ข้อพิจารณาในการออกแบบโรงงานผลิตออกซิเจน

แกน การแยกอากาศเพื่อผลิตออกซิเจน เทคโนโลยีและเกณฑ์การเลือก

ระบบ PSA เมมเบรน และไครโอเจนิก: ข้อแลกเปลี่ยนด้านประสิทธิภาพ ความบริสุทธิ์ และความสามารถในการขยายขนาด

เมื่อพิจารณาถึงการผลิตออกซิเจนแบบออนไซต์ ซึ่งใช้ การแยกอากาศเพื่อผลิตออกซิเจน มีวิธีหลักสามวิธี ได้แก่ การดูดซับแบบเปลี่ยนความดัน (PSA) การแยกด้วยเมมเบรน และการกลั่นแบบไครโอเจนิกส์ ลองเริ่มต้นด้วยระบบ PSA ก่อน ระบบนี้มักใช้วัสดุซีโอไลต์เป็นสารดูดซับ และสามารถผลิตออกซิเจนที่มีความบริสุทธิ์ประมาณร้อยละ 90 ถึง 95 ซึ่งสอดคล้องกับมาตรฐานทางการแพทย์ ระบบนี้ใช้พลังงานในระดับปานกลาง คือโดยเฉลี่ยระหว่าง 0.4 ถึง 0.6 กิโลวัตต์-ชั่วโมงต่อลูกบาศก์เมตร โดยความสามารถในการผลิตมีตั้งแต่ระบบขนาดเล็กที่จัดการได้ 5 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง ไปจนถึงระบบขนาดใหญ่ที่สามารถจัดการได้สูงสุดถึง 100 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง เทคโนโลยีเมมเบรนโดดเด่นตรงที่สามารถติดตั้งและใช้งานได้อย่างรวดเร็ว รวมทั้งมีประสิทธิภาพสูงมาก โดยใช้พลังงานน้อยกว่า 0.3 กิโลวัตต์-ชั่วโมงต่อลูกบาศก์เมตร อย่างไรก็ตาม ระบบนี้ให้ออกซิเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงสุดเพียงประมาณร้อยละ 30 ถึง 45 เท่านั้น จึงมักนำไปใช้ในงานต่างๆ เช่น การเพิ่มปริมาณอากาศสำหรับการเผาไหม้ในกระบวนการอุตสาหกรรม ซึ่งไม่จำเป็นต้องใช้ออกซิเจนที่มีความบริสุทธิ์สูง ส่วนการกลั่นแบบไครโอเจนิกส์นั้นสามารถผลิตออกซิเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงมากเกินร้อยละ 99.5 ซึ่งจำเป็นสำหรับการใช้งานที่สำคัญ เช่น การผลิตเหล็กและการผลิตก๊าซพิเศษ แต่วิธีนี้ต้องลงทุนเบื้องต้นสูงมากสำหรับโครงสร้างพื้นฐาน และใช้พลังงานมากกว่า คือประมาณ 0.8 ถึง 1.2 กิโลวัตต์-ชั่วโมงต่อลูกบาศก์เมตร สำหรับธุรกิจส่วนใหญ่ การใช้เทคโนโลยีไครโอเจนิกส์จะคุ้มค่าทางการเงินก็ต่อเมื่อความต้องการการผลิตต่อวันเกินกว่าประมาณ 100 ตัน เมื่อพิจารณาทุกตัวเลือกร่วมกัน จะพบว่าแนวโน้มพื้นฐานยังคงเป็นจริงเสมอ กล่าวคือ ยิ่งต้องการความบริสุทธิ์สูงขึ้นเท่าใด ความต้องการพลังงานก็ยิ่งเพิ่มขึ้นเท่านั้น ดังนั้น ไครโอเจนิกส์จึงเหมาะที่สุดเมื่อความบริสุทธิ์ไม่สามารถลดลงได้เลย ขณะที่ PSA ให้สมดุลที่ดีที่สุดสำหรับโรงพยาบาลและกิจการขนาดกลาง ส่วนเทคโนโลยีเมมเบรนนั้นเหมาะสมที่สุดในสถานการณ์ที่ยอมรับความบริสุทธิ์ต่ำได้ และต้นทุนยังคงเป็นปัจจัยหลักที่ต้องคำนึงถึง

เกณฑ์มาตรฐานด้านประสิทธิภาพการใช้พลังงานและขีดจำกัดความบริสุทธิ์ตามการใช้งาน (ทางการแพทย์ อุตสาหกรรม และห้องปฏิบัติการ)

ความต้องการเฉพาะของแต่ละการใช้งานเป็นตัวกำหนดว่าเทคโนโลยีใดจะถูกเลือกใช้ ซึ่งขึ้นอยู่กับระดับความบริสุทธิ์และประสิทธิภาพที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานนั้นๆ สำหรับออกซิเจนทางการแพทย์ มีข้อกำหนดที่เข้มงวดซึ่งจำเป็นต้องปฏิบัติตาม ได้แก่ มาตรฐาน ISO 8573-1 ระดับชั้น 1 และมาตรฐาน ISO 13485 ความบริสุทธิ์ต้องอยู่ที่ประมาณร้อยละ 93 โดยมีค่าคลาดเคลื่อนไม่เกินร้อยละ 3 พร้อมทั้งควบคุมสารไฮโดรคาร์บอนให้ต่ำกว่า 0.1 ส่วนในล้านส่วน (ppm) อย่างเข้มงวดมาก ปริมาณความชื้นต้องมีจุดน้ำค้างไม่สูงกว่า -70 องศาเซลเซียส และการปนเปื้อนของจุลินทรีย์ก็ต้องควบคุมให้อยู่ภายในขอบเขตที่ยอมรับได้ ข้อกำหนดเหล่านี้มักจัดหาผ่านระบบ PSA ซึ่งใช้พลังงานระหว่าง 0.4 ถึง 0.6 กิโลวัตต์-ชั่วโมงต่อหนึ่งลูกบาศก์เมตรแบบปกติ (Nm³) โดยส่วนใหญ่แล้วการติดตั้งระบบจะมีการจัดเตรียมระบบสำรอง (redundancy) บางรูปแบบเพื่อความน่าเชื่อถือ

อย่างไรก็ตาม การใช้งานในภาคอุตสาหกรรมนั้นมีลักษณะที่แตกต่างโดยสิ้นเชิง ผู้ผลิตเหล็กจำเป็นต้องใช้ออกซิเจนแบบไครโอเจนิกที่มีความบริสุทธิ์มากกว่า 99.5% ซึ่งต้องใช้พลังงานประมาณ 0.8 ถึง 1.2 กิโลวัตต์-ชั่วโมงต่อ Nm³ ขณะที่กระบวนการออกซิเดชันทางเคมีหลายประเภทสามารถทำงานได้ดีเพียงพอโดยใช้ออกซิเจนจากเมมเบรนที่มีความบริสุทธิ์เพียง 30 ถึง 45% โดยใช้พลังงานน้อยกว่ามาก คือประมาณ 0.3 กิโลวัตต์-ชั่วโมงต่อ Nm³ ส่วนห้องปฏิบัติการทั่วไปมักต้องการค่าความบริสุทธิ์ระดับกลาง คือ 95 ถึง 99% สำหรับเครื่องมือวิเคราะห์ของพวกเขา ซึ่งมักจะบรรลุได้ด้วยหน่วย PSA แบบโมดูลาร์ ซึ่งโดยทั่วไปจะใช้พลังงานระหว่าง 0.5 ถึง 0.7 กิโลวัตต์-ชั่วโมงต่อ Nm³ สิ่งสำคัญที่ควรจดจำไว้คือ การได้มาซึ่งความบริสุทธิ์ที่สูงขึ้นนั้นมาพร้อมกับต้นทุนด้านประสิทธิภาพการใช้พลังงาน ดังนั้น เมื่อการใช้งานไม่ต้องการความบริสุทธิ์เกิน 50% ระบบเมมเบรนสามารถลดการใช้พลังงานลงได้ครึ่งหนึ่งถึงสองในสามเมื่อเทียบกับวิธีไครโอเจนิก การเลือกอุปกรณ์ให้สอดคล้องกับความต้องการเฉพาะของแต่ละการใช้งานอย่างแม่นยำ จะช่วยควบคุมทั้งต้นทุนการลงทุนครั้งแรกและค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานอย่างต่อเนื่องให้อยู่ในระดับที่เหมาะสม

การปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านกฎระเบียบและการออกแบบที่มีความสำคัญต่อความปลอดภัยสำหรับโรงงานผลิตออกซิเจนทางการแพทย์

การบรรลุคุณภาพอากาศตามมาตรฐาน ISO 8573-1 ระดับ 1 และข้อกำหนดในการตรวจสอบยืนยันคุณภาพ ณ สถานที่

สำหรับสถานที่ผลิตออกซิเจนทางการแพทย์ การปฏิบัติตามมาตรฐาน ISO 8573-1 ระดับ 1 ถือเป็นสิ่งที่ไม่อาจต่อรองได้ มาตรฐานเหล่านี้กำหนดข้อกำหนดขั้นต่ำ เช่น ความบริสุทธิ์ของออกซิเจนอย่างน้อย 99.5% ไฮโดรคาร์บอนต่ำกว่า 0.1 ส่วนต่อล้านส่วน (ppm) อนุภาคที่มีขนาดไม่เกินครึ่งไมโครเมตร และจุดน้ำค้างที่ต่ำลงถึงลบ 70 องศาเซลเซียส กระบวนการตรวจสอบความถูกต้องประกอบด้วยการเยี่ยมชมสถานที่เป็นประจำทุกสามเดือน โดยช่างเทคนิคจะดำเนินการทดสอบโดยใช้อุปกรณ์โครมาโทกราฟีแก๊สเชื่อมต่อกับสเปกโตรมิเตอร์มวล (gas chromatography mass spectrometry) เพื่อวิเคราะห์องค์ประกอบจริงในกระแสก๊าซ นอกจากนี้ยังเก็บตัวอย่างก๊าซบนแผ่นแกรมาร์ (agar plates) เพื่อตรวจหาจุลินทรีย์ใดๆ ที่อาจผ่านเข้ามาได้ รวมทั้งตรวจสอบระดับความชื้นด้วยฮิวโกรมิเตอร์ที่ได้รับการสอบเทียบอย่างเหมาะสม ทั้งหมดนี้จำเป็นต้องมีการบันทึกเอกสารอย่างละเอียดด้วย โรงงานควรจัดทำบันทึกการสอบเทียบอย่างละเอียด ติดตามการเปลี่ยนแปลงตลอดระยะเวลา และติดตั้งระบบเฝ้าระวังความบริสุทธิ์แบบต่อเนื่อง เมื่อเกิดเหตุผิดปกติและค่าต่างๆ เกินขีดจำกัดความปลอดภัย ระบบจะต้องหยุดทำงานโดยอัตโนมัติ แนวทางนี้สอดคล้องกับคำแนะนำขององค์การอนามัยโลก (WHO) และเป็นไปตามข้อกำหนดที่เข้มงวดของหน่วยงานกำกับดูแล เช่น สำนักงานคณะกรรมการอาหารและยาแห่งสหรัฐอเมริกา (FDA) และสำนักงานยาแห่งสหภาพยุโรป (EMA)

การจัดวางผังเชิงพื้นที่ การวางแผนสำรอง และการบูรณาการระบบจัดหาสิ่งของฉุกเฉินสำหรับสถานพยาบาล

เมื่อออกแบบระบบที่ความปลอดภัยมีความสำคัญสูงสุด จุดเริ่มต้นเสมอคือการแยกทางกายภาพอย่างชัดเจน พื้นที่สำหรับการบีบอัดจำเป็นต้องแยกออกจากส่วนที่ทำหน้าที่แยกและเก็บรักษาโดยใช้อุปสรรคกันไฟที่ผ่านการรับรองตามมาตรฐานความทนไฟอย่างเหมาะสม ถังกักเก็บสำรอง (buffer tanks) ควรสามารถรองรับปริมาณออกซิเจนได้ไม่น้อยกว่าความต้องการสูงสุดของโรงพยาบาลเป็นเวลาอย่างน้อย 48 ชั่วโมง สำหรับโรงพยาบาล การติดตั้งระบบแบบสองวงจร (dual circuit setups) นั้นมีความสำคัญยิ่ง เพราะระบบนี้จะเปลี่ยนไปใช้วงจรสำรองโดยอัตโนมัติเมื่อมีการบำรุงรักษาระบบหรือเกิดเหตุไฟฟ้าดับ จึงมั่นใจได้ว่าห้องผู้ป่วยหนัก (intensive care units) และห้องผ่าตัด (operating rooms) จะไม่ขาดแคลนแหล่งจ่ายออกซิเจนอย่างเด็ดขาด นอกจากนี้ยังมีจุดเชื่อมต่อที่สำคัญหลายจุดที่ต้องพิจารณาอย่างรอบคอบ เช่น การต่อเชื่อมฉุกเฉินเข้ากับธนาคารถังก๊าซแรงดันสูง (high pressure cylinder banks) ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่ง สำหรับโรงพยาบาลที่ตั้งอยู่ในพื้นที่เสี่ยงต่อแผ่นดินไหว จำเป็นต้องติดตั้งโครงยึดกันแผ่นดินไหว (seismic bracing) เป็นพิเศษเพื่อให้อุปกรณ์คงความมั่นคงและปลอดภัย และอย่าลืมติดตั้งเซ็นเซอร์ตรวจวัดระดับออกซิเจนในอากาศ (ambient oxygen sensors) ทั่วทั้งสถานพยาบาล เพื่อเฝ้าระวังการสะสมของออกซิเจนในระดับที่อาจเป็นอันตราย ทั้งนี้ การประเมินความเสี่ยงอย่างครอบคลุมทั่วทั้งโรงพยาบาลจะช่วยกำหนดแนวทางการจัดส่งออกซิเจนไปยังแต่ละพื้นที่อย่างเหมาะสม พร้อมปฏิบัติตามมาตรฐาน NFPA 99 อย่างเคร่งครัด ซึ่งจะทำให้ท่อจ่ายออกซิเจนอยู่ห่างจากจุดที่อาจก่อให้เกิดประกายไฟ และรักษาความต่อเนื่องในการให้บริการของแผนกผู้ป่วยหนักแม้ในสภาวะที่ท้าทาย

การกำหนดขนาดและข้อกำหนดของอุปกรณ์หลักใน การแยกอากาศเพื่อผลิตออกซิเจน ระบบ

การเลือกขนาดและข้อกำหนดที่เหมาะสมสำหรับชิ้นส่วนหลักของระบบมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความน่าเชื่อถือของระบบ ประสิทธิภาพในการทำงาน และการปฏิบัติตามข้อกำหนดทางกฎหมาย สำหรับเครื่องอัดอากาศ จำเป็นต้องผลิตอากาศที่ไม่มีน้ำมันในช่วงความดัน 6–10 บาร์ เพื่อให้แน่ใจว่าตัวกรองแบบโมเลกุลไซร์ (molecular sieves) และตัวกรองอื่นๆ สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ระบบส่วนใหญ่มักใช้การกรองสามขั้นตอน โดยทั่วไปเริ่มจากตัวกรองแบบ coalescing filter ตามด้วยตัวกรองคาร์บอนกัมมันต์ (activated carbon) และสุดท้ายคือตัวกรองแบบ desiccant เพื่อให้บรรลุมาตรฐานคุณภาพอากาศที่ไหลเข้าระบบ (inlet air quality) ตามมาตรฐาน ISO 8573-1 ระดับ Class 1 สำหรับหน่วยแยกต่างๆ เช่น หอ PSA (Pressure Swing Adsorption), โมดูลเมมเบรน (membrane modules) หรือคอลัมน์ไครโอเจนิก (cryogenic columns) การออกแบบขนาดให้แม่นยำยิ่งมีผลโดยตรงต่ออัตราการไหล (flow rate) และความบริสุทธิ์ (purity) ที่ต้องการ สำหรับการใช้งานด้านการแพทย์ มักต้องการความเข้มข้นของออกซิเจนไม่น้อยกว่า 93% ขณะที่ความต้องการในภาคอุตสาหกรรมมีความหลากหลายมาก โดยอยู่ในช่วงประมาณ 10–500 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง ถังเก็บก๊าซควรมีความจุเพียงพอที่จะรองรับความต้องการสูงสุด (peak demand) ได้อย่างน้อย 30 นาที ระบบตรวจสอบ (monitoring systems) จำเป็นต้องตรวจวัดอย่างต่อเนื่องทั้งระดับความบริสุทธิ์ ค่าความดัน จุดน้ำค้าง (dew point) และปริมาณไฮโดรคาร์บอนด้วย ตัวเลขการใช้พลังงานของระบบ PSA มักผันแปรขึ้นอยู่กับแหล่งที่รายงาน ระบบที่ออกแบบมาอย่างดีมักใช้พลังงานอยู่ในช่วง 0.4–0.6 กิโลวัตต์-ชั่วโมงต่อลูกบาศก์เมตร ซึ่งดีกว่าค่าที่มักกล่าวอ้างกันทั่วไปแต่อาจทำให้เข้าใจผิด คือ 1.0–1.4 กิโลวัตต์-ชั่วโมงต่อลูกบาศก์เมตร (kWh/Nm³) ซึ่งมักพบในระบบที่ไม่ได้รับการปรับแต่งให้เหมาะสม หรือมีเครื่องอัดอากาศที่มีขนาดเล็กเกินไป อีกข้อได้เปรียบสำคัญหนึ่งคือความสามารถในการขยายระบบแบบโมดูลาร์ (modular scalability) ระบบสมัยใหม่ส่วนใหญ่สามารถเพิ่มกำลังการผลิตได้ประมาณ 20–30% โดยการเพิ่มภาชนะดูดซับ (adsorption vessels) หรือสแต็กเมมเบรน (membrane stacks) เข้าไปเท่านั้น โดยไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนระบบทั้งหมด

คำถามที่พบบ่อย

วิธีการผลิตออกซิเจนแบบใดให้ความบริสุทธิ์สูงสุด?

การกลั่นด้วยวิธีไครโอเจนิก (Cryogenic distillation) ให้ความบริสุทธิ์สูงสุด โดยสามารถผลิตออกซิเจนที่มีความบริสุทธิ์มากกว่า 99.5%

ระบบต่าง ๆ มีการใช้พลังงานต่างกันหรือไม่?

ใช่ ปริมาณการใช้พลังงานแตกต่างกันไปตามระบบ: ระบบ PSA โดยทั่วไปใช้พลังงาน 0.4–0.6 กิโลวัตต์-ชั่วโมงต่อลูกบาศก์เมตร ระบบเมมเบรนใช้น้อยกว่า 0.3 กิโลวัตต์-ชั่วโมง และระบบไครโอเจนิกต้องใช้พลังงาน 0.8–1.2 กิโลวัตต์-ชั่วโมงต่อลูกบาศก์เมตร

โรงงานผลิตออกซิเจนทางการแพทย์ต้องปฏิบัติตามข้อบังคับใดบ้าง?

โรงงานผลิตออกซิเจนทางการแพทย์ต้องปฏิบัติตามมาตรฐาน ISO 8573-1 ระดับชั้น 1 และมาตรฐาน ISO 13485 ซึ่งรวมถึงข้อกำหนดขั้นต่ำด้านความบริสุทธิ์และความปลอดภัย

สิ่งหลักๆ คืออะไร การแยกอากาศเพื่อผลิตออกซิเจน วิธีการ?

วิธีการผลิตออกซิเจนหลัก ได้แก่ ระบบดูดซับแบบเปลี่ยนแรงดัน (Pressure Swing Adsorption: PSA), การแยกด้วยเมมเบรน (membrane separation) และการกลั่นด้วยวิธีไครโอเจนิก (cryogenic distillation)