Hoe kan zoiets als zuurstof schaars zijn?

Scheikunde Uit India en Zuid-Amerika komen verontrustende berichten over het opraken van medicinale zuurstof voor Covid-patiënten. Hoe kan die zuurstof opraken, terwijl er in de lucht zoveel voorhanden is? ‘Een tekort aan cilinders kan de bottleneck vormen’.

Een patiënt met Covid-19 krijgt zuurstof toegediend in een afgelegen noodziekenhuis in Brazilië. Het land kampt met tekorten aan medicinale zuurstof.
Een patiënt met Covid-19 krijgt zuurstof toegediend in een afgelegen noodziekenhuis in Brazilië. Het land kampt met tekorten aan medicinale zuurstof. Foto Joao Paulo Guimaraes / AFP

Het klinkt als alchemie: zuurstof maken. Je doet stoffen bij elkaar, of splitst ze juist, en opeens is daar zuurstof. Je scheikundeleraar maakte het door water onder stroom te zetten. Planten maken het uit koolstofdioxide en water, met hulp van zonlicht. Maar waar komt de zuurstof eigenlijk vandaan die coronapatiënten krijgen toegediend? Hoe komt het in die cilinders terecht? Waarom is er zo’n tekort in landen als India en Brazilië? En hoe zit dat eigenlijk in Nederland?

„Wij produceren zuurstof niet in een chemisch, maar in een fysisch proces”, valt Wil Kremers met de deur in huis. „We halen het uit de buitenlucht, met hulp van temperatuur en druk.” Kremers is sales directeur bij Linde Gas Benelux, onderdeel van multinational Linde, die wereldwijd marktleider is op het gebied van industriële en medische gassen. Het hoofdkantoor van Linde Healthcare staat in Eindhoven.

Kremers geeft een lesje gasfysica voor beginners. De buitenlucht bestaat voor 78 procent uit stikstof en voor 21 procent uit zuurstof, en voor de rest uit koolstofdioxide, waterdamp en zogeheten edelgassen zoals argon en krypton. „Kort gezegd kun je die gassen van elkaar scheiden door ze zo ver af te koelen dat ze vloeibaar worden”, zegt Kremers. „Omdat elk gas vloeibaar wordt bij een specifieke temperatuur, kun je ze op basis daarvan scheiden.”

Luchtsplitsingsfabriek

Het proces dat Kremers omschrijft heet cryogene destillatie. Het is bedacht in 1895 door de Duitse chemicus Carl von Linde – de grondlegger van het gelijknamige bedrijf. Dit principe legde de basis voor het werk waar Nederlander Heike Kamerlingh Onnes in 1913 een Nobelprijs voor zou krijgen: de studie naar het gedrag van gassen bij zeer lage temperaturen en de productie van vloeibaar helium.

Cryogene destillatie gebeurt in een zogeheten luchtsplitsingsfabriek, in het Engels ook wel air separation unit (ASU) genoemd. Linde heeft zo’n fabriek, op het terrein van staalbedrijf Tata Steel in IJmuiden. Veel van de zuurstof die Linde daar produceert, gaat rechtstreeks de staalfabriek in. Staalproductie gebeurt in ovens die enorme hoeveelheden zuurstof verbruiken: zo’n twee ton zuurstof per ton staal. „Daarom is het handig om die ASU daar op het terrein te hebben staan”, vertelt Kremers. „We maken daar ook onze medische zuurstof.”

Het enige verschil tussen beide producten is dat de medische zuurstof aan strenge eisen moet voldoen qua zuiverheid en veiligheid tijdens productie, opslag, vervoer en gebruik. „Daar zijn allerlei regels voor die ook gelden in de farmaceutische industrie”, zegt Kremers. „Medische zuurstof is een medicijn, dat alleen via apothekers wordt verstrekt.” Maar die buitenlucht op het terrein van Tata Steel is toch berucht vanwege zijn vervuiling? „O, dat maakt helemaal niet uit”, antwoordt Kremers. „Die lucht wordt in allerlei stappen gezuiverd.”

Water splitsen

Zuurstof kun je ook maken – zoals tijdens de scheikundeles op school – door elektrolyse, oftewel door een elektrische stroom door water heen te leiden. Het water wordt dan gesplitst in waterstof en zuurstof. Zo maakt de industrie nu de waterstof die dient als alternatieve brandstof. Waarom maakt Linde niet gewoon op die manier zijn zuurstof? „Elektrolyse kost erg veel energie”, antwoordt Kremers. „Op grote schaal wordt het pas interessant als je grote hoeveelheden goedkope energie hebt – bijvoorbeeld uit wind of zon. In de toekomst zullen we zeker op die manier zuurstof gaan produceren.”

In Venezuela staan mensen in de rij om zuurstofcilinders te laten bijvullen. Foto Pedro Rances Mattey / AFP

Dan is er nog een derde methode. Patiënten die thuis langdurig zuurstof gebruiken, kunnen daarvoor een zogeheten concentrator in huis krijgen – een kastje van zo’n 30 kilo, op wieltjes – dat zuurstof uit de lucht haalt bij kamertemperatuur. Dat gebeurt door de lucht eerst samen te persen, en dan door een zogeheten moleculaire zeef te laten stromen: een materiaal – bijvoorbeeld het mineraal zeoliet – dat stikstof en andere gassen tegenhoudt en alleen zuurstof doorlaat. „Het voordeel is dat dit bij de patiënt thuis kan gebeuren”, zegt Kremers. „Nadeel is dat je gebonden bent aan het apparaat en dat het geluidsoverlast geeft. Bovendien is de zuiverheid maar zo’n 93 procent. In onze tanks en cilinders is dat 99,5 procent.”

‘Zuiverheid’ klinkt alsof het bij het overige percentage om vervuiling gaat, maar dat is niet zo: het gaat hier om de restgassen, zoals stikstof, die we van nature toch al inademen.

Is zuivere zuurstof niet brandgevaarlijk? „Zuurstof is op zichzelf niet brandbaar, maar het bevordert wel het branden van andere stoffen”, antwoordt Kremers. Daarom zijn er in de hele keten allerlei strenge voorschriften. De cilinders zijn bijvoorbeeld streng gekeurd, het afvullen gebeurt in een afgesloten ruimte en er zijn strakke richtlijnen voor vervoer en gebruik. „Patiënten moeten dus geen sigaretje opsteken als ze aan de zuurstof zijn”, merkt Kremers op. „Dankzij die strenge regels is de veiligheid nooit een probleem. In de twintig jaar dat ik in dit vak zit, heb ik nog nooit grote ongelukken meegemaakt.”

Bulktank

Een deel van de geproduceerde medische zuurstof uit de ASU van Linde gaat in vloeibare vorm met tankwagens naar een vulfabriek in Eindhoven. Daar wordt het in gasvorm opgeslagen in aluminium cilinders van 2 tot 50 liter, onder een druk van 200 tot 300 bar. De rest gaat rechtstreeks vanuit IJmuiden in tankwagens naar de Nederlandse ziekenhuizen. „Elk ziekenhuis heeft op het terrein een bulktank staan”, vertelt Kremers, „die iedere paar dagen tot weken wordt bijgevuld, afhankelijk van de grootte van de tank en van het verbruik in het ziekenhuis. Op afstand kun je meten hoe vol de tanks zijn. Onze wagens rijden 24 uur per dag, 7 dagen per week.”

Vanuit zo’n opslagtank loopt een leidingennetwerk naar de zalen en kamers van het ziekenhuis. Daarnaast gebruiken ziekenhuizen ook cilinders. Die zijn verder vooral handig op plekken waar geen zuurstofleidingen liggen, zoals in verpleeghuizen, huisartsenposten en bij mensen thuis. Cilinders heb je in allerlei vormen en maten, bijvoorbeeld met en zonder digitale displays, en ze worden gemaakt door andere bedrijven.

„Die cilinders zijn de bottleneck, nu tijdens de coronapandemie”, vertelt Kremers. „In Nederland hadden wij er tijdens de eerste piek een tekort aan. Dat hebben we toen opgevangen door tijdelijk industriële cilinders te gebruiken – natuurlijk wel met medische zuurstof erin.”

Bij ons heerst nu geen tekort, maar in veel andere landen wel. Moederbedrijf Linde, dat wereldwijd ASU’s heeft, stuurt containers en cilinders naar India en naar andere landen die daar behoefte aan hebben. De productie zelf is vaak het probleem niet, besluit Kremers. Het opschalen van bestaande ASU’s is wel een proces van een lange adem. „Dat doe je niet even in een paar maanden. Daarnaast is ook de rest van de logistiek in veel landen een uitdaging, zoals de distributie naar de ziekenhuizen. Alleen al vanwege de afstanden.”

Wat dat betreft zitten we in Nederland voorlopig goed, maar elders moet er nog veel gebeuren. „Medische zuurstof is een kritisch product”, aldus Kremers. „Dat heeft deze pandemie ons heel duidelijk laten zien. Ik denk dat het wereldwijd de komende jaren hoog op de agenda zal staan.”