Разработка фотобиореакторов для замкнутых экологических систем жизнеобеспечения

Разработка и исследование замкнутых искусственных экологических систем ассоциируется с решением проблемы обеспечения надежных условий жизнедеятельности экипажей подводных, космических и подземных гермообъектов, исследователей пустынных и высокогорных районов, Арктики и Антарктиды, деятельность которых связана с длительным существованием вне пределов земной биосферы.

Проблема создания в гермообъекте необходимых для жизни условий чрезвычайно сложна. При этом уделяется внимание как биологическим, так и инженерным вопросам. Самым важным соображением при этом является продолжительность экспедиции, для которой предназначен гермообъект. К физиологическим факторам, служащим отправной точкой для выявления основных характеристик искусственной экологической системы относятся интенсивность обмена веществ экипажа, в частности скорости потребления кислорода и выделения углекислого газа, количество необходимой воды, а также температура и влажность окружающей среды, и допустимый уровень ее загрязнения. С этими параметрами связаны и такие, как численность экипажа, возможность перезарядки системы во время экспедиции, число планируемых выходов членов экипажа из гермообъекта и количество необходимых запасов.

Искусственные экосистемы полузамкнутого типа, разработанные для жизнеобеспечения человека и действующие на гермообъектах в настоящее время, можно рассматривать как группу связанных между собой подсистем: кондиционирования воздуха, обеспечения водой, обработки продуктов жизнедеятельности, терморегуляции.

В подсистему кондиционирования воздуха входят запасы дыхательных смесей, вентиляционное оборудование, устройства для очистки и обработки газовых смесей (удаления запахов, углекислого газа, твердых частиц и других загрязнений, а также поддержания необходимых значений влажности, температуры и давления). Подсистемы обеспечения водой и обработки продуктов жизнедеятельности экипажа снабжают его питьевой водой и водой для личной гигиены, а также обрабатывают и при необходимости хранят в виде отходов продукты жизнедеятельности. Подсистема терморегуляции поддерживает в пространстве гермообъекта оптимальную температуру.

Полузамкнутая искусственная экосистема не удовлетворяет требованиям продолжительных экспедиций. Одним из вариантов решения этой проблемы является копирование замкнутой экологической системы жизнеобеспечения (ЗЭСЖО), частью которой является на Земле человек.

Для длительной автономной работы человека вне пределов земной биосферы, потребуется система, в основе работы которой лежит непрерывный материальный и энергетический обмен между животным и растительным миром и круговорот воды. Основным звеном такой системы является блок фотосинтеза, в котором выделяемый человеком углекислый газ преобразуется в кислород и углерод, являющийся составной частью питания растений. Следует заметить, что в состоянии непрерывного внутреннего обмена в ЗЭСЖО может находиться только вещество, в то время как энергия для такой системы должна поступать от внешнего источника. Такой источник энергии может быть искусственным или естественным, например, Солнце, при работе гермообъекта в пределах Солнечной системы.

Принципиальная возможность реализации ЗЭСЖО была показана в длительных модельных экспериментах на Земле и в космосе. В ходе экспериментов с одноклеточными водорослями и высшими растениями на борту российских биоспутников и орбитальных станций выявлено, что функциональные возможности фотоавтотрофного звена ЗЭСЖО не зависят от гравитационного фактора, т. е. низшие и высшие фототрофные организмы способны в невесомости обеспечить продукционный процесс, сопоставимый с таковым на Земле.

Продвижение замкнутых экосистем в гермообъекты, в частности на борт космических летательных аппаратов тормозится, на наш взгляд, отсутствием эффективного аппаратурно-технологического оформления процессов культивирования микроводорослей. Предлагаемые в данной работе конструкции фотобиореакторов (ФБР), характеризующихся высокой производительностью, умеренными энергозатратами, компактностью и универсальностью позволяют прогнозировать их устойчивую работу и достижение высоких показателей в ЗЭСЖО наземных, подводных и космических гермообъектов.

Все исследования реакторов, представленных в работе, проводились в условиях гравитации, поэтому о перспективах их использования в условиях невесомости сообщается в отдельных главах в виде примечаний.

Цель работы.

Разработка фотобиореакторов для автотрофного и гетеротрофного культивирования микроводорослей в составе замкнутых экологических систем жизнеобеспечения.

Для достижения этой цели проведены исследования, включающие решение следующих задач научного и прикладного характера:

— анализ конструкций фотобиореакторов с точки зрения возможности их использования в искусственных экосистемах;

— разработка компактных фотобиореакторов с высокими значениями массо-обменных характеристик, работающих на высоких концентрациях биомассы;

— изучение влияния режимов светоподвода и перемешивания суспензии в на ростовые характеристики биомассы и скорость утилизации СО2;

— разработка методики оценки и оптимизации энергозатрат в процессах культивирования микроводорослей.

Научная новизна.

— предложена конструкция полостного фотобиореактора с механическим перемешиванием для аппаратурно-технологического оформления водорослевого звена замкнутой экологической системы жизнеобеспечения;

— предложена конструктивная модернизация гладкостенного полостного фотобиореактора с целью улучшения его массообменных и эксплуатационных характеристик;

— установлена зависимость гидродинамических и массообменных характеристик модернизированного полостного реактора от величин его конструктивных параметров;

— исследовано влияние конструктивных параметров модернизированного фотобиореактора на скорость утилизации СО2;

— предложен параметр масштабирования полостного фотобиореактора, основанный на постоянстве освещенности поверхности газовой полости;

— разработана методика оценки затрат мощности на освещение газовой полости фотобиореактора.

Практическая ценность.

— разработаны и изготовлены лабораторные модели фотобиореакторов с механическим перемешиванием, предназначенные для культивирования микроводорослей с различными типами питания и уровнями клеточной организации;

— по результатам экспериментальных исследований для полостных фотобиореакторов установлены основные рекомендуемые технические характеристики: оптимальный коэффициент заполнения, рациональные энергозатраты на перемешивание и освещение;

— разработано техническое решение, в т. ч. оптимальное внутреннее оребрение реактора, обеспечивающее значительное снижение циклических нагрузок на корпус реактора и опорную конструкцию установки;

— разработан и апробирован макет теплообменного устройства, обеспечивающий поддержание оптимального температурного режима работы осветительного блока, а также постоянство его оптических характеристик;

— для облучения поверхности светопоглощения полостных фотобиореакторов рекомендовано использование натриевых ламп высокого давления, обеспечивающих оптимальный спектральный состав света;

— предложенная энергосберегающая конструкция модернизированного фотобиореактора рекомендована для замкнуты экологических систем жизнеобеспечения, работающих в условиях невесомости.

Положения, выносимые на защиту.

1.Для аппаратурного оформления фототрофного звена замкнутой искусственной экосистемы рекомендуются реакторы с жидкостным потоком, формирующимся под действием центробежных сил — полостные реакторы с механическим перемешиванием, в которых реализован принцип совмещения зон сорбции и светоподвода.

2. Система искусственного освещения полостного фотобиореактора с принудительным водяным охлаждением, обеспечивает сохранение фотометрических показателей источника света в течение длительных периодов культивирования хлореллы.

3 Модульный принцип компоновки лампового блока позволяет оценить его мощность при масштабировании полостного фотобиореактора.

4.Фактором, ограничивающим объемный ряд полостных фотобиореакторов, является совокупность конструктивных параметров холодильника осветительного блока.

5. Модернизация корпуса полостного ФБР обуславливает значительное увеличение интенсивности массообмена в системе газ-жидкость при минимальных дополнительных затратах мощности.

6. Суточная газообменная производительность реактора рабочим объемом 140 л соответствует потребностям одного человека.

Основные публикации по работе выполнены в соавторстве с В.А. Жаворон-ковым и Д. А. Казениным. При этом соискателем проведены все экспериментальные исследования и расчеты. В. А. Жаворонков предложил классификацию ФБР, разработку фотобиореакторов на основе совмещения зон сорбции и светоподвода, использование демпферных мешалок для создания потока кольцевидного сечения в ФБР, а также принимал участие в проектировании образцов лабораторных реакторов, представленных в работе. Д. А. Казенин предложил подход к массообменным исследованиям полостных ФБР, принимал участие в обсуждении результатов экспериментов, их математического описания, а также в редактировании публикаций и текста работы.

Соискателем показана необходимость интенсификации массообмена в глад-костенном полостном ФБР при его использовании в замкнутых системах жизнеобеспечения, для чего предложена конструктивная модернизация корпуса реактораразработаны методики фотометрических исследований и оценки мощности осветительной системыустановлены рекомендуемые значения основных технических характеристик и предложен параметр масштабирования полостных фотобиореакторовразработаны и смонтированы все представленные в работе экспериментальные установки, предложено математическое описание и проведена статистическая обработка экспериментальных данныхполученные результаты, оформленные в виде статей и тезисов, апробированы на 5 конференциях.

Таким образом, вклад соискателя в работу является определяющим.

Основные результаты и выводы.

1. Проведена модернизация конструкции и расчет полостного фотобиореактора, обеспечивающего повышение его массообменных и эксплуатационных характеристик.

2. Разработана система искусственного освещения полостного фотобиореактора с принудительным водяным охлаждением, обеспечивающая сохранение фотометрических показателей источника света в течение длительных периодов культивирования микроводорослей.

3. Предложенная методика фотометрических исследований осветительной системы позволяет оценить необходимую мощность для освещения суспензии в реакторах различных объемов при использовании различных искусственных источников света.

4. Показано, что фактором, ограничивающим объемный ряд полостных фото-биореакторов является конструкция и режим работы холодильника осветительного блока.

5. При использовании в полостном фотобиореакторе оптимальной системы освещения на основе натриевых ламп, энергозатраты составляют в среднем — 82% на освещение и 18% на перемешивание.

6. Предложенная конструктивная модернизация полостного фотобиореактора позволяет улучшить его эксплуатационные характеристики, а также интенсифицировать массообмен по кислороду в 2−3 раза при увеличении энергозатрат на перемешивание на 7−25%.

7. На основании технологических исследований образца полостного фотобиореактора показано, что его суточная газообменная производительность при раЛ бочем объеме 0,14 м соответствует потребностям одного человека. Прогнозируемая потребляемая мощность составляет 4,5 кВт, что в 6,5 раз ниже мощности, потребляемой трубчатым фотобиореактором аналогичного рабочего объема и производительности.