Sauerstoffkonzentrator

Die Umgebungsluft besteht zu etwa 78 % aus Stickstoff (N₂), 21 % aus Sauerstoff (O₂), 0,9 % aus Argon (Ar) und geringen Mengen anderer Gase wie Kohlendioxid (CO₂), Wasserdampf und Edelgasen. Sauerstoffkonzentratoren können den Sauerstoffanteil auf therapeutische Konzentrationen von bis zu 96 % erhöhen.

Eine Sauerstofftherapie ist essenziell für Patienten mit Hypoxämie, die aus verschiedenen pulmonalen oder kardiovaskulären Erkrankungen resultieren kann. Sauerstoffkonzentratoren werden bei chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD), Lungenfibrose, Herzinsuffizienz und anderen Erkrankungen eingesetzt, die eine Langzeit-Sauerstofftherapie erfordern. Da sie nicht nur für den stationären, sondern auch für den mobilen Einsatz konzipiert sind, ist eine Anwendung in besonderen Lebenssituationen möglich, z.B. in großer Höhe, bei Athleten, in Regionen mit begrenzter Infrastruktur oder bei Naturkatastrophen.

Sauerstoffkonzentratoren basieren auf verschiedenen technischen Prinzipien.

Pressure-Swing-Adsorption

Viele Sauerstoffkonzentratoren nutzen das Prinzip der Druckwechseladsorption (Pressure Swing Adsorption, PSA). Die Umgebungsluft wird zunächst komprimiert und durch ein Adsorptionsmittel (Molekularsieb, meist Zeolith) geleitet, das Stickstoffmoleküle an sich bindet und Sauerstoff passieren lässt. Das Molekularsieb wird zyklisch regeneriert, indem der Druck gesenkt wird, wodurch der gebundene Stickstoff freigesetzt und aus dem System entfernt wird. Das System wechselt zyklisch zwischen Adsorption (hoher Druck) und Desorption (niedriger Druck). Modelle mit PSA ermöglichen eine hohe Sauerstoffkonzentration (ca. 90 - 96 %). Der Prozess erfordert eine kontinuierliche Energieversorgung. PSA-Systeme sind oft relativ laut, was den Patientenkomfort beeinträchtigen kann.

Radid-PSA

Die Rapid-PSA (RPSA) ist eine Weiterentwicklung der herkömmlichen PSA-Technologie, bei der die Adsorptionszyklen beschleunigt werden, um kleinere und effizientere Sauerstoffkonzentratoren zu entwickeln.

Vakuum-Swing-Adsorption

Eine weitere Weiterentwicklung ist die Vakuum-Swing-Adsorption (VSA). Anstelle des Druckwechsels wird ein Vakuum zur Regeneration des Molekularsiebs verwendet. Das Vakuum reduziert den Energiebedarf und ermöglicht eine energieeffizientere Sauerstoffkonzentration. Diese Technologie ist insbesondere für stationäre Anwendungen vorteilhaft, da sie die Betriebskosten senkt. Allerdings sind diese Geräte in der Regel größer und schwerer als PSA-Geräte.

Membran-Gas-Separation

Bei der Membrantrennung wird Luft durch spezielle Polymermembranen geleitet, die selektiv Sauerstoff durchlassen. Der Stickstoff wird zurückgehalten, während der Sauerstoff durch die Membran diffundiert. Diese Technologie ist relativ wartungsarm, leise und gut geeignet für Bereiche mit Bedarf an geringerer Sauerstoffkonzentration. Da bei der Membranseparation vergleichsweise geringere Sauerstoffkonzentrationen erreicht werden, ist diese Methode für Patienten mit hohem Sauerstoffbedarf weniger geeignet.

Elektronenspinresonanz

Die Elektronenspinresonanz (Electron Paramagnetic Resonance, EPR) beruht auf der magnetischen Suszeptibilität von Molekülen, um bestimmte Gase wie Sauerstoff zu separieren. Das Grundprinzip der EPR-Technologie nutzt die Tatsache, dass Sauerstoffmoleküle paramagnetische Eigenschaften besitzen. Das bedeutet, sie haben ungepaarte Elektronen, die auf Magnetfelder reagieren. Im Vergleich dazu ist Stickstoff diamagnetisch und zeigt keine solche Reaktion. Sauerstoffmoleküle können daher in einem magnetischen Feld selektiv aus der Umgebungsluft angezogen werden. Dieses magnetische Feld wird mithilfe eines starken Permanentmagneten oder eines Elektromagneten erzeugt. Das Verfahren ermöglicht einen hohen Reinheitsgrad des Sauerstoffs und eine weitgehend kontinuierliche Sauerstoffabgabe. Ein weiterer Vorteil ist der Verzicht auf Verschleißteile wie Molekularsiebe. Nachteilig sind die Komplexität der Technologie, höhere Kosten und der höhere Energieverbrauch zur Aufrechterhaltung des Magnetfelds. Außerdem sind EPR-basierte Konzentratoren relativ groß und schwer, was die Mobilität einschränkt.

Kryogene Luftverflüssigung

Bei der kryogenen Luftverflüssigung wird die Umgebungsluft verflüssigt und anschließend destilliert, um Sauerstoff abzutrennen. Dieses aufwendige Verfahren bietet eine hohe Reinheit des gewonnenen Sauerstoffs und wird aufgrund des hohen Energiebedarfs und der aufwendigen Infrastruktur vor allem in industriellen Anwendungen eingesetzt.

Sauerstoffkonzentratoren bieten verschiedene Vorteile im Vergleich zu konventionellen Druckgas-Sauerstoffflaschen:

• Kontinuierliche Sauerstoffproduktion: Konzentratoren produzieren kontinuierlich Sauerstoff aus der Umgebungsluft, wodurch der ständige Austausch oder das Nachfüllen von Sauerstoffflaschen entfällt.
• Gewicht: Stationäre Sauerstoffflaschen sind in der Regel sehr schwer, während moderne Sauerstoffkonzentratoren, insbesondere tragbare Modelle (Portable Oxygen Concentrator, POC) relativ leicht sind.
• Kosten: Die langfristigen Kosten eines Konzentrators sind in der Regel niedriger, da kein Nachfüllen erforderlich ist und nur die Wartung und Stromkosten anfallen.
• Flexibilität: Konzentratoren bieten mehr Flexibilität, da sie kontinuierlich arbeiten und eine permanente Sauerstoffversorgung ohne ständige Logistik bereitstellen können.

• Stromabhängigkeit: Sauerstoffkonzentratoren benötigen eine Stromquelle, was ihre Nutzung in bestimmten Situationen (z.B. bei Stromausfällen oder unterwegs) einschränken kann. Die meisten tragbaren Geräte haben jedoch auch Akkus, deren Laufzeit stark vom Modell und der Flussrate abhängt. Teilweise werden auch tragbare Solarpanels angeboten.
• Leistung: Die Sauerstoffabgabe eines Konzentrators kann bei höheren Durchflussraten eingeschränkt sein. Druckgasflaschen können eine höhere Flussrate liefern, was bei bestimmten Indikationen erforderlich sein kann.

Aktuelle Entwicklungen konzentrieren sich auf die Integration von künstlicher Intelligenz zur Anpassung der Sauerstoffabgabe an den individuellen Bedarf des Patienten. Zudem werden Maßnahmen zur Geräuschreduktion implementiert, um den Patientenkomfort zu erhöhen. Tragbare Modelle werden kontinuierlich leichter und energieeffizienter gestaltet, um die Mobilität der Patienten zu fördern.