Un concentrador de oxígeno es un dispositivo que concentra el oxígeno de un suministro de gas (normalmente aire ambiente) eliminando selectivamente el nitrógeno para suministrar una corriente de gas enriquecida con oxígeno. Se utilizan en la industria para proporcionar oxígeno suplementario a grandes altitudes y como dispositivos médicos para la oxigenoterapia . [1]
Los concentradores de oxígeno se utilizan ampliamente para el suministro de oxígeno en aplicaciones de atención médica, especialmente donde el oxígeno líquido o presurizado es demasiado peligroso o inconveniente, como en hogares o clínicas portátiles, y también pueden proporcionar una fuente económica de oxígeno en procesos industriales, donde también se conocen como generadores de gas de oxígeno o plantas de generación de oxígeno . Dos métodos de uso común son la adsorción por oscilación de presión y la separación de gases por membrana .
Los concentradores de oxígeno por adsorción por oscilación de presión (PSA) utilizan un tamiz molecular para adsorber gases y funcionan según el principio de adsorción rápida por oscilación de presión del nitrógeno atmosférico sobre minerales de zeolita a alta presión. Por lo tanto, este tipo de sistema de adsorción es funcionalmente un depurador de nitrógeno, que permite que los demás gases atmosféricos pasen a través de él, dejando el oxígeno como gas principal restante. La tecnología PSA es una técnica confiable y económica para la generación de oxígeno a pequeña y mediana escala. La separación criogénica es más adecuada para volúmenes mayores. [2]
La separación de gases a través de una membrana es un proceso impulsado por la presión, donde la fuerza impulsora es la diferencia de presión entre la entrada de la materia prima y la salida del producto. La membrana utilizada en el proceso es una capa generalmente no porosa, por lo que no habrá una fuga grave de gas a través de la membrana. El rendimiento de la membrana depende de la permeabilidad y la selectividad. La permeabilidad se ve afectada por el tamaño del penetrante. Las moléculas de gas más grandes tienen un coeficiente de difusión menor. El equipo de separación de gases de membrana generalmente bombea gas al módulo de membrana y los gases objetivo se separan en función de la diferencia de difusividad y solubilidad. Por ejemplo, el oxígeno se separará del aire ambiente y se recolectará en el lado ascendente, y el nitrógeno en el lado descendente. En 2016, se informó que la tecnología de membrana era capaz de producir de 10 a 25 toneladas de oxígeno del 25 al 40 % por día. [3]
Los concentradores de oxígeno médico para uso doméstico se inventaron a principios de la década de 1970 y la producción de estos dispositivos aumentó a fines de esa década. Union Carbide Corporation y Bendix Corporation fueron los primeros fabricantes. Antes de esa época, la terapia de oxígeno médico para uso doméstico requería el uso de cilindros de oxígeno pesados de alta presión o pequeños sistemas de oxígeno líquido criogénico. Ambos sistemas de suministro requerían visitas frecuentes a domicilio por parte de los proveedores para reponer los suministros de oxígeno. En los Estados Unidos, Medicare cambió del pago por servicio a una tarifa mensual fija para la terapia de oxígeno para uso doméstico a mediados de la década de 1980, lo que provocó que la industria de equipos médicos duraderos (DME) adoptara rápidamente los concentradores como una forma de controlar los costos. Este cambio en el reembolso redujo drásticamente la cantidad de sistemas primarios de suministro de oxígeno líquido y de alta presión en uso en los hogares de los Estados Unidos en ese momento. Los concentradores de oxígeno se convirtieron en el medio preferido y más común de suministro de oxígeno para uso doméstico. La cantidad de fabricantes que ingresaron al mercado de concentradores de oxígeno aumentó considerablemente como resultado de este cambio. Union Carbide Corporation inventó el tamiz molecular en la década de 1950, lo que hizo posible estos dispositivos. También inventó los primeros sistemas de oxígeno médico doméstico con líquido criogénico en la década de 1960.
Los concentradores de oxígeno que utilizan tecnología de adsorción por oscilación de presión (PSA) se utilizan ampliamente para el suministro de oxígeno en aplicaciones de atención médica, especialmente donde el oxígeno líquido o presurizado es demasiado peligroso o inconveniente, como en hogares o clínicas portátiles. Para otros fines, también existen concentradores basados en tecnología de membrana de separación de nitrógeno .
Un concentrador de oxígeno toma aire y le quita nitrógeno, dejando un gas enriquecido con oxígeno para que lo utilicen las personas que requieren oxígeno médico debido a los bajos niveles de oxígeno en la sangre. [4] Los concentradores de oxígeno proporcionan una fuente económica de oxígeno en los procesos industriales, donde también se conocen como generadores de gas de oxígeno o plantas de generación de oxígeno .
Estos concentradores de oxígeno utilizan un tamiz molecular para adsorber gases y funcionan según el principio de adsorción rápida por oscilación de presión del nitrógeno atmosférico sobre minerales de zeolita a alta presión. Por lo tanto, este tipo de sistema de adsorción es funcionalmente un depurador de nitrógeno, que permite que los demás gases atmosféricos pasen a través de él, dejando el oxígeno como gas principal restante. La tecnología PSA es una técnica confiable y económica para la generación de oxígeno a pequeña y mediana escala. La separación criogénica es más adecuada para volúmenes mayores y la administración externa generalmente es más adecuada para volúmenes pequeños. [5]
A alta presión, la zeolita porosa adsorbe grandes cantidades de nitrógeno debido a su gran área superficial y sus características químicas. El concentrador de oxígeno comprime el aire y lo pasa sobre la zeolita, lo que hace que esta adsorba el nitrógeno del aire. Luego recoge el gas restante, que es principalmente oxígeno, y el nitrógeno se desorbe de la zeolita bajo la presión reducida para ser ventilado.
Un concentrador de oxígeno tiene un compresor de aire, dos cilindros llenos de gránulos de zeolita, un depósito de igualación de presión y algunas válvulas y tubos. En la primera mitad del ciclo, el primer cilindro recibe aire del compresor, lo que dura unos 3 segundos. Durante ese tiempo, la presión en el primer cilindro aumenta de la atmosférica a aproximadamente 2,5 veces la presión atmosférica normal (normalmente 20 psi/138 kPa manométricos, o 2,36 atmósferas absolutas) y la zeolita se satura con nitrógeno. A medida que el primer cilindro alcanza un nivel de oxígeno casi puro (hay pequeñas cantidades de argón, CO2 , vapor de agua, radón y otros componentes atmosféricos menores) en la primera mitad del ciclo, se abre una válvula y el gas enriquecido con oxígeno fluye al depósito de igualación de presión, que se conecta a la manguera de oxígeno del paciente. Al final de la primera mitad del ciclo, hay otro cambio de posición de la válvula para que el aire del compresor se dirija al segundo cilindro. La presión en el primer cilindro disminuye a medida que el oxígeno enriquecido se desplaza hacia el depósito, lo que permite que el nitrógeno se desorba y vuelva a convertirse en gas. A mitad de la segunda mitad del ciclo, se produce otro cambio de posición de la válvula para liberar el gas del primer cilindro de nuevo a la atmósfera ambiente, lo que evita que la concentración de oxígeno en el depósito de compensación de presión caiga por debajo del 90 %. La presión en la manguera que suministra oxígeno desde el depósito de compensación se mantiene estable mediante una válvula reductora de presión.
Las unidades más antiguas funcionaban durante un período de unos 20 segundos y suministraban hasta 5 litros por minuto de oxígeno al 90 % o más. Desde aproximadamente 1999, existen unidades capaces de suministrar hasta 10 L/min.
Los concentradores de oxígeno clásicos utilizan tamices moleculares de dos lechos; los concentradores más nuevos utilizan tamices moleculares de múltiples lechos. La ventaja de la tecnología de múltiples lechos es la mayor disponibilidad y redundancia, ya que los tamices moleculares de 10 L/min se escalonan y multiplican en varias plataformas. Con esto, se pueden producir más de 960 L/min. El tiempo de aumento gradual (el tiempo transcurrido hasta que un concentrador de múltiples lechos produce oxígeno a una concentración >90%) suele ser inferior a 2 minutos, mucho más rápido que los concentradores simples de dos lechos. Esta es una gran ventaja en emergencias móviles. La opción de llenar cilindros de oxígeno estándar (por ejemplo, 50 L a 200 bar = 10.000 L cada uno) con amplificadores de alta presión, para garantizar la conmutación automática a cilindros de reserva previamente llenos y para asegurar la cadena de suministro de oxígeno, por ejemplo, en caso de corte de energía, se da con esos sistemas.
En la separación de gases por membrana , las membranas actúan como una barrera permeable que los diferentes compuestos atraviesan a velocidades diferentes o no la cruzan en absoluto.
Las mezclas de gases se pueden separar eficazmente mediante membranas sintéticas hechas de polímeros como poliamida o acetato de celulosa , o de materiales cerámicos. [6]
Si bien las membranas poliméricas son económicas y tecnológicamente útiles, están limitadas por su rendimiento, conocido como el límite de Robeson (la permeabilidad debe sacrificarse por la selectividad y viceversa). [7] Este límite afecta el uso de membranas poliméricas para la separación de CO2 de las corrientes de gases de combustión, ya que el transporte de masa se vuelve limitante y la separación de CO2 se vuelve muy costosa debido a las bajas permeabilidades. Los materiales de membrana se han expandido al reino de la sílice , las zeolitas , los marcos metalorgánicos y las perovskitas , debido a su fuerte resistencia térmica y química, así como a su alta capacidad de ajuste (capacidad de modificarse y funcionalizarse), lo que lleva a una mayor permeabilidad y selectividad. Las membranas se pueden utilizar para separar mezclas de gases, donde actúan como una barrera permeable a través de la cual diferentes compuestos se mueven a diferentes velocidades o no se mueven en absoluto. Las membranas pueden ser nanoporosas, poliméricas, etc., y las moléculas de gas penetran según su tamaño, difusividad o solubilidad.
La separación de gases a través de una membrana es un proceso impulsado por la presión, donde la fuerza impulsora es la diferencia de presión entre la entrada de la materia prima y la salida del producto. La membrana utilizada en el proceso es una capa generalmente no porosa, por lo que no habrá una fuga grave de gas a través de la membrana. El rendimiento de la membrana depende de la permeabilidad y la selectividad. La permeabilidad se ve afectada por el tamaño del penetrante. Las moléculas de gas más grandes tienen un coeficiente de difusión menor. La flexibilidad de la cadena de polímero y el volumen libre en el polímero del material de la membrana influyen en el coeficiente de difusión, ya que el espacio dentro de la membrana permeable debe ser lo suficientemente grande para que las moléculas de gas se difundan a través de ella. La solubilidad se expresa como la relación entre la concentración del gas en el polímero y la presión del gas en contacto con él. La permeabilidad es la capacidad de la membrana para permitir que el gas permeable se difunda a través del material de la membrana como consecuencia de la diferencia de presión sobre la membrana, y se puede medir en términos de la velocidad de flujo del permeado, el espesor y el área de la membrana y la diferencia de presión a través de la membrana. La selectividad de una membrana es una medida de la relación de permeabilidad de los gases relevantes para la membrana. Puede calcularse como la relación de permeabilidad de dos gases en separación binaria. [3]
El equipo de separación de gases por membrana normalmente bombea gas al módulo de membrana y los gases seleccionados se separan en función de la diferencia de difusividad y solubilidad. Por ejemplo, el oxígeno se separará del aire ambiente y se recogerá en el lado de aguas arriba y el nitrógeno en el lado de aguas abajo. En 2016, se informó que la tecnología de membrana era capaz de producir de 10 a 25 toneladas de oxígeno al 25 a 40 % por día. [3]
Los concentradores de oxígeno médico se utilizan en hospitales o en el hogar para concentrar el oxígeno para los pacientes. [8] Los generadores de PSA proporcionan una fuente de oxígeno rentable . Son una alternativa más segura, [9] menos costosa, [10] y más conveniente que los tanques de oxígeno criogénico o los cilindros presurizados. Se pueden utilizar en varias industrias, incluidas la producción médica, farmacéutica, el tratamiento de agua y la fabricación de vidrio.
Los generadores de PSA son particularmente útiles en partes remotas o inaccesibles del mundo o en instalaciones médicas móviles ( hospitales militares , instalaciones para desastres). [11] [12]
Desde principios de la década de 2000, muchas empresas han producido concentradores de oxígeno portátiles. [13] Por lo general, estos dispositivos producen el equivalente a uno a cinco litros por minuto de flujo de oxígeno continuo y utilizan alguna versión de flujo de pulso o "flujo a demanda" para suministrar oxígeno solo cuando el paciente está inhalando. [14] También pueden proporcionar pulsos de oxígeno para proporcionar flujos intermitentes más altos o para reducir el consumo de energía.
La investigación sobre la concentración de oxígeno está en curso y las técnicas modernas sugieren que la cantidad de adsorbente requerida por los concentradores de oxígeno médico se puede potencialmente "reducir en un factor de tres, ofreciendo al mismo tiempo una recuperación de oxígeno entre un 10 y un 20 % mayor en comparación con una unidad comercial típica". [15]
La FAA ha aprobado el uso de concentradores de oxígeno portátiles en aerolíneas comerciales. [16] Sin embargo, los usuarios de estos dispositivos deben verificar con anticipación si una marca o modelo en particular está permitido en una aerolínea en particular. [17] A diferencia de las aerolíneas comerciales, los usuarios de aeronaves sin presurización de cabina necesitan concentradores de oxígeno que puedan suministrar suficiente caudal incluso a grandes altitudes.
Por lo general, los concentradores de oxígeno "a demanda" o de flujo pulsátil no se utilizan mientras los pacientes duermen. Ha habido problemas con los concentradores de oxígeno que no pueden detectar cuándo el paciente dormido está inhalando. Algunos concentradores de oxígeno portátiles más grandes están diseñados para funcionar en un modo de flujo continuo además del modo de flujo pulsátil. El modo de flujo continuo se considera seguro para el uso nocturno cuando se combina con una máquina CPAP .
Se pueden fabricar concentradores de oxígeno médico reutilizados o concentradores de oxígeno industriales especializados para operar pequeños sopletes de corte, soldadura y trabajo con lámparas de oxiacetileno u otro gas combustible . [18]
El oxígeno es muy necesario para la oxidación de diferentes sustancias químicas con fines industriales. Anteriormente, estas industrias compraban cilindros de oxígeno en grandes cantidades para satisfacer sus necesidades, pero era muy caro y no siempre había cilindros de oxígeno disponibles en el mercado.
En este proceso, se necesita oxígeno para blanquear la pulpa de papel mediante el proceso de oxidación, que permite blanquear el papel. Además, la lignina presente en la madera se elimina mediante el proceso de deslignificación, que también necesita oxígeno.
Se necesitan hornos enormes para fundir las materias primas que se combinan para formar el vidrio. El oxígeno enciende el fuego del horno para quemar a una temperatura más alta, necesaria para la producción de vidrio.
El oxígeno es necesario para la oxidación de diferentes productos químicos y la formación de las sustancias químicas deseadas. Los productos químicos de desecho se queman y destruyen en la incineradora con la ayuda del oxígeno, por lo que es esencial el suministro continuo de una gran cantidad de oxígeno, lo que solo es posible con un generador de oxígeno PSA.
Tanto en situaciones clínicas como de atención de emergencia, los concentradores de oxígeno tienen la ventaja de no ser tan peligrosos como los cilindros de oxígeno , que, si se rompen o tienen fugas, pueden aumentar considerablemente la tasa de combustión del fuego. Por ello, los concentradores de oxígeno son especialmente ventajosos en situaciones militares o de desastre , donde los tanques de oxígeno pueden ser peligrosos o inviables.
Los concentradores de oxígeno se consideran lo suficientemente infalibles como para ser suministrados a pacientes individuales como un artículo de prescripción para su uso en sus hogares. Por lo general, se utilizan como complemento al tratamiento con CPAP de la apnea del sueño grave . También existen otros usos médicos para los concentradores de oxígeno, incluida la EPOC y otras enfermedades respiratorias.
Las personas que dependen de concentradores de oxígeno para el cuidado en el hogar pueden sufrir emergencias que pongan en peligro su vida si falla la electricidad durante un desastre natural . [19]
Los procesos industriales pueden utilizar presiones y caudales mucho más elevados que las unidades médicas. Para satisfacer esa necesidad, Air Products ha desarrollado otro proceso, denominado adsorción por oscilación de vacío (VSA, por sus siglas en inglés) . Este proceso utiliza un único soplador de baja presión y una válvula que invierte el flujo a través del soplador para que la fase de regeneración se produzca al vacío. Los generadores que utilizan este proceso se están comercializando para la industria de la acuicultura . Los concentradores de oxígeno industriales suelen estar disponibles en una gama mucho más amplia de capacidades que los concentradores médicos.
En las industrias del oxígeno y el ozono, los concentradores de oxígeno industriales se denominan a veces generadores de oxígeno para distinguirlos de los concentradores de oxígeno médicos . La distinción se utiliza en un intento de aclarar que los concentradores de oxígeno industriales no son dispositivos médicos aprobados por la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) y no son adecuados para su uso como concentradores médicos de cabecera. Sin embargo, la aplicación de la nomenclatura de generador de oxígeno puede generar confusión. El término generador de oxígeno es un nombre inapropiado, ya que el oxígeno no se genera como ocurre con un generador de oxígeno químico , sino que se concentra a partir del aire.
Los concentradores de oxígeno no médicos se pueden utilizar como gas de alimentación para un sistema de oxígeno médico, como el sistema de oxígeno de un hospital, aunque se requiere aprobación gubernamental, como la de la FDA, y generalmente se requiere filtrado adicional.
La pandemia de COVID-19 aumentó la demanda de concentradores de oxígeno. Durante la pandemia se desarrollaron concentradores de oxígeno de código abierto , fabricados localmente (con precios inferiores a los de los productos importados) y se utilizaron, especialmente durante una ola de la pandemia de COVID-19 en la India . [20] [21]