Medizinischer Sauerstoff sollte kein Luxus sein: Eine billigere Art der Herstellung entwickeln

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Shutterstock / Poh Smith‘width = “800” height = “530”> Medizinischer Sauerstoff. Anerkennung: Shutterstock / Poh Smith

Der Zugang zu reinem Sauerstoff für medizinische Behandlungen ist eine komplizierte, teure und oft sehr gefährliche Angelegenheit. Die jetzige Situation in Indien ist eine scharfe Erinnerung an dieses Problem. Die zweite Welle von COVID-19 hat das Land schwer getroffen, die Gesamtzahl der Todesfälle hat gerade die 200.000-Marke überschritten. Sauerstoff ist Mangelware.

Aufgrund des gegenwärtigen Notfalls haben sich indische Bürger dem Schwarzmarkt zugewandt Sauerstoff kaufen weit über seinem regulären Preis.

Dies ist teilweise auf die Art und Weise zurückzuführen, wie Sauerstoff weltweit produziert, gespeichert und transportiert wird. Deshalb arbeiten Wissenschaftler wie ich daran, eine billigere Alternative zu finden.

Engpässe

Sauerstoff wird hauptsächlich aus verflüssigter Luft gewonnen. Ingenieure verwandeln die Luft, die wir atmen, in eine Flüssigkeit, indem sie eine Kombination von Prozessen anwenden, die Gase abkühlen, bis sie kondensieren. Sobald sie es geschafft haben, die Mischung zu verflüssigen, verwenden sie die Destillation – das gleiche Verfahren, das zur Herstellung von Whisky und Gin verwendet wird -, um Luft in ihre verschiedenen Bestandteile zu trennen, darunter Sauerstoff.

Dieser Prozess erfordert enorme Mengen an Energie und riesige Industrieanlagen, sodass er auf wenige Gebiete der Welt beschränkt ist, die meisten davon im globalen Norden. Flüssiger Sauerstoff muss unter hohem Druck gespeichert und transportiert werden, was zu ernsthaften logistischen Problemen und Sicherheitsbedenken führt – Sauerstoff ist wirklich explosiv.

Dies bedeutet, dass der Hauptengpass bei der Sauerstoffproduktion genau Flaschen sind. Die USA sind auf Hochleistungsrohre angewiesen, um unter Druck stehenden Sauerstoff zu transportieren. In Europa erfolgt der Transport hauptsächlich durch flüssigen Sauerstoff, der in großen Tanks transportiert wird. In Ländern mit niedrigerem Einkommen erfolgt die Verteilung in Flaschen.

Aber der Markt für Sauerstoffflaschen wird nur von einem in die Enge getrieben Handvoll Chemieunternehmen. Die Verwendung von Flaschen bringt noch weitere Sicherheitsbedenken mit sich, da für den korrekten Umgang mit ihnen mehrere Vorsichtsmaßnahmen und eine angemessene Schulung erforderlich sind. Den Entwicklungsländern fehlt daher sowohl die Infrastruktur, die zur Herstellung von flüssigem Sauerstoff erforderlich ist, als auch die, um ihn einfach und kostengünstig in ein Krankenhaus zu transportieren.

Aber der Markt für Sauerstoffflaschen wird nur von einem in die Enge getrieben Handvoll Chemieunternehmen. Die Verwendung von Flaschen bringt noch weitere Sicherheitsbedenken mit sich, da für den korrekten Umgang mit ihnen mehrere Vorsichtsmaßnahmen und eine angemessene Schulung erforderlich sind. Den Entwicklungsländern fehlt daher sowohl die Infrastruktur, die zur Herstellung von flüssigem Sauerstoff erforderlich ist, als auch die, um ihn einfach und kostengünstig in ein Krankenhaus zu transportieren.

Eine andere Art, Sauerstoff zu “machen” verwendet KonzentratorenGeräte, die mithilfe einer Reihe von Membranen, porösen Materialien und Filtern selektiv Stickstoff entfernen – das Gas, das 78% unserer Atmosphäre ausmacht. Diese wurden Mitte der 70er Jahre hergestellt und die Technologie ist sehr gut etabliert.

Diese Vorrichtungen wandeln Luft in einen Strom von mit Sauerstoff angereichertem Gas um, typischerweise über 95% (der Rest besteht hauptsächlich aus Argon). Dies ist normalerweise gut genug für Atemschutzgeräte und Beatmungsgeräte. Der Vorteil eines Konzentrators besteht darin, dass er als kleines Gerät für Krankenhäuser oder Pflegeheime hergestellt werden kann. Im Handel erhältliche Konzentratoren existieren jetzt, aber sie sind teuer und in Entwicklungsländern schwer zu produzieren.

Deshalb suchen Wissenschaftler wie ich nach Lösungen. Mein Team untersucht neue Arten von Materialien, die Gase speichern und trennen. Einige davon bieten potenziell erschwingliche Lösungen für Geräte wie Sauerstoffkonzentratoren. Wir entwickeln zwei Haupttypen von Materialien – Zeolithe (Kristalle aus Silizium, Aluminium und Sauerstoff) und metallorganische Gerüste (üblicherweise als MOFs bezeichnet). Beide sind hochporöse Materialien; Sie können sie sich als kleine, molekülgroße Schwämme vorstellen.

Wie Schwämme adsorbieren diese porösen Materialien mehr Flüssigkeiten, als Sie sich intuitiv vorstellen können. Obwohl die Millionen von Poren in Zeolithen und MOFs winzig erscheinen mögen, ist ihre Gesamtoberfläche monumental. Tatsächlich hat ein Gramm bestimmter rekordverdächtiger MOFs eine Oberfläche von über 7.000 Quadratmetern.

Winzige Mengen an Zeolithen und MOFs können große Mengen an Flüssigkeiten speichern, häufig Gase, und sie wurden zur Gasspeicherung, Reinigung, Kohlenstoffabscheidung und Wassernutzung.

Ein Teil meines Teams arbeitet mit dem Ingenieurbüro zusammen Cambridge Präzision, und der Zentrum für globale Gleichstellunghaben begonnen zu prüfen, ob sie zur Speicherung von Sauerstoff verwendet werden können. Wir haben einen ersten Prototyp entwickelt, der funktioniert. Wir hoffen, in zwei Monaten einen endgültigen Prototyp zu haben, und danach müssen wir die ärztliche Genehmigung einholen.

Der Prozess

Das Prinzip ist ganz einfach. Wir haben einen Aluminiumzylinder voller poröser Materialien und wir zirkulieren einen Luftstrom durch ihn. Dadurch wird der Sauerstoff zu 95% gereinigt – der Rest besteht hauptsächlich aus Argon. Stickstoff wird im Zeolith aufgrund der Verteilung der elektrischen Ladung in Stickstoffatomen eingeschlossen, was bedeutet, dass er stärker mit dem elektrischen Feld des Zeolithen interagiert. Sauerstoff und Argon sind es nicht.

Der Stickstoff bleibt daher in den Millionen winziger Poren eingeschlossen, und wir leeren sie später, nachdem wir unseren Sauerstoff gespeichert haben.

Normalerweise vermarkten wir unsere porösen Materialien durch Immateriell, ein Spin-out der University of Cambridge. Es schien jedoch unmoralisch, bei einer Pandemie enorme Gewinne mit dem Verkauf von Sauerstoff zu erzielen. In Afrika zum Beispiel ist Sauerstoff fünfmal teurer als in Europa und den USA. Unser Team und Immaterial haben sich daher mit anderen Wissenschaftlern in Cambridge zusammengetan, um die Initiative für Sauerstoff- und Beatmungssysteme zu entwickeln. OVSImit dem Ziel, erschwingliche Sauerstoffbehandlungen voranzutreiben und herzustellen.

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