Разработка принципов управления блоком обессоливания для замкнутых систем жизнеобеспечения космического назначения*

Полный текст

Введение^*

Замкнутые искусственные экосистемы, включающие человека и высшие растения, представляют научный интерес в исследованиях круговоротных процессов естественных и искусственных экосистем. Технологии, разрабатываемые для организации массообмена между экипажем и звеном высших растений, планируется использовать при создании биотехнических систем жизнеобеспечения (БТСЖО) планетарных баз, в том числе лунной и марсианской [1–3]. Одним из ключевых моментов в организации массообмена является быстрая и экологически чистая переработка органических отходов, в том числе метаболитов человека, в удобрения. Существует ограниченное число методов такой утилизации [1–12], каждый из которых имеет недостатком высокое относительное содержание NaCl в продуктах переработки. Постоянное их использование в качестве удобрений приведет к засолению ирригационных растворов и снижению производительности космической оранжереи при ее долговременном многомесячном функционировании. В итоге экипаж начнет испытывать дефицит растительной пищи, а затем воды и кислорода. В этой связи представляется актуальным развитие технологий обессоливания [13; 14], в том числе развитие автоматизированного управления соответствующими технологическими процессами.

Очевидно, что разработку технологии извлечения NaCl рациональнее всего выполнять в комплексе с технологией переработки отходов, так как основным источником NaCl в массообмене являются метаболиты человека. В Институте биофизики СО РАН ведется разработка комплекса физико-химической переработки отходов растительного и животного происхождения, в том числе метаболитов человека, для вовлечения элементов, содержащихся в данных отходах, в круговорот массообменных процессов БТСЖО. Данный комплекс основывается на минерализации отходов методом «мокрого» сжигания, суть которого заключается в окислении органических отходов в водном растворе перекиси водорода под действием переменного электрического тока [12; 15; 16]. В результате такой переработки образуется минерализованный раствор, который может быть использован для приготовления ирригационного раствора звена высших растений [15; 16]. Данный метод имеет большое преимущество в скорости утилизации и экологической безопасности получаемых продуктов (раствор и газ) [16].

Помимо опасности засоления, получаемая реакторная жидкость не может быть непосредственно внесена в ирригационный раствор для растений, так как метод «мокрого» сжигания практически не способен утилизировать мочевину, что повышает риск развития в системе условно патогенных уробактерий [16]. Поэтому комплекс физико-химической переработки органических отходов включает в себя несколько процессов [12]:

1. «мокрое» сжигание отходов;
2. разложение мочевины;
3. выделение NaCl.

Для налаживания надежного массообменного цикла БТСЖО необходимо, чтобы все процессы комплекса переработки отходов протекали в течение технологически приемлемого времени (не более 1–2 суток). Предпочтительнее всего было бы иметь возможность переработать суточную норму жидких выделений человека в течение суток.

Данная работа посвящена разработке принципов управления технологическими процессами разложения мочевины и выделения NaCl из раствора минерализованных метаболитов человека, полученных методом «мокрого» сжигания. В разрабатываемом блоке выделения NaCl осуществляется несколько физико-химических последовательных и параллельных процессов. Несмотря на различия в химии процессов, их динамика схожа, а условия  протекания обеспечиваются аналогичными физико-химическими методами. Это позволяет выстроить аппаратную и программную часть элементов блока таким образом, чтобы имелась возможность взаимной замены комплектующих. Благодаря этому будет повышена живучесть и надежность БТСЖО, снижены риски успешного выполнения миссии.

Технологические процессы блока обессоливания

Общая схема экспериментального комплекса физико-химической переработки органических отходов представлена на рис. 1. Согласно этой схеме, после переработки в реакторе «мокрого» сжигания, минерализованные экзометаболиты поступают в реактор ферментативного разложения мочевины с помощью уреазы [16; 17]. Также в этот реактор происходит периодическое поступление HCl, синтезируемого в реакторе синтеза HCl [18], для коррекции уровня pH раствора. Процесс гидролиза мочевины в растворе завершается при снижении уровня ее концентрации до определенного значения.

Далее раствор поступает в выделитель Cl₂, где вследствие электролиза происходит образование газообразного Cl₂, который поступает в реактор синтеза HCl [18], необходимой для получения NaCl на последнем этапе технологического процесса. Выделение Cl₂ происходит за счет электролиза раствора и завершается при снижении уровня концентрации Cl^- в растворе до определенного значения.

Синтез HCl [12] протекает до тех пор, пока весь газообразный хлор, образованный на предыдущем этапе, не будет конвертирован в кислоту и зафиксирован в воде, то есть процесс останавливается при достижении определенного значения концентрации HCl в водном растворе.

После разложения мочевины и выделения хлора раствор поступает в электролизер, в котором осуществляется выделение щелочной части из минерализованных метаболитов, содержащей в себе основную долю металлов. Кислая и нейтральные части возвращаются в ирригационный раствор. Процесс выделения щелочной части направлен на понижение концентрации Na⁺ в растворе, поэтому сигналом к его окончанию служит снижение уровня этой концентрации до определенного значения, определяемого оператором.

Далее в реакторе синтеза карбоната натрия происходит выделение Na₂CO₃ из щелочного раствора, а остальные компоненты щелочного раствора в виде раствора карбонатов возвращаются в ирригационный раствор. Синтез Na₂CO₃ многоступенчатый:

1. барботаж воздухом и нагрев до определенной температуры щелочного раствора, пока он не будет сконцентрирован до определенного объема (уровня);
2. барботаж CO₂ раствора NaHCO₃ и KHCO₃, до достижения определенного давления газа над раствором;
3. охлаждение до определенной температуры и раствора Na₂CO₃ и K₂CO₃ и поддержание пониженного давления над раствором определенное время.

На последнем физико-химическом этапе в реакторе синтеза NaCl происходит смешивание Na₂CO₃ и HCl с образованием раствора NaCl. Процесс протекает в жидкой фазе и завершается при достижении требуемого уровня pH. Далее полученный раствор с высоким содержанием NaCl может быть доочищен для непосредственного получения пищевой соли либо использован для культивирования галофитов в фототрофном звене, обеспечивающих человека NaCl.

 

Рис. 1. Цикл NaCl в массообмене БТСЖО

Fig. 1. Cycle of NaCl in the mass transfer of BTLSS

 

Экспериментально показано, что разрабатываемая физико-химическая технология обессоливания минерализованных метаболитов человека в перспективе позволит менее чем за сутки удалять из раствора до 80 % NaCl, который в дальнейшем может быть использован для получения пищевой соли экипажа [19]. Выявление аналогичных моментов в технологических процессах блока обессоливания позволит применить универсальные, взаимозаменяемые элементы аппаратного обеспечения и логического управления процессами, что поможет значительно сократить массу блока, повысить его надежность, а оператору проще сохранять контроль, переходя от одного технологического этапа к другому.

Принципы управления блока обессоливания

Каждый из технологических процессов блока обессоливания можно охарактеризовать монотонным достижением целевым параметром определенного значения, интересующего оператора. На этапе разложения мочевины о завершении процесса можно ориентироваться по изменению концентрации мочевины, или продукта ее гидролиза – NH₄⁺, что технологически проще реализуется измерительными электродами [19]. Окончание процессов выделения Cl₂ и синтеза HCl определяется по показаниям концентрации Сl^– в растворе, процесса выделения щелочной части – по показаниям концентрации Na⁺ в растворе. Выделение карбоната натрия и синтез NaCl завершаются при достижении определенного времени или значения pH, или уровня раствора. Во всех случаях оператор должен получать данные, в том числе графические, по динамике и текущему значению, только одного целевого параметра процесса, чтобы снизить вероятность ошибки и риски успешного завершения работы блока.

Соответствующие условия для технологических процессов блока обессоливания должны обеспечиваться поддержанием в оптимальном диапазоне ряда параметров среды: температуры и давления газа над раствором, температуры, pH и уровня раствора. Эти параметры могут корректироваться методом релейной автоматики путем  включения/отключения исполнительного устройства (нагревателя, насоса кислоты или воздушного насоса) в зависимости от показаний датчиков. Также необходимо отслеживать критические отклонения от оптимальных параметров, способные привести к разрушению технологической линии.

Исходя из изложенных характеристик процессов, управление блоком обессоливания можно разделить на две автоматизированные подсистемы, контролирующие достижение целевого параметра и параметры условий соответственно (см. таблицу). Первая подсистема отслеживает факт достижения целевым параметром определенного значения (сигнал о завершении технологического этапа), а также динамику этого процесса для контроля скорости его течения. Динамику может контролировать оператор, ориентируясь по характеру тренда значений целевого параметра, или автоматика, удерживая значения производных целевого параметра в заданных диапазонах. Вторая подсистема поддерживает параметры среды в требуемом диапазоне либо экстренно останавливает процесс при их выходе за критическое значение.

 

Контролируемые параметры этапов обессоливания

Этап	Контролируемые параметры
	Целевой параметр	Параметры условий
Разложение мочевины	Концентрация NH4+	tº раствора, pH
Выделение Cl2	Концентрация Сl–	tº раствора, V раствора
Синтез HCl	Концентрация Сl–	tº раствора, V раствора
Выделение щелочного раствора	Концентрация Na+	tº раствора, V раствора
Синтез Na2CO3	V раствора/ P газа/ Время	tº раствора
Синтез NaCl	pH	tº раствора

Примечание. tº – температура; V – объем; P – давление.

 

Подобие задач управления технологическими процессами позволяет использовать одинаковую логику работы алгоритма управления (рис. 2) на всех этапах обессоливания. Работа алгоритма должна начинаться с блока предопределенного процесса: проверки подключения датчиков и исполнительных устройств для оценки технического состояния агрегатов. Далее необходим блок данных: ввод оператором значений целевых параметров и параметров условий процесса – для возможности использования одного устройства управления на всех этапах обессоливания. Также это позволит применять систему управления для проведения опытов с физико-химическими процессами в настраиваемых экспериментальных условиях.

После ввода значений параметров работу начинает подсистема, контролирующая текущие параметры условий технологического процесса. Блок процессов считывает и записывает данные о параметрах условий. Далее блок принятия решений сравнивает значения этих параметров с требуемыми диапазонами значений. Если значение параметра находится внутри диапазона, включая его граничные значения, то процесс протекает нормально и контроль переходит подсистеме, отслеживающей достижение целевым параметром заданного значения. Если значение параметра условий находится вне требуемого диапазона, то следующий блок принятия решений сравнивает текущее значение параметра условий с критическим диапазоном значений. Если значение параметра находится внутри критического диапазона, включая его граничные значения,то блок процессов выполняет акт корректировки условий исполнительными устройствами, после чего цикл алгоритма возвращается на этап работы блока процессов, который считывает и записывает данные об обновленных параметрах условий. Если значение параметра условий находится вне критического диапазона, то блок предопределенного процесса проводит подготовку реактора к экстренному отключению и алгоритм завершает работу, отключая реактор.

Подсистема контроля целевого параметра начинает работу, если значения параметров условий находятся в заданном диапазоне. Блок процессов считывает и записывает данные о текущем значении целевого параметра. Далее блок принятия решений сравнивает текущее значение с требуемым. Если значение параметра меньше требуемого, то процесс продолжается, и цикл возвращается к блоку процессов, который считывает и записывает данные об обновленных параметрах условий. Если значение целевого параметра больше либо равно заданному, то блок предопределенного процесса проводит подготовку реактора к планомерному отключению и алгоритм завершает работу, отключая реактор.

 

Рис. 2. Алгоритм работы программы автоматики

Fig. 2. Algorithm of the automation program

 

Функциональная схема автоматики представлена на рис. 3. Элементы схемы являются универсальными и могут принимать участие в нескольких этапах работы блока выделения NaCl.

 

Рис. 3. Функциональная схема автоматики блока выделения NaCl

Fig. 3. Functional scheme of the NaCl extraction block automation

 

Заключение

Разрабатываемый блок обессоливания растворов является частью подсистемы физико-химической утилизации органических отходов БТСЖО. В эту подсистему также входит реактор «мокрого» сжигания, процесс минерализации в котором многостадиен и имеет цепной характер. Принципы его автоматизации, изложенные в [12; 19; 20], базируются на многократном изменении целевого параметра и требуют введения дополнительного параметра – температуры – при масштабировании процесса. Вследствие этого применение подхода, изложенного в данной статье, невозможно при разработке алгоритма управления реактором «мокрого» сжигания. Тем не менее он имеет ряд преимуществ.

Представленный алгоритм может обслуживать 6 из 7 технологических этапов подсистемы физико-химической утилизации органических отходов. Использование только одного целевого параметра в качестве индикатора завершения процесса поможет оператору в сохранении контроля при переходе от одного технологического этапа к другому. Возможность внесения контрольных значений параметров условий и целевого параметра позволяет применить автоматическое управление в научно-образовательном приложении. Например, при создании опытных или образовательных стендов для изучения процессов ферментации, электродиализа и кристаллизации.

В целом можно заключить, что описанные принципы управления блоком обессоливания повысят надежность БТСЖО. Во-первых, за счет снижения нагрузки на оператора благодаря автоматизации. Во-вторых, за счет дублирования аппаратной части. Ряд параметров, контролируемых алгоритмом на разных технологических этапах, измеряют принципиально одинаково: измерительными электродами, датчиками уровня, давления и температуры. Это означает, что от одного технологического этапа к другому могут быть использованы одни и те же вычислительные устройства. Отмеченные преимущества повышают перспективность применения БТСЖО в будущих планетарных базах, что благоприятно отразится на освоении человеком Солнечной системы.

 

_______________________________

^* Исследование выполнено в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования РФ (проект № 0287-2021-0024).

The study was funded by State Assignment of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (project No. 0287-2021-0024).

Об авторах

Александр Аполлинариевич Тихомиров

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

Автор, ответственный за переписку.
Email: trifonov_sergei@inbox.ru

доктор биологических наук, профессор, заведующий лабораторией управления биосинтезом фототрофов, заведующий кафедрой замкнутых экосистем

Россия, 660036, Красноярск, ул. Академгородок, 50/50; 660037, Красноярск, проспект имени газеты «Красноярский Рабочий», 31

Сергей Викторович Трифонов

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

Email: trifonov_sergei@inbox.ru

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории управления биосинтезом фототрофов, доцент кафедры замкнутых экосистем

Россия, 660036, Красноярск, ул. Академгородок, 50/50; 660037, Красноярск, проспект имени газеты «Красноярский Рабочий», 31

Егор Андреевич Морозов

Институт биофизики СО РАН

Email: transserfer89@gmail.com

кандидат биологических наук, младший научный сотрудник; Институт биофизики СО РАН

Россия, 660036, Красноярск, ул. Академгородок, 50/50

Александр Владимирович Мурыгин

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

Email: avm514@mail.ru

доктор технических наук, профессор; заведующий кафедрой информационно-управляющих систем

Россия, 660037, Красноярск, проспект имени газеты «Красноярский Рабочий», 31

Список литературы

Дополнительные файлы