در این مقاله بررسی کوتاهی در مورد دستگاه های اکسیژن ساز پرتابل صورت می گیرد. پیش از آنکه به بررسی روش های مختلف تولید اکسیژن بپردازیم نگاهی به اثرات فیزیولوزیک این گاز حیات بخش خواهیم داشت.

اکسیژن چیست ؟
اکسیژن گازی است بی رنگ، بی بو و بدون طعم که عنصری حیاتی برای بقاء بشر تلقی می شود و نقش مهمی در ادامه حیات و توسعه سلامتی بشر ایفا می کند. برای تبدیل اکسیژن به مایع و حمل و نقل آن دو روش و جود دارد. روش اول افزایش فشار اکسیژن و روش دوم کاهش دمای اکسیژن است. اکسیژن در فشار بالا (Psig 2000 Bar =138 یا بیشتر) در سیلندرهایی به حجم های از یک لیتر تا 60 لیتر حمل و نقل می شود. همچنین در فشار زیر Psig200 و در دمای زیر 147- درجه سانتیگراد به صورت مایع کرایوجنیک در تانکرهای مخصوص قابل نگهداری و حمل و نقل است.
اثرات فیزیولوژیک اکسیژن
علی رغم اینکه استنشاق اکسیژن با خلوص بالا برای مدتی کوتاه، به جز برخی موارد خاص، مضر گزارش نشده، با این حال نوزادان نارس با استنشاق اکسیژن در خلوص بالا، به عوارض چشمی دچار می شوند و اکسیژن تراپی آنان باید کاملا کنترل شده باشد. مصرف اکسیژن کاملا ‌خالص در فشار اتمسفریک، پس از 24 ساعت برای افراد سالم تحریک ریوی وPulmonary edema را موجب می شود. هرگاه لازم شد که اکسیژن درمانی صورت گیرد باید در خلوصی که مشکلات فیزیولوژیک را ایجاد نمی کند، انجام پذیرد و تا زمانی که لازم است انجام شود. به طور کلی در شرایط مختلف از خلوص مختلف اکسیژن استفاده می شود و تمامی طیف 100% تا 21% را شامل می شود.

روش های تولید اکسیژن

عمده منابع اکسیژن در دسترس  آب  و  هوا  هستند لذا رایج ترین روش های تولید اکسیژن، روش های جداسازی اکسیژن از آب و جداسازی اکسیژن از هوا هستند.

شکل1)شمای الکترولیز آب


روش جداسازی اکسیژن از آب
جداسازی اکسیژن از آب از طریق الکترولیز آب انجام می شود که این روش با توجه به نسبت اتمی هیدروژن به اکسیژن در آب، غالبا به منظور تولید هیدروژن یا اصلاح خواص مواد و مصارف سوخت استفاده می شود. یکی از معمول ترین روش های موجود در ایران تولید هیدروژن جهت هیدراته کردن روغن نباتی بوده که به روش الکترولیز از آب هیدروژن را بدین منظور استخراج کرده و اکسیژن را به عنوان محصول جانبی به فروش می رسانند. اکسیژن تولیدی داخل کپسول هایی ذخیره می شود و جهت استفاده مصرف کنندگان حمل می شود. این روش، به روش کپسولی معروف شده است. این کپسول ها در محل بیمارستان تحویل داده شده و در بیمارستان به صورت سانترال یا پرتابل استفاده می شوند. اکسیژن در کپسول ها تحت فشار بالا در فاز مایع قرار دارد. در شکل 1، یک نمونه از دستگاه الکترولیز آب آورده شده است.

شکل2)فرایند کرایوجنیک

 

 


مزایای روش الکترولیز
مزیت این سیستم از منظر تولید این است که تولید اکسیژن به این روش نیاز به تمهیدات خاصی ندارد. هزینه اولیه تولید به این روش در مقایسه با سایر روش هایی که به منظور تولید میزان بالای اکسیژن مطرح هسنتند کمتر است. در ضمن از تکنولوژی ساده ای برخوردار است. اکسیژن تولیدی تحت فشار حدود  bar 150 در کپسول ذخیره شده و برای مصرف کننده ارسال می شود. خلوص اکسیژن به این روش بالای 99% است. برای استفاده از این اکسیژن از مانومترهای مناسب مصرف جهت افت دادن فشار گاز تا مقدار مورد نظر استفاده می شود. بدیهی است که استفاده از اکسیژن خشک جهت تنفس مناسب نیست و باید اکسیژن را مرطوب کرد. جهت مرطوب کردن اکسیژن از مرطوب کننده هایی که برای این کاربرد طراحی شده است استفاده می شود. معمولا برای استفاده از گاز باید فلوی مشخصی را تنظیم کرد. از آنجا که مرطوب کننده و فلومتر به صورت یکپارچه طراحی شده اند به کل این مجموعه فلومتر اطلاق می شود.
روش جداسازی اکسیژن از هوا
هوا از دو بخش عمده اکسیژن و نیتروژن تشکیل شده است با جداسازی نیتروژن از هوا می توان اکسیژن تولید کرد. روش های جداسازی اکسیژن از هوا به دو روش کلی تقسیم می شود.
1) روش LINDE
در این روش حجم عظیمی از هوا توسط کمپرسورهای قوی، تحت فشار از طریق Air Intake یا به وسیله واحد ابزار دقیق به داخل پکیج وارد می شود و در این مرحله بخار آب، هیدروکربن ها و دی اکسید کربن از هوا جدا می شوند و پس از جداسازی به روش تقطیر به پکیج سرد کننده وارد می شود و در این پکیج با پایین آوردن دما تا 196- درجه سانتیگراد اکسیژن را به صورت مایع تولید می کنند. در این روش تولید حجم عظیم اکسیژن و سایر گازهای موجود در هوا کاربرد دارد. در این روش مایع سازی اکسیژن توسط سرد کردن صورت می گیرد لذا فشار در منابع اکسیژن در این روش خیلی کمتر از روش حمل و نقل اکسیژن بروش کپسول های معمولی است. (روشی که در بالا به آن اشاره شد). مقادیر اکسیژن مایع تولیدی ذخیره شده، توسط ناوگان حمل و نقل، برای مصرف کنندگان ارسال می شود. تفاوت اساسی این سیستم نسبت به سیستم کپسولی جدا از روش تولید آن ذخیره سازی اکسیژن مایع تحت فشاری پایین تر نسبت به روش الکترولیز در یک منبع واحد است.
روش استفاده از این محصول بدین صورت است که در محل مصرف کننده ،مخزنی با ظرفیت مناسب برای مصرف چند ماه تعبیه می شود. اکسیژن توسط کانتینر به محل مصرف حمل شده و در این مخزن تزریق می شود. اکسیژن تزریق شده پس از گذر از وپورایزر و شیرها و رگولاتورهای مخصوص از طریق سیستم لوله کشی سانترال به مصرف می رسد.

2) روش جداسازی اکسیژن از هوا به وسیله گرانول
در این روش، از خاصیت جذب متقابل یا polarity گرانول خاصی به نام زئولیت ( یک نوع Molecular Sieve ویژه ای از آلومینوسیلیکات تغییر شکل یافته است) استفاده می شود. تجسم ساده این گرانول به لحاظ میکروسکوپی، مانند کره ای است که در آن حفره هایی میکرونی ایجاد شده است. براثر دمیده شدن هوا با فشار بر روی این ماده، مولکول های اکسیژن به لحاظ دارا بودن قطر مولکولی کمتر نسبت به نیتروژن از آن حفره ها عبور کرده و ازت در اثر فشار موجود و خاصیت جذب انتخابی زئولیت به آن می چسبد و بدینوسیله اکسیژن از هوا جدا می شود. زئولیت آب دوست بوده و در صورت قرار گرفتن در مجاورت رطوبت یا روغن خاصیت مکانیکی خود را از دست داده و در اثر نوسانات فشار تخریب خواهد شد، بنابراین درایر پس از کمپرسوری که هوای مورد نیاز اکسیزن ساز را فراهم می آورد و همچنین وجود فیلترهای مناسب برای گرفتن بخار روغن (در صورت استفاده از کمپرسور Oil inject) و فیلترهای ذره گیر لازم است.
در این روش از دو مخزن آکنده از Molecular Sieve (زئولیت) استفاده می شود که هوا تحت فشار به آن تزریق می شود. بر حسب مقدار حجم زئولیت و فشار و دبی هوای تزریقی و دبی مورد نیاز اکسیژن، زئولیت از نیتروژن اشباع شده و باید نیتـروژن از آن خـارج شود که عمل جداسـازی نیتروژن از زئولیت را احیـای زئولیـت می گویند. در مدت زمانی که زئولیت مخزن اول احیا می شود زئولیت مخزن دوم عمل جداسازی اکسیژن از هوا را انجام می دهد.
این روش تولید اکسیژن بر اساس نحوه تزریق هوا و احیای زئولیت به سه دسته تقسیم می شود.
VSA : Vacuum - Swing - adsorption
PVSA : Pressure – Vacuum - Swing - adsorption
PSA : Pressure - Swing – adsorption
شایان ذکر است که عموماً روش تولید اکسیژن از طریق جداسازی اکسیژن از هوا معادل PSA عنوان می شود و  با توجه به میزان اکسیژن مصرفی مراکز درمانی، عملا سیستم مطرح PSA است.
روش عملکرد این سیستم بدین گونه است که ابتدا هوا به داخل مخزن A  تزریق شده و اکسیژن از آن جدا می شود پس از اینکه مخزن A از نیتروژن اشباع شد، هوا به مخزن B تزریق می شود و بخشی از اکسیژن تولیدی مخزن B به مخزن A تزریق می شود تا نیتروژن آن تحت فشار اکسیژن تزریقی تخلیه شود و این عمل مجددا تکرار می شود. در واقع فرایند تولید اکسیژن طی سیکل چهار مرحله ای زیر انجام می پذیرد.
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


ماکزیمم خلوصی که این سیستم در شرایط تئوری قادر به ارائه آن است برابر با 96% است که در عمل در بهترین شرایط خلوص بیش از 95% را ارائه نمی دهد.
در این روش می توان با سیستمی دقیقا مشابه آنچه که بیان شد علاوه بر این سیستم، سیستم مشابه دیگر برای افزایش خلوص اکسیژن تولیدی از 95% به 99% ولی با Molecular Sieve Carbon استفاده کرد . کیفیت اکسیژن تولیدی از لحاظ مدیکال به نوع کمپرسور سیستم و چگونگی فیلترینگ بر می گردد.
اصول کارکرد اکسیژن ساز پرتابل بر مبنای روش PSA است. از آنجاکه در این تحقیق  بر آنیم تا نگرش اجمالی بر چگونگی تولید اکسیژن در این سیستم ها داشته بـاشیم در ادامه به طور مختصر نگاهی اجمالی به سیستم تولید اکسیژن در این دستکاه ها می اندازیم.

شکل3)تصویر شماتیک از نحوه کار سیستمPSAدر اکسیژن ساز پرتابل

 

 

 

 

شکل4)تصویر شماتیک از نحوه کار سیستمPSA


اصول کارکرد اکسیژن ساز پرتابل
در اکسیژن ساز پرتابل از روش PSA استفاده می شود. شکل" 5 " شمایی از این سیستم را نشان می دهد. در شکل هوای محیط پس از عبور از فیلتر توسط کمپرسور شماره 114مکیده می شود، طراحی به گونه ای صورت می گیرد که صدای مکش هوا را به حد اقل ممکن برسد مخزن 22 جهت گرفتن نوسانات خروجی کمپرسور و یکنواخت سازی جریان هوا استفاده شده است. بلوک شماره 24 نشانگر درایر سیستم که در واقع یک مبدل حرارتی است، است. درایر دارای اجزاء زیر 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 درایر وارد قسمت تولید کننده اکسیژن می شود که از دو ستون زئولیت تشکیل شده است(شماره 30 و 32) که شیر برقی شماره 40 و 42 وظیفه تزریق هوا را به درون سلول های 30 و 32 را به عهده دارند.
در داخل ستون 30 و 32 ستون های زئولیت به جدا کردن نیتروژن از هوا می پردازند. این ماده در رده گرانول ها دسته بندی شده و خاصیت جذب انتخابی دارد. که به صورت فیزیکی و با استفاده از تفاوت قطر ملکولی جداسازی صورت می گیرد.
زئولیت مورد استفاده در این دستگاه ها می تواند شرایط سمی داشته باشد. روش تولید به صورت الاکلنگی است یعنی یک بار ستون 30 فعال است و یک بار ستون 32 .جهت خروج اکسیژن تولید شده در هر ستون یکسان است که خروجی آنها با b30 وb 32 نشان داده شده. چک ولو 34 و 36 جهت هدایت اکسیژن تولیدی به منیفولد شماره 48 تعبیه شده اند .بلوک کنترل گاز تولیدی با شماره 60 نشان داده شده، این بخش شامل مخزن (62) است که جهت جمع آوری اکسیژن تولیدی است که احتمال آلوده شدن آن با زئولیت سمی وجود دارد. لذا برای کاربرد پزشکی اکسیژن تولیدی لزوم فیلتر باکتریال حتمی است که با شماره 66 نشان داده شده است. برای کنترل فشار خروجی و یکنواختی فشار اکسیژن تحویلی به بیمار یک رگولاتور از نوع پیستونی در خط نصب گردیده که با شماره 64 نشان داده شده است.
بلوک شماره 70 سیستم کنترلی، نظارتی بخش تحویل اکسیژن است که شامل قسمت ترانسدیوسر پالس دوز Pulse Dose جهت فیدبک گیری برد کنترلی دستگاه است که با شماره 72 نشان داده شده است. این بخش شامل شیر سلونوئید جهت کنترل فلوی خروجی (74) و یک سنسور فشار پایین (76) است.
بالانس کردن گاز تولیـدی از هریک از ستـون های زئـولیت توسط تنظیم زمانی تزریق هـوا به بر یک از این ستون ها صورت می گیرد که این کار توسط نموته گیری از منفذ شماره 50 انجام می شود. تنظیم بهینه و یکسان سازی این زمان توسط شیر شماره 52 انجام می شود. شماره 53 نشان دهنده محدود کننده دبی جریان اکسیژن بین خروجی های دو ستون زئولیت ( 30 و 32) است که جریان گاز را در هنگام احیاء زئولیت محدود می سازد. (این قسمت جزو option های دستگاه است). شیرهای شماره 46 و 44 در زمان احیاء جهت خروج نیتروژن از ستون زئولیت ها عمل می کنند. از آنجا که خروج گاز تحت فشار توام با صدا است در مسیر خروج باید یک صداگیر نصب شود که این قسمت با شماره 48 نشان داده شده است.
درهنگام خرید اکسیژن ساز پرتابل باید توجه داشت که مقدار فلوی تولیدی دستگاه در خلوص ثابت 95% و میزان فشار خروجی بر قیمت دستگاه تاثیر گذارند بدین معنا که دستگاهی که دارای فشار خروجی حدود فشار اتمسفر است و دارای دو خروجی است نسبت به دستگاه مشابه ولی با یک خروجی از قیمت بالاتری برخوردار است. همچنین دو دستگاه با فلوی خروجی یکسان ،دستگاهی که از فشار خروجی بالاتری برخوردار است قیمت بالاتری خواهد داشت.