پزشکی بالینی

توليد اکسيژن در اکسيژن سازهاي پرتابل

در اين مقاله بررسی کوتاهی در مورد دستگاه های اکسيژن ساز پرتابل صورت می گيرد. پيش از آنکه به بررسی روش های مختلف توليد اكسيژن بپردازيم نگاهی به اثرات فيزيولوزيک اين گاز حيات بخش خواهيم داشت.

اكسيژن چيست ؟
اكسيژن گازي است بي رنگ، بي بو و بدون طعم كه عنصري حياتي براي بقاء بشر تلقي مي شود و نقش مهمي در ادامه حيات و توسعه سلامتي بشر ايفا مي کند. برای تبديل اکسيژن به مايع و حمل و نقل آن دو روش و جود دارد. روش اول افزايش فشار اکسيژن و روش دوم کاهش دمای اکسيژن است. اكسيژن در فشار بالا (Psig 2000 Bar =138 يا بيشتر) در سيلندرهايي به حجم هاي از يك ليتر تا 60 ليتر حمل و نقل مي شود. همچنين در فشار زير Psig200 و در دماي زير 147- درجه سانتيگراد به صورت مايع كرايوجنيك در تانكرهاي مخصوص قابل نگهداري و حمل و نقل است.
اثرات فيزيولوژيك اكسيژن
علي رغم اينكه استنشاق اكسيژن با خلوص بالا براي مدتي كوتاه، به جز برخي موارد خاص، مضر گزارش نشده، با اين حال نوزادان نارس با استنشاق اكسيژن در خلوص بالا، به عوارض چشمي دچار مي شوند و اكسيژن تراپي آنان بايد كاملا كنترل شده باشد. مصرف اكسيژن كاملا ‌خالص در فشار اتمسفريك، پس از 24 ساعت براي افراد سالم تحريك ريوي وPulmonary edema را موجب مي شود. هرگاه لازم شد كه اكسيژن درماني صورت گيرد بايد در خلوصي كه مشكلات فيزيولوژيك را ايجاد نمي كند، انجام پذيرد و تا زماني كه لازم است انجام شود. به طور کلی در شرايط مختلف از خلوص مختلف اکسيژن استفاده می شود و تمامی طيف 100% تا 21% را شامل می شود.

روش هاي توليد اكسيژن

عمده منابع اكسيژن در دسترس  آب  و  هوا  هستند لذا رايج ترين روش هاي توليد اكسيژن، روش هاي جداسازي اكسيژن از آب و جداسازي اكسيژن از هوا هستند.

شکل1)شماي الکتروليز آب

روش جداسازي اكسيژن از آب
جداسازي اكسيژن از آب از طريق الكتروليز آب انجام مي شود كه اين روش با توجه به نسبت اتمي هيدروژن به اكسيژن در آب، غالبا به منظور توليد هيدروژن يا اصلاح خواص مواد و مصارف سوخت استفاده مي شود. يکی از معمول ترين روش های موجود در ايران توليد هيدروژن جهت هيدراته کردن روغن نباتی بوده که به روش الکتروليز از آب هيدروژن را بدين منظور استخراج کرده و اکسيژن را به عنوان محصول جانبی به فروش می رسانند. اکسيژن توليدی داخل کپسول هايی ذخيره می شود و جهت استفاده مصرف کنندگان حمل می شود. اين روش، به روش کپسولی معروف شده است. اين کپسول ها در محل بيمارستان تحويل داده شده و در بيمارستان به صورت سانترال يا پرتابل استفاده می شوند. اکسيژن در کپسول ها تحت فشار بالا در فاز مايع قرار دارد. در شكل 1، يك نمونه از دستگاه الكتروليز آب آورده شده است.

شکل2)فرايند کرايوجنيک

مزايای روش الکتروليز
مزيت اين سيستم از منظر توليد اين است که توليد اکسيژن به اين روش نياز به تمهيدات خاصی ندارد. هزينه اوليه توليد به اين روش در مقايسه با ساير روش هايی که به منظور توليد ميزان بالای اکسيژن مطرح هسنتند کمتر است. در ضمن از تکنولوژی ساده ای برخوردار است. اکسيژن توليدی تحت فشار حدود  bar 150 در کپسول ذخيره شده و برای مصرف کننده ارسال می شود. خلوص اکسيژن به اين روش بالای 99% است. برای استفاده از اين اکسيژن از مانومترهای مناسب مصرف جهت افت دادن فشار گاز تا مقدار مورد نظر استفاده می شود. بديهی است که استفاده از اکسيژن خشک جهت تنفس مناسب نیست و باید اکسيژن را مرطوب کرد. جهت مرطوب کردن اکسيژن از مرطوب کننده هايی که برای اين کاربرد طراحی شده است استفاده می شود. معمولا برای استفاده از گاز باید فلوی مشخصی را تنظيم کرد. از آنجا که مرطوب کننده و فلومتر به صورت يکپارچه طراحی شده اند به کل اين مجموعه فلومتر اطلاق می شود.
روش جداسازي اكسيژن از هوا
هوا از دو بخش عمده اكسيژن و نيتروژن تشكيل شده است با جداسازي نيتروژن از هوا مي توان اكسيژن توليد كرد. روش های جداسازي اكسيژن از هوا به دو روش كلي تقسيم مي شود.
1) روش LINDE
در اين روش حجم عظيمي از هوا توسط كمپرسورهاي قوي، تحت فشار از طريق Air Intake يا به وسيله واحد ابزار دقيق به داخل پکيج وارد می شود و در اين مرحله بخار آب، هيدروکربن ها و دی اکسيد کربن از هوا جدا می شوند و پس از جداسازی به روش تقطير به پکيج سرد کننده وارد می شود و در اين پکيج با پايين آوردن دما تا 196- درجه سانتيگراد اکسيژن را به صورت مايع توليد می کنند. در اين روش توليد حجم عظيم اكسيژن و ساير گازهای موجود در هوا كاربرد دارد. در اين روش مايع سازی اکسيژن توسط سرد کردن صورت می گيرد لذا فشار در منابع اکسيژن در اين روش خيلی کمتر از روش حمل و نقل اکسيژن بروش کپسول های معمولی است. (روشی که در بالا به آن اشاره شد). مقادير اكسيژن مايع توليدی ذخيره شده، توسط ناوگان حمل و نقل، براي مصرف كنندگان ارسال مي شود. تفاوت اساسی اين سيستم نسبت به سيستم كپسولي جدا از روش توليد آن ذخيره سازي اكسيژن مايع تحت فشاري پايين تر نسبت به روش الکتروليز در يك منبع واحد است.
روش استفاده از اين محصول بدين صورت است که در محل مصرف کننده ،مخزنی با ظرفيت مناسب برای مصرف چند ماه تعبيه می شود. اکسيژن توسط کانتينر به محل مصرف حمل شده و در اين مخزن تزريق می شود. اکسيژن تزريق شده پس از گذر از وپورايزر و شيرها و رگولاتورهای مخصوص از طريق سيستم لوله کشی سانترال به مصرف می رسد.

2) روش جداسازي اكسيژن از هوا به وسيله گرانول
در اين روش، از خاصيت جذب متقابل يا polarity گرانول خاصي به نام زئوليت ( يك نوع Molecular Sieve ويژه اي از آلومينوسيليكات تغيير شكل يافته است) استفاده مي شود. تجسم ساده اين گرانول به لحاظ ميكروسكوپي، مانند كره اي است كه در آن حفره هايي ميكروني ايجاد شده است. براثر دميده شدن هوا با فشار بر روي اين ماده، مولكول هاي اكسيژن به لحاظ دارا بودن قطر مولكولي كمتر نسبت به نيتروژن از آن حفره ها عبور کرده و ازت در اثر فشار موجود و خاصيت جذب انتخابی زئوليت به آن مي چسبد و بدينوسيله اكسيژن از هوا جدا مي شود. زئوليت آب دوست بوده و در صورت قرار گرفتن در مجاورت رطوبت يا روغن خاصيت مکانيکی خود را از دست داده و در اثر نوسانات فشار تخريب خواهد شد، بنابراين دراير پس از کمپرسوری که هوای مورد نياز اکسيزن ساز را فراهم می آورد و همچنين وجود فيلترهای مناسب برای گرفتن بخار روغن (در صورت استفاده از کمپرسور Oil inject) و فيلترهای ذره گير لازم است.
در اين روش از دو مخزن آكنده از Molecular Sieve (زئوليت) استفاده مي شود كه هوا تحت فشار به آن تزريق مي شود. بر حسب مقدار حجم زئوليت و فشار و دبي هواي تزريقي و دبي مورد نياز اكسيژن، زئوليت از نيتروژن اشباع شده و باید نيتـروژن از آن خـارج شود كه عمل جداسـازي نيتروژن از زئوليت را احيـاي زئوليـت مي گويند. در مدت زماني كه زئوليت مخزن اول احيا مي شود زئوليت مخزن دوم عمل جداسازي اكسيژن از هوا را انجام مي دهد.
اين روش توليد اكسيژن بر اساس نحوه تزريق هوا و احياي زئوليت به سه دسته تقسيم مي شود.
VSA : Vacuum - Swing - adsorption
PVSA : Pressure – Vacuum - Swing - adsorption
PSA : Pressure - Swing – adsorption
شايان ذكر است كه عموماً روش توليد اكسيژن از طريق جداسازي اكسيژن از هوا معادل PSA عنوان مي شود و  با توجه به ميزان اكسيژن مصرفي مراكز درماني، عملا سيستم مطرح PSA است.
روش عملكرد اين سيستم بدين گونه است كه ابتدا هوا به داخل مخزن A  تزريق شده و اكسيژن از آن جدا مي شود پس از اينكه مخزن A از نيتروژن اشباع شد، هوا به مخزن B تزريق مي شود و بخشي از اكسيژن توليدي مخزن B به مخزن A تزريق مي شود تا نيتروژن آن تحت فشار اكسيژن تزريقي تخليه شود و اين عمل مجددا تكرار مي شود. در واقع فرايند توليد اكسيژن طي سيكل چهار مرحله اي زير انجام مي پذيرد.
N2 gas is adsorbed and
Cycle  1
O2 gas is produced in Bed A

Cycle 2   Air flow turn to Bed B

N2 of Bed A is desorbed and a little of
Cycle 3  
O2 gases in Bed B refreshed Bed A

When Bed B is saturated with
Cycle 4
Air flow turn to Bed A

* Cycle 1 ~ 4 repeats continuously

ماکزيمم خلوصی که اين سيستم در شرايط تئوری قادر به ارائه آن است برابر با 96% است که در عمل در بهترين شرايط خلوص بيش از 95% را ارائه نمی دهد.
در اين روش مي توان با سيستمی دقيقا مشابه آنچه که بيان شد علاوه بر اين سيستم، سيستم مشابه ديگر برای افزايش خلوص اکسيژن توليدی از 95% به 99% ولی با Molecular Sieve Carbon استفاده کرد . کيفيت اکسيژن توليدی از لحاظ مديکال به نوع کمپرسور سيستم و چگونگی فيلترينگ بر می گردد.
اصول کارکرد اکسيژن ساز پرتابل بر مبنای روش PSA است. از آنجاکه در اين تحقیق  بر آنيم تا نگرش اجمالی بر چگونگی توليد اکسيژن در اين سيستم ها داشته بـاشيم در ادامه به طور مختصر نگاهی اجمالی به سيستم توليد اکسيژن در اين دستکاه ها می اندازيم.

شکل3)تصوير شماتيک از نحوه کار سيستمPSAدر اکسيژن ساز پرتابل

شکل4)تصوير شماتيک از نحوه کار سيستمPSA

اصول کارکرد اکسيژن ساز پرتابل
در اکسيژن ساز پرتابل از روش PSA استفاده می شود. شکل" 5 " شمايی از اين سيستم را نشان می دهد. در شکل هوای محيط پس از عبور از فيلتر توسط کمپرسور شماره 114مکيده می شود، طراحی به گونه ای صورت می گيرد که صدای مکش هوا را به حد اقل ممکن برسد مخزن 22 جهت گرفتن نوسانات خروجی کمپرسور و يکنواخت سازی جريان هوا استفاده شده است. بلوک شماره 24 نشانگر دراير سيستم که در واقع يک مبدل حرارتی است، است. دراير دارای اجزاء زير است:
• -کمپرسور (شماره 24) در شکل ورودی با شماره c24 نشان داده شده است بخش خروجی کمپرسور با شماره d24 نشان داده شده است
• -قسمت مبدل حرارتی که با شماره b24 نشان داده شده است.
هوا پس از گذر از دراير وارد قسمت توليد کننده اکسيژن می شود که از دو ستون زئوليت تشکيل شده است(شماره 30 و 32) که شير برقی شماره 40 و 42 وظيفه تزريق هوا را به درون سلول های 30 و 32 را به عهده دارند.
در داخل ستون 30 و 32 ستون های زئوليت به جدا کردن نيتروژن از هوا می پردازند. اين ماده در رده گرانول ها دسته بندی شده و خاصيت جذب انتخابی دارد. که به صورت فيزيکی و با استفاده از تفاوت قطر ملکولی جداسازی صورت می گيرد.
زئوليت مورد استفاده در اين دستگاه ها می تواند شرايط سمی داشته باشد. روش توليد به صورت الاکلنگی است يعنی يک بار ستون 30 فعال است و يک بار ستون 32 .جهت خروج اکسيژن توليد شده در هر ستون يکسان است که خروجی آنها با b30 وb 32 نشان داده شده. چک ولو 34 و 36 جهت هدايت اکسيژن توليدی به منيفولد شماره 48 تعبيه شده اند .بلوک کنترل گاز توليدی با شماره 60 نشان داده شده، اين بخش شامل مخزن (62) است که جهت جمع آوری اکسيژن توليدی است که احتمال آلوده شدن آن با زئوليت سمی وجود دارد. لذا برای کاربرد پزشکی اکسيژن توليدی لزوم فيلتر باکتريال حتمی است که با شماره 66 نشان داده شده است. برای کنترل فشار خروجی و يکنواختی فشار اکسيژن تحويلی به بيمار يک رگولاتور از نوع پيستونی در خط نصب گرديده که با شماره 64 نشان داده شده است.
بلوک شماره 70 سيستم کنترلی، نظارتی بخش تحويل اکسيژن است که شامل قسمت ترانسديوسر پالس دوز Pulse Dose جهت فيدبک گيری برد کنترلی دستگاه است که با شماره 72 نشان داده شده است. اين بخش شامل شير سلونوئيد جهت کنترل فلوی خروجی (74) و يک سنسور فشار پايين (76) است.
بالانس کردن گاز توليـدی از هريک از ستـون های زئـوليت توسط تنظيم زمانی تزريق هـوا به بر يک از اين ستون ها صورت می گيرد که اين کار توسط نموته گيری از منفذ شماره 50 انجام می شود. تنظيم بهينه و يکسان سازی اين زمان توسط شير شماره 52 انجام مي شود. شماره 53 نشان دهنده محدود کننده دبی جريان اکسيژن بين خروجي های دو ستون زئوليت ( 30 و 32) است که جريان گاز را در هنگام احياء زئوليت محدود می سازد. (اين قسمت جزو option های دستگاه است). شيرهای شماره 46 و 44 در زمان احياء جهت خروج نيتروژن از ستون زئوليت ها عمل می کنند. از آنجا که خروج گاز تحت فشار توام با صدا است در مسير خروج باید يک صداگير نصب شود که اين قسمت با شماره 48 نشان داده شده است.
درهنگام خريد اکسيژن ساز پرتابل بايد توجه داشت که مقدار فلوی توليدی دستگاه در خلوص ثابت 95% و ميزان فشار خروجی بر قيمت دستگاه تاثير گذارند بدين معنا که دستگاهی که دارای فشار خروجی حدود فشار اتمسفر است و دارای دو خروجی است نسبت به دستگاه مشابه ولی با يک خروجی از قيمت بالاتری برخوردار است. همچنين دو دستگاه با فلوی خروجی يکسان ،دستگاهی که از فشار خروجی بالاتری برخوردار است قيمت بالاتری خواهد داشت.

منبع: نشریه مهندسی پزشکی شماره ۸۸