- Stopnie niedoboru i rzeczywiste zapotrzebowanie różnią się znacznie na całym świecie, przy czym Chiny potrzebują największej ilości, a Afryka ma najpoważniejszy niedobór. Źródło: McKinsey , sierpień 25
Pacjent z COVID wymaga 10L tlenu na minutę w stadium ciężkim i 30L tlenu na minutę w stadium krytycznym (zwykle na etapie wentylacji inwazyjnej). Ekstrapolując szacunki WHO z 6 czerwca oparte na 2 milionach infekcji tygodniowo, COVID stwarza dodatkowe zapotrzebowanie na 1.2 miliarda litrów tlenu medycznego dziennie, co stanowi dodatkowe 60+% obciążenia systemu. Na początku czerwca, kiedy niedobory wystąpiły już w wielu krajach, ta liczba była połową tego, co jest teraz.
Obecny problem dostępności tlenu jest wieloraki; wytwarzanie jest u podstawy problemu (za mało zakładów i koncentratorów), a następnie dystrybucja i wydajność w użyciu medycznym. Globalne optymalne zapotrzebowanie na skoncentrowany medyczny O2 zostało oszacowane na 10 miliardów litrów dziennie; prawdopodobne rzeczywiste wykorzystanie było bliższe 2 miliardów litrów 02, przed COVID. Źródło: PATH / OSMS Estimate
Wolno dostępny dokument badawczy OSMS
W OSMS zbadaliśmy i przeanalizowaliśmy ten problem w wielu krajach na całym świecie. Udostępniliśmy nasze bieżące badania (aktualna wersja: 1.0), aby pomóc osobom prywatnym i organizacjom zrozumieć skalę problemu i dać wgląd w bieżące metody jego rozwiązywania. Dokument zawiera analizę problemu, analizę przemysłową, kalkulatory, które pomagają oszacować skalę problemu na poziomie krajowym oraz bieżące ścieżki rozwiązań.
Cost of Generating Oxygen by Method
Większość dużych, wydajnych systemów szpitalnych wykorzystuje dostarczany ciekły tlen, który może być przechowywany w dużych zbiornikach na miejscu, ale wymaga to rozwiniętego przemysłu. Poniżej znajduje się porównanie kosztów istniejących rozwiązań:
| Typ | Philipps M10 | HVO 120 | 180 LOx Delivery | Peruvian 25m3 PSA |
| Litry na dzień | 14,400L | 172,800L | 154,980L | 600,000L |
| Cena zakupu | $1,500 | $45,000 | $175 za dostawę | $300,000 |
| Koszt wyprodukowania 100 M litrów O2 w 200 dni |
$52,083 | $130,208 | $112,917 | $250,000 |
Koncentratory osobiste zaskakująco oferują najlepszą cenę za litr wytworzonego tlenu. Są one już używane w szpitalach w sytuacjach awaryjnych, ale dopiero okaże się, jak wydajne będą te maszyny w warunkach rzeczywistych, gdzie wielu pacjentów potrzebuje tlenu jednocześnie. WHO ostrzega, że koncentratory osobiste mają problemy z konserwacją i wydajnością.
Rozwiązania bieżące
Kwestia generowania tlenu istnieje co najmniej od marca 2020 r.; rozwiązania są wielorakie, ale potencjalnie katastrofalne niedobory są nadal odczuwalne, szczególnie w krajach rozwijających się. Istnieją trzy główne drogi do rozwiązania tego problemu i prawdopodobnie będą one musiały być stosowane jednocześnie. Dwie z nich mają skalę przemysłową (co oznacza, że wymagają dużych zasobów finansowych do wdrożenia), jedna z nich ma skalę oddolną i może zostać przyjęta przez ruch twórców.
Odwrócenie istniejącej produkcji ciekłego (kriogenicznego) tlenu
- Plusy: Natychmiastowe zastosowanie, największa skala produkcji
- Wady: Wymaga istniejącej i drogiej infrastruktury, wymaga współpracy przemysłu
Dzięki zaawansowanej technologii możliwe jest generowanie ciekłego tlenu w temperaturze -183°C, co pozwala na znacznie szybszy transport, ale gwałtownie zwiększa potrzeby konserwacyjne i wymagania dla wysoko wykwalifikowanych inżynierów, a także infrastrukturę chłodzącą. Instalacje ciekłego tlenu są dużą inwestycją finansową i wymagają rozległej budowy; średniej wielkości instalacja kriogeniczna może kosztować 60 milionów dolarów.
Więc realnym rozwiązaniem krótkoterminowym podczas COVID-19 jest przekierowanie istniejących zdolności produkcyjnych do sektora medycznego.
Ważne jest, aby zauważyć, że niedobór tlenu nie jest tylko „problemem krajów rozwijających się, według dyrektora generalnego Novair: „Obserwujemy, że zaopatrzenie w tlen staje się przedmiotem ogólnego zainteresowania. W krajach rozwiniętych, pomimo dużych istniejących zdolności produkcyjnych, system dostarczania ciekłego tlenu i butli osiągnął swoje granice. Otrzymujemy informacje, że w niektórych miejscach brakuje tlenu medycznego i jesteśmy proszeni o dostarczenie generatorów tlenu do szpitali, aby wesprzeć istniejące źródło tlenu.”
Choć ten LOx jest przeznaczony do celów przemysłowych, jego wysoki poziom czystości sprawia, że prawdopodobnie można go wykorzystać w kontekście medycznym; wiele przemysłowych zakładów LOx na całym świecie zobowiązało się do zarezerwowania 10-30% produkcji na cele walki z COVID.
Jeśli chodzi o pomoc międzynarodową na dużą skalę, jedną z metod może być masowy zakup LOx i wysyłanie go do krajów potrzebujących – co już w pewnym stopniu ma miejsce.
Kupno i instalacja zakładów PSA
- Plusy: Może być wdrożony w ciągu tygodni, działa na skalę
- Wady: Kosztowna inwestycja w nowy sprzęt, wymaga ambicji infrastrukturalnych post-COVID, wykonalny tylko dla miast
Pressure Swing Absorption jest najbardziej elastycznym procesem produkcji tlenu klasy medycznej. Instalacje te mogą być zakupione i wdrożone w ciągu kilku tygodni i oznaczają ciągłe inwestycje w infrastrukturę tlenową. Wiele rządów na całym świecie zainwestowało 5-20 milionów dolarów, aby rozszerzyć swoje możliwości produkcji tlenu w ten sposób, z uzasadnieniem, że nawet po uporaniu się z COVID, maszyny te pomogą w walce z zapaleniem płuc i innymi chorobami układu oddechowego, które były niedostatecznie zaopatrzone w tlen przed rozpoczęciem pandemii.
Jeden średniej skali zakład PSA produkuje między 2-190m3 tlenu na godzinę (czyli 48-4,500m3/dzień) i waży około 1,5-20 ton każdy. Przykładowo, peruwiańska instalacja PSA zakupiona do walki z niedoborem COVID produkowała 25m3/h i kosztowała ok. 300.000$ za zakup i instalację. Mniejsze maszyny HVO (High Volume Oxygen) kosztują 45.000 dolarów za sztukę, 450 dolarów miesięcznie za zasilanie i konserwację, a mogą produkować 120 litrów na minutę. Czas instalacji PSA montowanego na płozach wynosi obecnie w krajach rozwiniętych blisko 2 tygodnie.
Zakup lub lokalna produkcja osobistych koncentratorów tlenu
- Zalety: Najbardziej przystępny sposób generowania tlenu, działa w środowiskach wiejskich, może być zbudowany lokalnie w ciągu kilku dni, istniejące rozwiązania open source, realne rozwiązanie tymczasowe
- Wady: Nieznana wydajność w skali, możliwe problemy z ciśnieniem i konserwacją podczas wdrażania
Personalne koncentratory tlenu są półmobilnymi jednostkami, które mogą generować do 15 litrów na minutę; wystarczająco dużo dla ciężkiego pacjenta, ale przynajmniej dwie równoległe jednostki byłyby wymagane do zaopatrzenia krytycznego pacjenta, który wymaga średnio 30 litrów na minutę.
Pomimo bycia rozwiązaniem o najmniejszej skali, osobiste koncentratory zaskakująco oferują najlepszą cenę za litr generowanego tlenu w krótkim okresie czasu, jak wynika z naszej powyższej analizy. Są one w szpitalu wykorzystania awaryjnego już, ale to dopiero okaże się, jak wydajne te maszyny będą w rzeczywistym środowisku z wielu pacjentów potrzebujących tlenu jednocześnie. WHO ostrzega, że osobiste koncentratory mają problemy z konserwacją i wydajnością. Podczas gdy jednostki są dostępne komercyjnie za około 1500 dolarów za maszynę o wydajności 10 litrów na minutę, wiele projektów open source jest w trakcie realizacji.
Obecnie najbardziej obiecującym rozwiązaniem o niskich kosztach jest OxiKit, otwarty koncentrator tlenu typu zrób-to-sam, który może potencjalnie wygenerować 15L/minutę. Testy i powiązane projekty są w trakcie realizacji przez wiele grup, w tym COSMIC Medical w Kanadzie.
Co mogą zrobić twórcy
Przyszłość jest niepewna. Wiemy jednak, że problem ten będzie się utrzymywał do roku 2021, jeśli pandemia będzie nadal postępować w obecnym kierunku. Twórcy mogą zaangażować się w następujący sposób, aby pomóc w stworzeniu prowizorki dla problemu, dopóki rządy i organizacje pozarządowe nie zajmą się nim na skalę przemysłową.