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Sauerstoff ...
Sauerstoff ist das häufigste Element auf der Erde, dem einzigen bekannten Planeten, der freien Sauerstoff in nennenswerten Mengen und damit die Voraussetzung für Leben bietet, wie wir es kennen.
Sauerstoff (Elementsymbol O) ist
das häufigste Element auf unserem
Planeten und nach Wasserstoff und
Helium das dritthäufigste im Uni-
versum. Atomarer Sauerstoff (O)
existiert stabil nur unter extremen
Bedingungen wie im Vakuum des
Weltalls oder in heißen Sternenat-
mosphären. Elementar tritt Sauer-
stoff überwiegend als zweiatomiges
Molekül auf (O2) – und zwar gasför-
mig in der Atmosphäre und gelöst in
Gewässern. Die dreiatomige Varian-
te Ozon (O3) ist instabil und zerfällt in
kurzer Zeit.
Eigenschaften
O2 ist in der irdischen Atmosphäre
zu rund 20,95 % enthalten und das
häufigste Element in der Erdkruste.
Bei einer Temperatur von -183 °C
wird Sauerstoff flüssig, bei -218,9 °C
fest (hellblaue kubische Kristalle). Er
ist ausgesprochen reaktionsfreudig,
d. h. es gibt nur wenige Elemente,
mit denen er keine Verbindung
eingeht.
Freier Sauerstoff – ein Glücksfall!
In unserem Sonnensystem ist die
Erde der einzige Planet mit freiem
Sauerstoff in nennenswerten
Mengen und bietet damit die
Voraussetzung für Leben, wie wir
es kennen. Das Gas durchläuft
dabei einen stetigen Kreislauf: Es
wird permanent von Cyanobak-
terien, Algen und Pflanzen bei der
Photosynthese mithilfe von Wasser
und Licht aus CO2 freigesetzt.
Die meisten aeroben (d. h. Sauer-
stoff brauchenden) Organismen
wie Menschen, Tiere, Pflanzen
und viele Bakterien nutzen es zur
Energiegewinnung in ihren Zellen.
Bei der Atmung wird der Sauerstoff
dann wieder reduziert.
Doch freien Sauerstoff gab es auf
der Erde nicht von Anfang an:
Zwar erzeugten wahrscheinlich be-
reits vor 3,5 Mrd. Jahren die ersten
Cyanobakterien Sauerstoff als Ab-
fallprodukt ihrer Photosynthese,
dieser wurde allerdings gleich wie-
der für die Oxidation von Eisen und
Schwefelwasserstoff verbraucht.
Bis vor etwa 1 Mrd. Jahren hatte
daher die Sauerstoffkonzentration
gerade einmal 3 % erreicht.
Vor etwa 750 bis 400 Mio. Jahren
stieg dann der Sauerstoffgehalt
kontinuierlich so weit an, dass
Ozon (O3) gebildet wurde, wel-
ches die Erde vor der schädlichen
UV-Strahlung schützt. Dies förderte
die Entwicklung des Lebens außer-
40
35
30
25
20
15
10
5
01.000 800 600 400 200 0
Millionen Jahre vor heute
Sau
erst
off [
Vol.
%]
Sauerstoffanteil der Erdatmosphäre
3
Sauerstoff ist ein farb- und geruchloses Gas, das brandfördernd wirkt. Er ist ausgesprochen reaktions-freudig, d. h. es gibt nur wenige Elemente, mit denen er keine Verbindung eingeht.
... Elixier des Lebens
halb der Meere. Die heutige Sauer-
stoff-Konzentration war erstmals
wohl vor rund 350 Mio. Jahren
erreicht, schwankte danach aber
mehrmals stark. So erreichte sie
beispielsweise während des Erd-
zeitalters Karbon (bis vor etwa 300
Mio. Jahren) sogar über 30 %.
Gewinnung
Das am häufigsten angewandte
Verfahren zur Gewinnung von
Sauerstoff ist die Tieftemperatur-
rektifikation der Luft.
Bereits im Jahre 1902 entwickelten
die Air Liquide-Gründer Georges
Claude und Paul Delorme ein Ver-
fahren zur Verflüssigung und Zer-
legung von Luft. Die Luftzerlegung
erfolgt vereinfacht beschrieben in
folgenden Verfahrensschritten:
• Ansaugen der Luft
• Filtern
• Verdichten auf 4,5 bis 6 bar
• Vorkühlen
• Abtrennen störender Luftbe-
standteile durch Ausfrieren oder
Adsorption
• Kühlen und Trennen: Mithilfe des
Hauptwärmetauschers wird die
Luft bis zur Verflüssigungstem-
peratur abgekühlt und in der
Trennkolonne durch Rektifikation
in ihre Bestandteile zerlegt. Am
Kopf dieser Niederdruckkolonne
sammelt sich gasförmiger Stick-
stoff, am Fuß flüssiger Sauerstoff.
Durch Verdampfen des Sauer-
stoffs und Zugabe von flüssigem
Stickstoff am Kopf wird dieser
Prozess so lange fortgesetzt bis
die gewünschte Reinheit erreicht
ist.
• Die Kälte des flüssigen Sauer-
stoffs sowie Expansionsturbinen
dienen dazu, den mithilfe von
Turboverdichtern komprimierten
gasförmigen Stickstoff in der Mit-
teldruckkolonne zu verflüssigen.
HistorischesUnabhängig voneinander entdeckten Carl Wilhelm Scheele 1771 und Joseph Priestley
1774 den Sauerstoff bei der Untersuchung von Verbrennungsvorgängen. Antoine Lavoisier
stellte bei seinen Experimenten fest, dass bei der Verbrennung Sauerstoff gebunden wird und
ein Stoff daher nach der Verbrennung schwerer war als vorher. 1883 gelang Karol Olszwewski
und Zygmunt Florently Wróblewski erstmals die Herstellung von flüssigem Sauerstoff.
4
Sauerstoff ...
Großverbraucher von Gasen in der Region Rhein/Ruhr werden über ein 500 km langes Rohrleitungsnetz u. a. mit Sauerstoff versorgt. Für kleine Abnahmemengen wird Sauerstoff in Gasflaschen oder Gasflaschenbündeln abgefüllt.
Eine weitere Möglichkeit, Sauer-
stoff zu erzeugen, sind sogenannte
VPSA-Anlagen (Vacuum Pressure
Swing Adsorption), die vor Ort beim
Anwender zum Einsatz kommen.
Sie nutzen das Prinzip der Adsorp-
tion zum Abtrennen des Sauer-
stoffs. Dabei durchströmt die Luft
ein Molekularsieb, in dem Stick-
stoff und Kohlendioxid aufgrund
ihrer physikalischen Eigenschaften
gebunden werden. Sauerstoff und
Argon hingegen passieren das
Molekularsieb. Ist das Sieb gesät-
tigt, erfolgt eine Regeneration durch
Druckabsenkung unter den Atmo-
sphärendruck, dabei desorbie-
ren die adsorbierten Gase wieder.
Erreichbar sind hier Reinheiten von
bis zu 93 %.
Distribution
Wird das Gas nicht wie beschrie-
ben on-site erzeugt, muss es zum
Anwender transportiert werden.
In der Region Rhein/Ruhr erfolgt
dies für Großverbraucher aus der
Chemie- und Stahlindustrie über
ein mehr als 500 km langes Rohrlei-
tungsnetz für Sauerstoff, Stickstoff
und Wasserstoff. Dies entlastet das
deutsche Straßennetz täglich um
mehr als 430 Lkw-Ladungen.
Allen anderen Kunden mit hohem
Sauerstoff-Bedarf wird das Gas
in tiefkalt verflüssigter (kryogener)
Form geliefert und in hoch-Leverkusen
PipelinesRhein-Ruhr-Verbund
Düsseldorf
Krefeld
Essen
Mühlheim
PZ Duisburg
PZOberhausen
PZGelsen-kirchen
Bottrop
Marl
Neukirchen
Herne
Oer-Erkenschwick
Hattingen
Bochum
Castrop-Rauxel
DortmundTGHM
Ruhr
Ruhr
Rhei
n
AL - SauerstoffleitungAL - StickstoffleitungFremd - SauerstoffleitungFremd - StickstoffleitungAL - WasserstoffleitungAL - Wasserstoffleitung, z. Zt. außer Betrieb
Erzeugungsanlage
Kunde
Hauptbestandteile der Luft (Volumenanteil) 78,080000 % Stickstoff 0,0005200 % Helium
20,950000 % Sauerstoff 0,0001140 % Krypton
0,930000 % Argon 0,0000500 % Wasserstoff
0,035000 % Kohlendioxid 0,0000087 % Xenon
0,001820 % Neon
5
Sauerstoff ist in Reinheiten von technischer bis hin zu hochreiner Qualität erhältlich. Er wird in der Autogen-technik ebenso eingesetzt wie in der Lebensmittel-erzeugung oder der Medizin.
... auf dem Weg zu Ihnen
wertig isolierten Tanks vor Ort
gepeichert. Für diese Versorgungs-
art wird der große Volumenunter-
schied zwischen Gas- und Flüssig-
phase genutzt: 1 Liter flüssiger
Sauerstoff verdampft bei 15 °C zu
854 Litern gasförmigem Sauer-
stoff, d. h. das Verhältnis von Flüs-
sigkeit zu Gas beträgt 1:854.
Luftverdampfer, welche die Flüssig-
keit allein mithilfe der Umgebungs-
wärme verdampfen, stellen das
Gas einsatzbereit zur Verfügung.
Wegen des großen Temperaturun-
terschieds zum Siedepunkt funk-
tioniert dies auch bei winterlichen
Temperaturen schnell und zuver-
lässig.
Für kleinere Abnahmemengen oder
spezielle Reinheitsanforderungen
wird Sauerstoff in Gasflaschen oder
Gasflaschenbündeln abgefüllt. Die
gebräuchlichsten Behälter haben
10, 20, 33, 40 oder 50 Liter Raum-
inhalt mit einem Druck von 150,
200 oder 300 bar. Die Schulterfarbe
von Gasflaschen für Sauerstoff ist
weiß.
Qualität für alle Fälle
Sauerstoff ist als Gas und in tiefkalt
verflüssigter Form verfügbar. Die
Reinheiten reichen von der tech-
nischen bis hin zur hochreinen
Qualität. Letztere ist dadurch
definiert, dass die Teilchenanzahl
der Verunreinigungen deutlich unter
1 Teilchen pro Million Gesamtteil-
chenanzahl liegt. Neben der meist
eingesetzten technischen Qualität
(O2-Gehalt > 99,5 Vol.%) z. B. für
die Verfahren der Autogentechnik
bietet Air Liquide für die speziellen
Anforderungen, die aufgrund
gesetzlicher Regeln und Normen
für die Medizin, die Lebensmit-
telerzeugung, aber auch für das
Laserschneiden unlegierter Stähle
gelten, Sauerstoff außerdem als
Markengas an.
Dazu gehören:
• Fertigarzneimittel Sauerstoff
medicAL bzw. LOX medicAL für
die medizinische Anwendung.
Sauerstoff medicAL ist gasförmig
in Druckgasbehältern erhältlich,
LOX medicAL in tiefkalt verflüssig-
ter Form im stationären Standtank
für die Krankenhausversorgung.
Qualität und Sicherheit dieser
Fertigarzneimittel unterliegen
strengen gesetzlichen Anforderun-
gen wie z. B. Rückverfolgbarkeit
der Produkte, gasartspezifische
Ventilanschlüsse und Farbcodie-
rungen sowie Pharmakovigilanz
(d. h. die laufende und systema-
tische Überwachung der Sicher-
heit eines Fertigarzneimittels).
6
Sauerstoff ...
Das „Lebenselixier“ Sauerstoff findet Anwendung in einer Vielzahl von Bereichen – allein in der Medizin werden zu Beatmungszwecken pro Jahr rund 15 Mio. Menschen mit Sauerstoff versorgt.
• ALIGAL™ 3 für die Getränke-
und Nahrungsmittelindustrie.
Die Gase dieser Produktreihe
genügen den Anforderungen an
lebensmittelkonforme Zusatz-
stoffe. Das bedeutet, neben der
Einhaltung gesetzlich vorgeschrie-
bener Reinheitsanforderungen
(min. 99 %) muss die Kennzeich-
nungspflicht für Zusatzstoffe erfüllt
sowie die Rückverfolgbarkeit in
allen Produktions-, Verarbeitungs-
und Vertriebsstufen gesichert sein.
Zusätzlich hat Air Liquide ein auf
die Lebensmittelsicherheit abzie-
lendes HACCP-Konzept umge-
setzt.
• ALPHAGAZ™ 1 und 2 für Analy-
sen im %- bis ppm bzw. ppm- bis
ppb-Bereich sowie ALPHAGAZ™
AUTO lV für Abgasuntersuchun-
gen. Das ALPHAGAZ™-Konzept
ist ein Produktprogramm aus
hochreinen Gasen, Gemischen,
Armaturen, Gasgeneratoren und
Serviceleistungen speziell für die
Bedürfnisse in Labor und Analytik.
• ASPAL™ 3 für Trink- und Ab-
wasseraufbereitung. Das Produkt
entspricht den Richtlinien der
Trinkwasserverordnung sowie den
Empfehlungen der Hersteller von
Ozongeneratoren.
• LASAL™ 2003 mit höherer, ga-
rantierter Reinheit zum Laser-
brennschneiden von un- und
niedriglegierten Stählen, das be-
sonders zum Schneiden in Grenz-
bereichen bezüglich Leistung und
Blechdicke geeignet ist.
Das „Lebenselixier“ im Einsatz
Sauerstoff ist für eine ganze Reihe
von Anwendungen aus den unter-
schiedlichsten Bereichen unent-
behrlich. Hier einige Beispiele:
Medizin
Die lebenswichtigste Anwendung
von Sauerstoff ist die Beatmung.
Allein in Deutschland werden auf
diese Weise pro Jahr rund 15 Mio.
Menschen versorgt. Damit stellt
medizinischer Sauerstoff mit
einem jährlichen Verbrauch von
ca. 80 Mio. Kubikmetern das im
Krankenhaus meist verwendete
Arzneimittel dar. Medizinischer
Sauerstoff der AIR LIQUIDE
Medical GmbH ist ein zugelasse-
nes Arzneimittel und erfüllt somit
die drei wichtigsten Kriterien einer
Arzneimittelzulassung: Wirksam-
keit, Unbedenklichkeit und Qualität.
7
Sauerstoff ist bei vielen Verfahren der Metallbearbei-tung ein unentbehrlicher Helfer. So lässt sich beim Brennschneiden selbst Beton bis 80 Zentimeter Dicke mithilfe von sauerstoffbetriebenen Pulverschneid-brennern mühelos zerlegen.
... vielseitig und unentbehrlich
Die Sicherheit von Patienten und
medizinischem Fachpersonal hat
immer oberste Priorität. Dement-
sprechend kommen bei der Her-
stellung ausschließlich qualifiziertes
Equipment und validierte (d. h. ge-
prüfte) Prozesse zum Einsatz. Die
Anforderungen aus dem Europä-
ischen Arzneibuch werden dabei
laufend überwacht und eingehalten.
Eine Sauerstoffbeatmung kann auf
ärztliche Anweisung temporär z. B.
in der Notfall- und Intensivmedizin
sowie als Langzeittherapie (auch
beim Patienten zuhause) z. B. bei
Krankheiten wie der chronisch
obstruktiven Lungenerkrankung
(COPD) erfolgen.
Schweißen und Schneiden
Viele Verfahren zur Metallbear-
beitung nutzen eine sehr heiße
Brenngas-Sauerstoff-Flamme z. B.
beim Autogenschweißen, Anwär-
men, Fugenhobeln, Flammrich-
ten, -strahlen und -spritzen. Beim
Brennschneiden schneidet ein
scharf gebündelter Sauerstoffstrahl
kohlenstoffhaltige Stähle. Selbst
Beton bis 80 Zentimeter Dicke
lässt sich mithilfe von sauerstoffbe-
triebenen Pulverschneidbrennern
mühelos zerlegen.
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Hochtemperatur dank Sauerstoff
Heiß, heißer, Sauerstoff. Für viele industrielle Verbrennungs-prozesse ist der Sauerstoffgehalt der Luft oft zu niedrig. Mit Sauerstoff angereicherte Luft erhöht die Temperatur und somit die Anlagenkapazität.
Beim Laserschneiden von Stahl-
blechen dient Sauerstoff als so-
genanntes Arbeitsgas. Hierbei ist
eine hohe Gasreinheit von großer
Bedeutung für die Wirtschaftlich-
keit des Verfahrens.
Thermische Prozesse
Für industrielle Verbrennungs- und
Oxidationsprozesse ist der natür-
liche Sauerstoffgehalt der Luft oft
zu gering. Zudem muss beim Ein-
satz von Luft deren inerter Stick-
stoffballast von nahezu 80 % eben-
falls erwärmt werden, was zusätzli-
che Energie verbraucht und das
Abgasvolumen vergrößert.
Besser ist der Einsatz von reinem
Sauerstoff zur Anreicherung der Ver-
brennungsluft – das erhöht die Ka-
pazität, verringert den spezifischen
Energiebedarf, senkt Abgasvolu-
mina und Emissionswerte. Genutzt
wird reiner Sauerstoff beispielsweise
in der Hüttentechnik zum Frischen
von Roheisen und Stahl, zur Raffina-
tion von Kupfer, beim Clausprozess
zur industriellen Herstellung von
Schwefel aus Schwefelwasserstoff
sowie beim Verbrennen von Rest-
stoffen in fester und flüssiger Form.
Glasherstellung
Bei der Glasproduktion steigt
durch den Einsatz von reinem
Sauerstoff zur Glaswannen-
Befeuerung die Produktions-
leistung, Abgasvolumen und
Emissionen dagegen
sinken. Eine weitere
Anwendungsmög-
lichkeit ist das
Flammpol ieren
mit einer Sauer-
stoff-Wasser-
stoff-Flamme
als Alterna-
tive
9
In der biologischen Stufe der Kläranlage hilft Sauer-stoff bei dem Erhalt der Mikroorgnismen, die Schad-stoffe abbauen. Der Eintrag von Sauerstoff erspart somit aufwendige Erweiterungen von Kläranlagen.
Reines Wasser durch Sauerstoff
zu chemischen oder mechani-
schen Polierverfahren.
Umwelttechnik
In der biologischen Stufe von Klär-
anlagen erfolgt der Schadstoffabbau
mithilfe von Mikroorganismen, die
hierfür ausreichend Sauerstoff benö-
tigen. Die Zufuhr von reinem Sauer-
stoff fördert dies effektiver als der
Eintrag von Luft. Da der Stickstoff-
ballast der Luft entfällt, müs-
sen bei der Nutzung von
reinem Sauerstoff nur
rund 4 % des ver-
gleichbaren Luft-
volumens einge-
tragen werden.
Dadurch wirkt
diese verfah-
renstechni-
sche Op-
t i m i e r u n g
genauso wie
eine auf-
wendige bauliche Erweiterung der
Kläranlage. Dies verringert den Ener-
gieaufwand für die Belüftung, es bil-
den sich keine schlechten Gerüche
oder unerwünschte Aerosole und es
fällt weniger Überschussschlamm
an, der entsorgt werden muss.
Mithilfe von Ozon (O3), das jeweils
vor Ort aus Sauerstoff erzeugt wird,
lässt sich die in der Kläranlage anfal-
lende Klärschlammmenge reduzie-
ren, so dass geringere Mengen zur
Entsorgung anfallen und die Reini-
gungsleistung der Anlage steigt.
10
Sauerstoff in der Elektronik
Reiner Sauerstoff findet auch in der Fertigung moderner elektronischer Bauteile Anwendung. Hier unterstützt er Oxidationsprozesse.
Aber Ozon kann noch mehr: Als ei-
nes der stärksten Oxidationsmittel
sorgt es dafür, dass auch schwer ab-
baubare Substanzen oxidiert werden
und sich damit aus Trink-, Prozess-
und Abwasser entfernen lassen. Das
schont die Umwelt, da keine weite-
ren Stoffe, sondern nur das oxidierte
Produkt und wieder Sauerstoff ent-
stehen. Bei der Trinkwasseraufberei-
tung dient Sauerstoff zum Entfernen
von Eisen, Mangan, Ammonium,
Schwefelwasserstoff oder Methan
sowie zur Oxidation unerwünschter
Huminstoffe aus dem Erdboden.
Nützlich ist er auch bei der Papier-
produktion: Sauerstoff verringert
den störenden Gehalt an Ligninen
(Stützfasern im Pflanzengewebe)
im Faserstoff und reduziert gleich-
zeitig den Einsatz von chlorhaltigen
Bleichmitteln, so dass die Belas-
tung des Abwassers sinkt.
Elektronik
Moderne elektronische Bauteile
bestehen aus leitenden und isolie-
renden Schichten, die mithilfe von
11
Beim Tauchgasgemisch Nitrox senkt ein erhöhter Sauer-stoffgehalt das Risiko eines Dekompressionsunfalls. Für höhere Tauchtiefen kommt Helium hinzu, bei entsprechend verringerten Anteilen von Sauerstoff und Stickstoff.
Leben braucht Sauerstoff
Oxidationsprozessen unter Einsatz
von reinem Sauerstoff entstehen.
Auch bei der Produktion von Licht-
wellenleitern (Glasfasern) wird Sauer-
stoff als Reaktionsgas bei der Gas-
phasenabscheidung genutzt.
Biotechnik
Mithilfe von Mikroorganismen lassen
sich Pharmazeutika wie Insulin oder
Antibiotika, Zusatzstoffe für Tierfut-
termittel, Aromastoffe und Bäcker-
hefe herstellen, die chemisch nur
schwer oder gar nicht zu erzeugen
sind. Die Leistung dieser Organis-
men lässt sich durch Zugabe von
reinem Sauerstoff erheblich stei-
gern, ohne dass neue Fermenter-
Reaktoren in Betrieb genommen
werden müssen.
Nahrungsmittel
Um die Haltbarkeit von verpackten
Lebensmitteln zu verlängern und
den Einsatz von Konservierungs-
stoffen zu verringern, wird die sau-
erstoffhaltige Luft in der Verpackung
durch Schutzgase wie Stickstoff und
Kohlendioxid ersetzt. Für spezielle
Anwendungen ist aber dennoch
Sauerstoff gefragt: Bei Frischfleisch
verhindert er als Beimischung eine
Farbänderung von rot nach braun,
frische Salate und Gemüse benö-
tigen als „lebende“ Produkte das
Gas weiterhin für ihren Stoffwech-
sel. Auch die Fischzucht profitiert
vom lebenswichtigen Sauerstoff:
In Fischteichen gedeihen die Tie-
re besser, wenn das Wasser damit
angereichert wird. Ozon dient dazu,
Krankheitserreger abzutöten – ohne
Zugabe von Chemikalien, übrig
bleibt nur Sauerstoff.
163414 04.12
www.airliquide.de
Air Liquide ist Weltmarktführer bei Gasen für Industrie, Medizin und Umweltschutz und mit nahezu 50.000 Mitarbeitern in 80 Ländern präsent. Sauerstoff, Stickstoff,Wasserstoff und Edelgase stehen im Zentrum der Aktivitäten von Air Liquide seit der Gründung des Konzerns im Jahr 1902. Air Liquide nutzt diese Moleküle zur kontinuierlichen Weiterentwicklung seines Geschäfts, um den Herausforderungen heutiger und zukünftiger Märkte vorausschauend zu begegnen. Gestützt auf innovative Technologien erforscht Air Liquide alle Möglichkeiten, die Luft zum Schutz des Lebens bieten kann und hält somit an seinem Grundsatz der sozialen Verantwortung und nachhaltigen Entwicklung fest.
Kontakt
AIR LIQUIDE Deutschland GmbHHans-Günther-Sohl-Straße 540235 DüsseldorfFon: 0211 6699-0Fax: 0211 [email protected]