ПОДСИСТЕМА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ МИНЕРАЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ ДЛЯ БИОЛОГО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Полный текст

Введение. Для пилотируемых космических миссий длительностью более 2-х лет, начиная от полета на Марс и далее, а тем более для решения задач тер- раформирования планет и межзвездной экспансии, высокозамкнутые биолого-технические системы жизне- обеспечения (БТСЖО), включающие человека, являют- ся необходимым компонентом космических аппаратов такого назначения. Процессы переработки органиче- ских отходов играют важную роль в формировании БТСЖО космического назначения, определяя размеры буферных емкостей и время автономного существо- вания БТСЖО [1]. Отличие процессов получения пищи в земных и космических условиях заключается в очень жестких требованиях к минимизации массы всей системы в последнем случае. Многие земные технологии зем- леделия слишком трудоемки, масштабны, массивны и нетехнологичны для вывода их на орбиту и исполь- зования в период космической миссии. В то же время многие космические технологии слишком дороги и нерентабельны для земных приложений, однако совершенно незаменимы в будущих космических миссиях. Для минимизации массы БТСЖО и повыше- ния удельной полезности каждого килограмма выво- димой на орбиту полезной нагрузки требуется резко повышать (в сравнении с биосферными циклами) ско- рости оборота веществ в экологических трофических циклах и снижать буферную емкость экосистем [2]. Снижение буферных емкостей в экосистемах по- рождает множество проблем устойчивости их функ- ционирования [3]. Так, в планетарном масштабе регу- лирование газового состава атмосферы происходит естественным образом благодаря очень большой буферности атмосферы, в то время как в герметичной кабине БТСЖО объем атмосферы очень мал и требует тщательного контроля [4] для выравнивания вспле- сков концентраций различных газовых компонентов, как технологическими способами (подбор шага конвейеров различных культурных растений), так и дополнительными техническими средствами (напри- мер, управляемый различной логикой микроводорос- левый фотобиореактор, имеющий большой диапазон интенсивностей фотосинтеза). Естественная биодеградация отмерших и полупе- реваренных растительных и животных органических останков и традиционные практики их компостирова- ния в земных условиях требуют слишком массивных буферных емкостей [5], что неприемлемо для БТСЖО космического назначения. Поэтому в БТСЖО косми- ческого назначения представляется целесообразным разрабатывать различные подсистемы физико- химических реакторов [6], которые выполняют роль редуцентов в экосистеме. В процессе исследований такие подсистемы могут существенно варьироваться и оптимизироваться. Отлаженные технологические процессы, которые уже претерпевают существенные структурные изменения, подлежат автоматизации. Их снабжают датчиками для контроля состояния среды БТСЖО, надстраивают системы управления физико-химическими реакторами, объединяя их во все более сложные модули и систему управления БТСЖО как единое целое. В данной статье рассматриваются ведущиеся в ИБФ СО РАН разработки подсистемы физико-химических реакторов переработки органиче- ских отходов в удобрения для выращивания культур- ных растений на гидропонике [7]. Целью данной статьи является обзор особенностей оригинальных технологий и разработок физико- химических реакторов переработки органических от- ходов применительно к биолого-техническим систе- мам жизнеобеспечения нового поколения с высокой степенью замыкания круговоротных процессов и их особенностей. Работы ведутся на кафедре ЗЭС СибГУ, являющейся базовой кафедрой ИБФ СО РАН. Подсистема физико-химических реакторов. Объек- том исследования является технологическая подсис- тема физико-химической переработки органических отходов в удобрения для растений, а также автомати- зация, мониторинг и управление вышеназванными процессами. Проблемы исследования заключаются в поиске путей повышения степени замкнутости, технологичности и надежности отдельных звеньев технологической подсистемы переработки органиче- ских отходов, уменьшении массы БТСЖО в расчете на члена экипажа, а также в автоматизации, монито- ринге и управлении вышеназванными процессами. Весьма перспективным для искусственного физи- ко-химического звена редуцентов в будущих БТСЖО с экипажем из нескольких человек представляется использовать принцип жидкофазного окисления орга- нических отходов активными формами кислорода в водной среде. H2O2 на сегодня является наиболее экологически чистым, эффективным и легко воспро- изводимым во внутрисистемном круговороте видом окислителя. Разрабатываемая последовательная тех- нологическая подсистема переработки органических отходов для получения из них питательных растворов для выращивания культурных растений, преимущест- венно на гидропонике, применительно к замкнутым экосистемам космического назначения состоит из трех основных реакторов: «мокрого сжигания», разложе- ния мочевины и синтеза H2O2. Упрощенная схема технологического процесса представлена на рис. 1. Сначала органические отходы (в первую очередь экзометаболиты человека, а также, возможно, несъе- добная биомасса растений, рыбные отходы и т. д.) смешиваются с 33%-м водным раствором H2O2 и через сутки поступают в реактор «мокрого сжигания» [8]. Перекись водорода активируется переменным элек- трическим током [9], образующиеся •O и •OH радика- лы запускают цепную реакцию окисления органиче- ских веществ в растворе. Получаемый на выходе «мокрого сжигания» продукт состоит из раствора, газа и небольших количеств осадка. Состав газовых компонентов и технология их вовлечения в кругово- ротные процессы БТСЖО описана в [10]. После процесса «мокрого сжигания» более 90 % мочевины остается в растворе. Поскольку мочевина не усваивается многими культурными растениями, раствор вместе с осадком далее направляется в реактор разложения мочевины. Ранее использовалась технология разложения мочевины ферментом уреазы, получаемой из соевой муки [11]. Процесс проходил при простой механизации и не тре- бовал специальной системы управления. В настоящее время разрабатывается альтернативный метод разло- жения мочевины с помощью катализатора из плати- новой фольги. Процесс автоматического управления реактором разложения мочевины на платине заключа- ется в поддержании постоянного тока в цепи при ме- няющейся электропроводности раствора в результате нагрева и химических реакций, а также термостатиро- вании при выходе реакции на рабочую температуру и отключении по прошествии заданного времени. В первом приближении такой процесс может осуще- ствляться по жестко заданной по времени программе. Доокисление осадка. После любого варианта процесса разложения мочевины осадок отстаивают и доокисляют в смеси HNO3+H2O2 в соотношении 1:1. Процесс извлечения элементов минерального питания высших растений из осадка в доступные формы в рас- творе описан в [12]. Необходимую для доокисления осадка и коррекции pH поливочных растворов на гид- ропонике азотную кислоту получают нитрификацией аммиака, связываемого в газовых скрубберах реакто- ров «мокрого сжигания» и разложения мочевины в 6 % HNO3. Процесс доокисления осадка, остающего- ся в продуктах «мокрого сжигания» раствора экзоме- таболитов человека в смеси HNO3 + H2O2 (1:1), может проводиться в реакторе, аналогичном установке «мокрого сжигания», но меньшего размера, либо накапливаться за несколько дней и проводиться в основной установке. Поскольку HNO3 сильно уве- личивает электропроводность раствора, требуются существенно меньшие уровни напряжения. Количест- во HNO3 определяется из предположения, что весь переходящий в газообразное состояние при первичном «мокром сжигании» раствора экзометаболитов NH3 преобразуется нитрификатором в равное количество молей HNO3 и возвращается полностью на доокисле- ние осадка, к которому добавляется H2O2 в молярном соотношении 1:1. Обычно используется 4,18 мл 65%-го HNO3 и 8,24 мл 33%-го водного раствора H2O2 на оса- док с 1 л раствора экзометаболитов человека. Рис. 1. Упрощенная схема технологической подсистемы переработки органических отходов для БТСЖО высокой степени замкнутости на примере проекта БИОС-4 Fig. 1. Simplified chart of organic wastes treatment technological chain for high-closure BTLSS on BIOS-4 project as example Напряжение очень сильно зависит от площади поперечного сечения раствора между электродами и, следовательно, от заполняемости реактора. Обычно осадок с 9 л раствора минерализованных экзометабо- литов с суммарным объемом кислоты перекиси и дис- тиллированной воды, используемой для смыва, порядка 300 мл разгоняют 5 мин при напряжении около 28 В, при этом ток вырастает с 3-5 до 7,5-10 А и раствор начинает кипеть (электропроводность раствора зависит также от его температуры), далее напряжение снижают до 14 В, при этом ток падает приблизительно до 3,5 А и находится на таком уровне порядка 2 часов до конца реакции. Конец реакции определяется отсутствием H2O2 в растворе при титро- вании перманганатом калия. Реакция доокисления осадка при фиксированных уровнях раствора может проводиться двумя переключениями через заданные интервалы времени, однако от уровня раствора в ре- акторе, связанного с его поперечным сечением, зави- сит ток в цепи и скорость реакции. Если уровни раствора не будут нормированы и стандартизированы, то для управления процессом потребуется следящая система, регулирующая напряжение для удержания значений тока в определенных пределах. Однако в большинстве случаев стандартизация процесса до- окисления осадка по объемам компонентов выглядит более простым решением, позволяя сделать управле- ние по жесткой программе. Авторами разработана и экспериментально прове- рена на растениях салата, взятого в качестве тест- объекта, технология доокисления осадка от «мокрого сжигания» в водной смеси HNO3+H2O2. Более поло- вины таких необходимых элементов минерального питания для высших растений, как Ca, Mg, P, Fe и др., были ранее связаны в труднорастворимом осад- ке и недоступны для минерального питания. Удалось перевести более 90 % вышеназванных элементов минерального питания в ионную форму, доступную в растворе. Достигнуто увеличение продуктивности салата более чем в 2 раза при использовании пита- тельного раствора, приготовленного из одинакового количества минерализованных экзометаболитов чело- века с использованием технологии растворения осад- ка, по сравнению с раннее использовавшейся техно- логической подсистемой [12], поскольку некоторые из выводимых в раствор элементов были лимити- рующими для роста культурных растений в условиях максимального замыкания круговорота веществ. Про- анализирована большая часть газовых компонентов процесса, ведутся работы по изучению динамики окисления остающихся от доокисления осадка в сме- си HNO3+H2O2 небольших количеств воска в почво- подобном субстрате. Работы по вовлечению осадка от «мокрого сжигания» в круговорот БТСЖО обладают принципиальной новизной и делаются впервые в мире. Модификация установки «мокрого сжигания». Была разработана, аппаратно и программно реализо- вана и апробирована в течение более 2 лет регулярной работы система мониторинга в реальном времени с записью на компьютер параметров протекания про- цесса «мокрого сжигания» для реактора с рабочим объемом 6 л, разгонным напряжением 100 В и рабо- чим напряжением 50 В, а также автоматическое и/или дистанционное управление через компьютер вышена- званной установкой [13]. В настоящее время изготовлен реактор «мокрого сжигания» с рабочим объемом 9 л для экипажа из 3 человек, который будет, в частности, оснащен подсистемой физико-химических реакторов приго- товления удобрений из органических отходов и ины- ми технологиями для высокозамкнутой БТСЖО ново- го поколения. Проблемой работы новой установки с таким реактором на 9 л оказалась измененная гео- метрия с меньшим расстоянием между электродами, изменилось соотношение тока и напряжения: 56 В - разгонное и 28 В - рабочее, при токе от 5-7 до 12-18 А. Материал стенок был заменен с керамики на фторо- пласт, и тщательно загерметизированы газовые пути. В результате тщательной герметизации газовых путей пороговое значение давления, сигнализирующее о переключении с разгонного напряжения на рабочее, стало достигаться слишком рано - через 10-15 мин, по сравнению с 60-90 мин для ранее отработанной керамической версии реактора с рабочим объемом 6 л, в результате раствор не успевал разогреться до рабо- чей температуры (95-100 ºС), что увеличивает время протекания процесса и ухудшает качество продукта, оцениваемое по химическому потребелнию кислорода. Для повышения теплоизоляции реактор был покрыт термоизоляционной пленкой, однако это не решило проблему. У новой установки «мокрого сжигания» рабочим объемом 9 л изменяется логика работы автоматики, требуется еще одна ступень. Включение пеногасителя и катализатора происходит по достижении давления, равного высоте столба жидкости в колбе для связыва- ния NH3, как и ранее, но переключение напряжения с разгонного на рабочие осуществляется по иному принципу - по достижении заданной рабочей темпе- ратуры раствора (95 ºС). Отключение установки про- исходит по разряжению -2 мм вод ст, как и ранее. Также актуальна задача разработки аналогичной системы компьютерного мониторинга (хода процес- сов переработки и движения веществ) и автоматиза- ции для остальных реакторов вышеназванной техно- логической подсистемы для создания единой инфор- мационной системы управления экспериментальным стендом БТСЖО. Целесообразным может оказаться автоматическая дозация H2O2 в ходе реакции при использовании про- цесса разложения мочевины с применением уреазы, получаемой из соевой муки, по заданным интервалам времени. Также возможна автоматическая дозация части H2O2 в ходе первичного процесса «мокрого сжигания», управляемая по току для сокращения рас- хода H2O2. Человеку для пищеварения необходимо потребле- ние NaCl, в то время как для большинства культурных растений данный компонент является ингибитором и губителен в повышенных концентрациях. В этой связи требуется обессоливание питательных раство- ров для культурных растений с целью поддержания приемлемо низких концентраций NaCl в поливочных растворах. Для этого в настоящее время используются растения-галофиты [14]. Параллельно ведется разра- ботка физико-химических методов обессоливания питательных растворов диализом [15], однако на дан- ный момент галофиты более перспективны. Рис. 2. Возможная схема синтеза H2O2 из внутрисистемной воды и электроэнергии применительно к БТСЖО космического назначения Fig. 2. Probable H2O2 synthesis scheme from intra-system water and electricity for space application BTLSS Синтез перекиси водорода. Процесс синтеза H2O2 является самым энергоемким в предполагаемой искусственной физико-химической части звена реду- центов. Наиболее важной на сегодня задачей для запуска эксперимента по замыканию системы нового поколения БИОС-4 с людьми, как первого значимого шага экспериментальной проверки существующих на сегодня концептуальных решений для полетной версии БТСЖО, является создание энергоэффектив- ной, не выделяющей токсичных газов, технологичной и легко встраиваемой в существующую схему круго- воротных процессов БТСЖО установки синтеза H2O2 из электроэнергии и имеющихся в системе потоков веществ. Преобладающий сегодня в промышленности антрохиноновый процесс синтеза H2O2 крайне про- блематично использовать для БТСЖО из-за сложно- сти, объемности и массивности технологической под- системы, а также потребности в реагентах. Ранее синтез H2O2 предполагалось осуществлять из кислорода и растворов минерализованных экзоме- таболитов на газодиффузионных электродах по про- цессу, описанному в [16]. Однако основным недос- татком этого метода является крайне низкий срок службы газодиффузионных электродов, необходи- мость их частой замены и трудность воспроизводства в рамках БТСЖО, что увеличивает ее общую массу. В настоящее время параллельно ведутся исследования по разработке реактора синтеза H2O2 из воды и кисло- рода под давлением с помощью ионизации насыщен- ного кислородом слоя жидкости эксилампой в диапа- зоне длин волн вакуумного ультрафиолета (ВУФ). Из всех процессов физико-химической переработки отходов процесс синтеза H2O2 в любой реализации - наиболее энергоемкий, даже при достижении теоре- тического минимума энергопотребления [15]. Известный процесс синтеза H2O2 катодным вос- становлением кислорода на газодиффузионном электроде применительно к БТСЖО имеет существенный недостаток - крайне низкий срок службы газодиф- фузионных пористых электродов и трудность их изго- товления в условия БТСЖО. В настоящее время авто- ры ведут подготовку эксперимента по синтезу H2O2 из внутрисистемной воды, барботируемой кислоро- дом под давлением под воздействием вакуумного ультрафиолета или ионизирующих излучений (рис. 2). Проводятся теоретические исследования для опре- деления оптимальной длины волны ВУФ эксилампы или конструкции ионизатора, а также повышения эффективности процесса с помощью катализаторов. Планируется провести серию экспериментов для получения поверхности оптимума эффективности процесса синтеза H2O2 в зависимости от следующих факторов: 1. Длина волны. Эксилампы на галогенидах излу- чающие в ВУФ-диапазоне, имеют определенные пики мощности для каждого вида галогена. Нужно подоб- рать наиболее эффективные длины волн для синтеза H2O2, поскольку проблема данного метода заключает- ся в том, что ВУФ-излучение одновременно интен- сивно синтезирует и разлагает H2O2, и на некоторых длинах волн на разложение H2O2 идет до 90 % энер- гии, идущей на синтез. 2. Интенсивность излучения. Поиск баланса меж- ду затрачиваемой мощностью и выходом реакции. 3. Давление атмосферы из чистого O2 внутри реактора. Давление повышает интенсивность и эф- фективность реакции, однако чем выше давление, тем необходимы более мощные насосы для нагнетания O2 и более массивная камера для удержания создаваемого давления. 4. Толщина слоя воды. ВУФ-излучение сильно по- глощается водой, более 90 % мощности задерживает- ся в единицах мм слоя воды. 5. Скорость протока. С одной стороны, чем выше скорость протока, тем больше продукта получается, с другой стороны, концентрация H2O2 ниже. Нужно определить, при какой скорости протока получается максимальный выход молей H2O2 на единицы затра- чиваемой энергии при приемлемых объемах и буфер- ных массах. 6. Интенсивность барботажа. Насыщенность слоя воды кислородом должна быть такой, чтобы обеспе- чивать максимальный выход продукта при минималь- ных энергозатратах. 7. Катализаторы и стабилизаторы. H2O2 - актив- ный окислитель и нестабильное соединение. Для ста- билизации H2O2 используются ZnO, Zn(MnO4)2 и дру- гие вещества [17], которые не выделяются из потоков веществ в имеющемся круговороте БТСЖО. Расход катализаторов и стабилизаторов и их попадание в питательные растворы должны быть пренебрежимо малы, если они вредны для человека и/или тяжело восстанавливаются в рамках БТСЖО. Иные параметры процесса, которые могут оказать- ся существенными, если их варьирование технически реализуемо доступными средствами. После получения данной поверхности оптимума процесса будет возможно создание полномасштабной установки, синтез алгоритмов и системы управления реактором синтеза H2O2. Второй возможный подход заключается в поиске путей существенного продления срока службы электродов и облегчения процесса их воспроизводства в системе для процесса, описан- ного в [16]. Заключение. Представлено современное состояние разработок искусственного высокопроизводительного звена редуцентов - технологической подсистемы физико-химических реакторов, включая принципы их автоматизации, для искусственных высокозамкнутых экосистем космического назначения. Полученные результаты и ведущиеся авторами в настоящее время исследования по доработке технологической схемы процессов последовательной переработки отходов в удобрения являются частью большого цикла работ по развитию высокозамкнутых БТСЖО космического назначения. Представляется, что данные разработки могут быть востребованы при освоении среднего и в долгосрочной перспективе дальнего космоса, начиная от исследовательских баз на Марсе и других планетах, до решения задач отдаленной перспективы терраформирования и межзвездной колонизации.

Об авторах

Е. А. Морозов

Институт биофизики СО РАН; Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Email: transserfer89@gmail.com
Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/50; Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

С. В. Трифонов

Институт биофизики СО РАН; Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/50; Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

М. Ю. Салтыков

Институт биофизики СО РАН; Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/50; Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

А. В. Мурыгин

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

А. А. Тихомиров

Институт биофизики СО РАН; Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/50; Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Список литературы

Дополнительные файлы