Tragbare Sauerstoffkonzentratoren

Ein Freund, der an Lungen- und Atemwegserkrankungen leidet, ist kürzlich von der Verwendung eigenständiger Drucksauerstoffflaschen auf einen tragbaren Sauerstoffkonzentrator des Typs DEDAKJ RESPIREASY REC-7 (Abbildung 1) umgestiegen. Durch das Abstoßen seiner schweren Sauerstoffflaschen—die zudem alle paar Tage ausgetauscht werden mussten—zugunsten dieses kleinen, vollständig tragbaren Geräts, das nur 1,45 kg (3,2 Pfund) wiegt, gewann er ein tiefes Gefühl persönlicher Freiheit.

Abbildung 1: Der tragbare Sauerstoffkonzentrator DEDAKJ RESPIREASY ist leicht und einfach zu tragen; außerdem erfordert er keine Wartung durch den Benutzer, da er keine Reagenzien verbraucht, während er Stickstoff aus der Umgebungsluft "entzieht".

Wie funktioniert dieses sauerstofferzeugende Gerät? Welche Filtrationsherausforderungen muss es meistern?

Das Geheimnis seines erfolgreichen Designs liegt nicht in einem einzelnen Faktor, sondern in der umfassenden Berücksichtigung verschiedener Elemente. Es ist entscheidend, die Designziele und -beschränkungen fest im Blick zu behalten. Das Gerät muss die Umgebungsluft „reinigen“ und dem Benutzer nahezu 100% Sauerstoff zuführen. Darüber hinaus muss das Gerät kompakt, leise und leicht sein, mit einer Batterie, die einen kontinuierlichen Betrieb für mindestens mehrere Stunden gewährleisten kann.

Darüber hinaus muss es als medizinisches Gerät verschiedene Sicherheits- und Regulierungsanforderungen erfüllen—wie beispielsweise ausfallsicheren Betrieb und Selbstdiagnosefunktionen—und sowohl einfach zu bedienen als auch einfach zu warten sein. Natürlich ist „einfach“ ein relativer Begriff; in diesem Zusammenhang bedeutet es, dass das Gerät absolut keine Wartung, keinen Luftfilterwechsel oder keine Anpassung erfordert.

Das Design eines Sauerstoffkonzentrators beginnt mit einer grundlegenden Prämisse: Die Umgebungsluft kann als „filtrierbarer“ Rohstoff dienen, da sie aus 78 % Stickstoff, 21 % Sauerstoff und 1 % anderen Gasen (wie Kohlendioxid, Argon usw.) besteht. Wenn der Stickstoff effektiv herausgefiltert werden kann, ist das verbleibende Hauptgas Sauerstoff mit einer Reinheit von etwa 90–95 %—ein Niveau, das für medizinische Zwecke mehr als ausreichend ist.

Wie wird also der Stickstoff entfernt? Die anfängliche Annahme könnte sein, dass dies eine Form komplexer chemischer Reaktion erfordern würde—eine, die die Entsorgung verbrauchter Materialien, das Nachfüllen chemischer Reagenzien und andere damit verbundene Mühen mit sich bringen würde. Aus der Sicht der Einfachheit und Zuverlässigkeit wäre ein solcher Ansatz sowohl übermäßig kompliziert als auch inakzeptabel.

Zeolith-Molekularsieb-Turm

An dieser Stelle boten Experten aus der Mineralogie und Materialwissenschaft eine relativ einfache Lösung an: die Verwendung eines „Siebbetts“ aus Zeolith (ein mikroporöses Aluminosilikatmineral), das Stickstoff einfangen kann. In diesem Szenario wird der Fang nicht durch Absorption oder die Bildung neuer Verbindungen erreicht, sondern durch Adsorption. Das bedeutet, dass Stickstoff an der Oberfläche des Zeoliths haftet (ähnlich wie ein Magnet Eisen anzieht), ohne neue molekulare Bindungen mit ihm einzugehen. Sie sind mit Zeolithen nicht vertraut? Eine Einführung finden Sie im Artikel „Zeolite Clinoptilolite: Therapeutic Virtues of an Ancient Mineral“, der vom National Institutes of Health/National Library of Medicine veröffentlicht wurde. Um die Herausforderungen im Zusammenhang mit Filterverstopfung und -austausch zu bewältigen, setzten die Konstrukteure eine Technik ein, die bereits in anderen Systemen verwendet wurde, wenn auch in dieser Anwendung in kleinerem Maßstab. Sie verwendeten zwei identische Siebbetten: eines zur Adsorption und das andere zur Reinigung (Abbildung 2).

 Während ein Siebbett aktiv Stickstoff adsorbiert, wird das gesättigte Bett gereinigt, um es für seine nächste Aufgabe vorzubereiten—ein Übergang, der durch elektronisch gesteuerte Luftstromschalter geregelt wird.

Der Kompressor des Geräts pumpt Luft in das erste Molekularsiebbett, bis es mit unerwünschtem Stickstoff gesättigt ist. Wenn dies geschieht, schaltet ein elektronisch gesteuertes Umschaltventil—vergleichbar mit dem fluidischen Äquivalent eines einpoligen Wechselschalters (SPDT)—um, um die ungefilterte Luft in das zweite Siebbett umzuleiten. Dieses zweite Siebbett dient nicht nur als Redundanz, sondern ist ein integraler Bestandteil des grundlegenden Betriebs; gleichzeitig leitet ein separates Umschaltventil den Ausgang des zweiten Siebbetts an den Benutzer weiter.

Dies kennzeichnet nicht das Ende des Filtrationszyklus des Siebbetts. Während das zweite Siebbett seinen Betrieb aufnimmt, wird der im ersten Siebbett eingeschlossene Stickstoff gleichzeitig ausgestoßen. Folglich ist das erste Siebbett, wenn das zweite Siebbett gesättigt ist, wieder bereit, die Aufgabe zu übernehmen. Dank dieses abwechselnden Filtrations- und Reinigungszyklus ist immer ein sauberer Filter verfügbar, der einspringt, wenn ein mit Stickstoff gesättigtes Bett ersetzt werden muss, wodurch die Notwendigkeit entfällt, dass der Benutzer die Filter manuell austauschen muss.

Dies erfordert weit mehr als nur eine Dual-Sieb-Konfiguration. Zusätzlich zu den Umschaltventilen umfasst das System zahlreiche Sensoren zur Überwachung und Steuerung von Druck, Luftstrom und elektrischen Systemen sowie verschiedene andere kritische Komponenten, die zur Erfüllung der Betriebs- und Sicherheitsanforderungen entwickelt wurden. Durch die nahtlose Integration elektronischer Komponenten mit spezialisierten Materialien, Flüssigkeitsmanagementsystemen und Filtrationstechnologie entsteht ein Sauerstofferzeugungsgerät, das intern komplex ist, aber dennoch bemerkenswert einfach zu bedienen und zu warten bleibt.