Sauerstoff

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Unser Lebenselixier

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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.

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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

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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).

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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.

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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.

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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

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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.

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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

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