Использование метана в замкнутых комплексах жизнеобеспечения космических экспедиций

В первых полётах человека в космос использовались системы жизнеобеспечения (СЖО) на запасах веществ [1]. Такие системы, основанные на запасах воды, кислорода и поглотителей углекислого газа, неэкономичны при орбитальных космических полётах и не могут быть использованы при дальних космических миссиях в качестве основных из-за массовых и объёмных ограничений. Поэтому в настоящее время разработаны и используются на космических станциях комплексы регенерационных физикохимических систем СЖО на основе регенерации воды и кислорода из продуктов жизнедеятельности человека [1, 2]. Физико-химический регенерационный комплекс СЖО принципиально не может быть полностью замкнутым в настоящее время, так как отсутствует прежде всего процесс регенерации пищи. Кроме того, физикохимический регенерационный комплекс СЖО на космической станции ещё не замкнут и по кислороду, так как не решён вопрос извлечения кислорода из выделяемого человеком углекислого газа — такие системы проходят наземные испытания.

При общем требовании максимальных ресурсов и минимальной массы оборудования космических СЖО принципиально важен анализ массового баланса и выбор на его основе регенерационного комплекса и используемых процессов регенерации для обеспечения максимальной замкнутости по составляющим массообменного баланса человека.

В первую очередь речь идет об извлечении кислорода из углекислого газа и о возможности использования образующегося метана при одной из перспективных технологий — реакции Сабатье, в которой извлекается 61% кислорода. Метан можно использовать как для пиролиза с целью возврата образовавшегося водорода в эту реакцию для извлечения 100% кислорода из углекислого газа, так и для образования пищевого белка для космического жизнеобеспечения.

Последнему способствует возможность получения воды непосредственно на Луне [3] и Марсе [4] и выработки из неё необходимого дополнительного кислорода для метанотрофного биосинтеза. Кроме того, поскольку атмосфера Марса состоит из более 95% углекислого газа, то существует возможность с помощью водорода из имеющейся на Марсе воды с помощью реакции Сабатье получать большое количество метана для его дальнейшего использования (в 2011 г. марсоход NASA Curiosity с помощью российского генератора нейтронов смог обнаружить на Марсе воду) [4, 5].

Создание системы производства пищевого белка из метана позволит использовать её как одну из систем обеспечения пищей на Луне и Марсе, а также в качестве резервной системы в космических экспедициях.

массовый баланс человека

Массовый баланс основных продуктов жизнедеятельности человека в соответствии с отечественным стандартом представлен в табл. 1 (в нём не учтены микропримеси воды и атмосферы) [6].

Таблица 1

массовый баланс основных продуктов жизнедеятельности человека

Поступление, г/сут			Выделение, г/сут
Питание	Сухая масса	600	Фекалии	Сухая масса	150
	Вода	500		Вода	150
Дыхание	Кислород	860	Дыхание	Углекислый газ	960
Приготовление пищи и питье	Вода	2 000	Урина	Вода	1 200
			Влага через лёгкие и кожу	Конденсат атмосферной влаги	1 500
Потребление воды		2 500	Удаление воды (метаболическая 350)		2 850
Общее потребление		3 960	Общее удаление		3 960

Баланс по воде достигается за счёт выделения дополнительного количества воды, образующейся в организме человека — 350 г так называемой метаболической воды.

Общее количество кислорода, содержащееся в выдыхаемом человеком углекислом газе, составляет 700 г/чел в сутки, что составляет 81% от кислорода, необходимого человеку для дыхания. Остальные 19% кислорода (160 г/чел в сутки) должны быть получены из выделяемой человеком воды (180 г/чел в сутки), что согласуется с балансом, так как человек выделяет в сутки 350 г метаболической («лишней») воды. Теоретически полное использование выделяемой экипажем воды оставляет запас воды 170 г/чел в сутки. Практически этот запас воды не существует, наоборот — требуются запасы воды из-за её потерь, связанных в первую очередь с неполной регенерацией воды из продуктов жизнедеятельности, поглощением влаги интерьером, одеждой и т. д.

методы извлечения кислородаиз углекислого газа и образование метана

Одной из основных задач замкнутого комплекса жизнеобеспечения в настоящее время является извлечение кислорода из углекислого газа. Прямая реакция крайне невыгодна с экономической точки зрения. Полное разложение возможно только на атомарный углерод и атомарный кислород в горячей вольтовой дуге выше 6 000-7 о0о °С, поэтому используется гидрирование углекислого газа в качестве промежуточной реакции.

Наиболее простым процессом регенерации кислорода из углекислого газа является реакция Сабатье, легко осуществимая за один проход газового потока. Это самый распространенный способ извлечения кислорода из углекислого газа с дальнейшим электролизом образующейся воды [1, 2].

Реакция Сабатье — СО2 + 4Н2 = = СН4 + 2Н2О — является экзотермической, проводится при 260-300 °С (с использованием катализатора) c удалением метана и частично углекислого газа.

2Н2О = 2Н2 + О2 — электролиз образовавшейся воды с возвращением водорода в реакцию с углекислым газом.

В связи с потерей части водорода с метаном, углекислый газ не может быть использован полностью для получения воды с целью извлечения из неё кислорода. При отсутствии пиролиза метана реакция Сабатье позволяет использовать только 61% выделяемого человеком углекислого газа.

Потери кислорода в этом случае составят 39% (270 г/чел в сутки) от имеющегося в углекислом газе, для получения которого необходимо 300 г/чел в сутки воды. Таким образом, при использовании процесса Сабатье для получения кислорода, необходимого человеку для дыхания (860 г/чел в сутки), требуется дополнительный электролиз воды 180 + 300 = 480 г/чел в сутки [1, 2].

С целью возврата всего водорода при использовании реакции Сабатье для извлечения всех 100% кислорода из углекислого газа была рассмотрена реакция пиролиза метана СН4 = С + 2Н2. По работам 1960–80 гг. пиролиз осуществлялся при температуре 1 030-1 100 ° С и более с использованием катализатора [1, 2]. Однако при этом требовалось быстрое охлаждение, чтобы избежать промежуточных углеродных соединений, а на катализаторе и конструкции реактора образовывался трудноудаляемый углерод, в связи с этим процесс по этой реакции не был рекомендован к использованию.

Поэтому ранее для полного извлечения кислорода из углекислого газа были рассмотрены реакции гидрирования с дальнейшим электролизом образующейся воды (Фишера–Тропша и Будуара, Боша), а также высокотемпературный электролиз СО2 с получением окиси углерода и части кислорода, и реакции Будуара [1, 2]. Все эти реакции либо не осуществляются за один проход, либо проходят с образованием трудноудаляемого углерода или промежуточных углеводородов, либо с температурой более 1 000 °С, а также с сочетанием нескольких указанных факторов. В связи с этим их трудно реализовать в космической технике.

возможность использования метана на космических станциях для регенерации кислорода

Перспектива развития водородной энергетики заставила вернуться к реакции разложения метана на водород и углерод. Работы по получению водорода велись по нескольким направлениям: электролиз воды, пароводяная конверсия метана, получение водорода из природного газа, основной компонент которого — метан. Оказалось, что с использованием соответствующих катализаторов температура пиролиза метана с получением водорода и кислорода может быть значительно снижена, а эффективность использования катализатора увеличена на порядки [7–10].

Сам процесс может быть выражен следующими уравнениями:

СО2 + 4Н2 = СН4 + 2Н2О;(1)

2Н2О = 2Н2 + О2;(2)

СН4 = С + 2Н2;(3)

2СО2 + 4Н2 = СН4 + 2Н2О + С + О2. (4) Осуществление процесса образования волокнистого углерода в неподвижном слое приводило к заполнению свободного объёма между частицами катализатора, и, как следствие, к увеличению гидравлического сопротивления газового тракта,   что делало невозможным дальнейшее осуществление процесса [7]. Были отмечены низкий выход углерода  и водорода на единицу массы катализатора за период его полной дезактивации и трудность поддержания    постоянной температуры в неподвижном слое катализатора.

Для того чтобы исключить эти недостатки, разложение метана осуществлялось при постоянном перемешивании катализатора в вибро- или псевдоожиженном слое при воздействии на него нагревателем либо высокочастотным излучением. Для получения наибольшего молекулярного соотношения водород–метан в продуктах реакции был предложен процесс получения из метана водорода и волокнистого углеродного материала путём разложения на катализаторе, содержащем никель, медь и трудновосстанавливаемые оксиды (оксиды алюминия, кремния, циркония, магния, титана или смесь этих оксидов, которые не восстанавливались в среде водорода при температурах до 1 000 °С, предотвращали спекание металлических наночастиц и сами в реакции не участвовали). В этих условиях углерод образовывался на кристаллитах медноникелевых сплавов в виде нитей, которые переплетались между собой в гранулы, обладающие сыпучестью и легко извлекаемые из реактора. Газообразные продукты реакции — водород и непрореагировавший метан — удалялись из реактора [7].

Схема данной технологии представлена на рис. 1 [8].

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки разложения метана: 1 — слой катализатора; 2 — внутренний стакан; 3 — выходной патрубок; 4 — вибропривод; 5 — шток; 6 — входной патрубок; 7 — наружный стакан; 8 — нагреватель; 9 — отверстие в зону внутреннего стакана

На рис. 2 представлен внешний вид гранул нановолокнистого углеродного материала, получаемого в процессе каталитического разложения углеводородов.

Рис. 2. Внешний вид гранул нановолокнистого углеродного материала

Наилучшие результаты были получены в следующем эксперименте. В реактор 038 мм загрузили катализатор, содержащий: 63% Ni, 23% Cu, 14% SiO2. С помощью вибропривода 4 катализатор привели в виброожижен-ное состояние, затем включили нагреватель 8 и довели температуру слоя катализатора до 500 °С. После этого внутрь реактора через входной патрубок 6 подавали метан, который, проходя через слой катализатора, частично разлагался на водород и углерод нановолокнистой структуры. Вибрация осуществлялась в вертикальном направлении с амплитудой 1 мм и частотой 30 Гц. Продукты реакции разложения, представляющие собой смесь непрореагировавших метана и водорода, выводились из реактора через выходной патрубок 3. Выход углерода на 1 г катализатора составил 253 г за время работы реактора. Было получено молекулярное соотношение водород–метан в продуктах реакции 40:1.

Дальнейшая задача стабильности работы катализатора, повышения выхода углерода и водорода и увеличения степени использования метана была ранее решена на лабораторной установке за счёт добавления оксида железа в состав используемого катализатора, содержащего никель, медь и трудно-восстанавливаемые оксиды [9, 10].

Наилучшие результаты были получены в следующем эксперименте. Катализатор, состоящий из 73% NiO, 11,5% CuO, 11,5% Al(OH)3 и 4% Fe2O3, полученный получасовой механохимической активацией в планетарной центробежной мельнице, в количестве 0,0029 г загружали в проточный реактор с весами Мак-Бена, нагревали в течение 30–35 мин в потоке водорода 20 л/ч до температуры 700 °C. Затем водород заменяли на метан и проводили реакцию разложения при 700 °C в течение 5 ч и расходе метана 3 л/ч, охлаждение реактора до комнатной температуры проводили потоком метана или инертного газа. Привес катализатора за счёт углерода составил 16 010% по отношению к массе восстановленного катализатора [10]. В результате образовывался нитевидный углерод в виде клубка нитей, имеющих диаметр в несколько сот ангстрем и длиной до нескольких микрон.

Таким образом, на сегодняшний день видна перспектива применения процесса прямого разложения метана на водород и углерод, так как могут быть достигнуты следующие показатели:

• •    температурный режим процесса, близкий к температурным режимам непрямого разложения (500-700 ° С)

и значительно меньше прежнего режима (> 1 000 °С);

• •    выход водорода >95%;

• •    отношение массы образующегося углерода к массе катализатора — от сотен до тысяч процентов.

Разложение метана позволяет вернуть образовавшийся водород в реакцию Сабатье вместе с водородом, образующимся при электролизе воды, и извлечь все 100% кислорода из углекислого газа (вместо 61%). Образование угля при пиролизе метана составляет 262 г/чел в сутки, для чего потребуется ~0,5–1,0 г/чел в сутки катализатора, для экипажа из четырёхпяти человек при полёте продолжительностью 365 сут потребуется не более 3 кг (с учётом массы ёмкости). В соответствии с рис. 1, по предварительной оценке масса системы пиролиза метана для экспедиции из четырёх-пяти человек составит не более 60 кг при энергопотреблении ~200 Вт, для экипажа лунной базы из 10 человек — не более 90 кг при энергопотреблении ~350 Вт. Образовавшийся в виде гранул уголь может быть использован в системах удаления вредных примесей, а на Луне и Марсе также в качестве основы строительного материала.

В настоящее время отечественная система концентрирования углекислого газа и его переработки до метана и воды по реакции Сабатье разработана и проходит испытания. Для создания бортовой системы пиролиза образующегося метана должны быть предварительно проведены наземные НИР для выбора, в первую очередь, катализатора и режима работы.

возможность использования метана при межпланетных экспедициях и на планетных космических базах для получения пищевых продуктов

Существует возможность использования метана, образующегося при реакции Сабатье, с целью получения пищевого белка для рациона космонавтов. Как показано ниже, такие технологии существуют в виде использования метанотрофных (метанокисляющих) бактерий. Однако для производства пищевого продукта необходимо иметь дополнительное количество воды, которая в регенерационном жизнеобеспечении является основным продуктом получения кислорода.

Поскольку вода обнаружена на Луне и Марсе [3, 4], из неё может быть получен водород для замыкания реакции Сабатье с целью извлечения 100% кислорода из выделяемого космонавтами углекислого газа и получения метана и кислорода для участия в процессе получения пищевого продукта метанотрофными бактериями.

Таким образом, пищевой продукт из метана целесообразно использовать, прежде всего, на лунных/плане-тарных базах. Также подобная система может быть рассмотрена как дублирующая в части обеспечения пищей в комплексе жизнеобеспечения транспортных космических экспедиций с дальнейшей эксплуатацией этой системы на планетных базах с использованием лунной и марсианской воды, а также углекислого газа марсианской атмосферы [5].

Биомасса метанотрофных бактерий характеризуется высоким содержанием белка, аминокислот, витаминов и микроэлементов, что дает ей преимущества при использовании на Земле в качестве добавок для сбалансирования комбикормов, на основе которых могут быть произведены белковые продукты высокой чистоты для пищевой промышленности.

Требуется совершенствование питательных сред и применение эффективных технологических параметров процесса биосинтеза для изготовления системы обеспечения белком рационов питания экипажей в длительных межпланетных экспедициях и при колонизации других планет, а также в разработке эффективных и надёжных конструкций соответствующих аппаратов [11, 12].

Метанотрофия — не единственный процесс, который может быть применён для получения пищевого белка в космических экспедициях. Интерес представляет и вариант использования смешанной культуры из метанотроф-ных и водородокисляющих бактерий, который может быть рассмотрен в последующих публикациях.

Производство белка с использованием метанотрофных бактерий

Биопротеин (гаприн — газовый протеин) представляет собой микробиологический белок, получаемый путём культивирования микроорганизмов на метане. Это недорогое и доступное сырьё, потребность в разработке технологии которого возникла, когда встал вопрос возможности получения альтернативных видов кормов для животноводства [13, 14]. В 1980-х гг. была создана отечественная технология получения биомассы белково-витаминного продукта [15].

По своему составу гаприн является полноценным белковым продуктом с высоким содержанием витаминов группы В (особенно В12), аминокислот и микроэлементов. Содержание белка (сырого протеина) в гаприне достигает 70–75%, по составу аминокислот он близок к молочному белку [16].

Принципиальная схема производства биопротеина представлена на рис. 3 [13].

Бактерии выращивали в больших ёмкостях-реакторах, где создавали жидкую среду, насыщенную необходимыми солями, микроэлементами, кислородом (для окислительно-восстановительных реакций и дыхания бактерий) и метаном — источником углерода и энергии для микроорганизмов. Метан — газ, плохо растворимый в воде, поэтому необходимо обеспечивать максимальный массообмен во всем объёме биореактора. Бактерии быстро размножались, заполняли биореактор, их выделяли из культуральной жидкости, инактивировали с помощью термической обработки, высушивали и из полученного порошка прессовали гранулы.

Выходящий газ собирали и запускали в новый цикл производства, либо использовали в других процессах.

В результате выделения высокопродуктивных культур метанотрофов, а также достижения успехов в разработке технологии непрерывного культивирования, стало возможным получать сравнительно высокие урожаи бактерий при таких скоростях протока, которые обеспечивают экономически приемлемую продуктивность процесса. Однако в 1990-е годы экологи добились закрытия этих заводов.

В последние годы вновь стали уделять внимание вопросу получения микробного белка на основе природного газа. В Европе, США и России в настоящее время конкурируют несколько компаний [17, 18].

В результате проведённой селекции в нашей стране получен штамм метанокисляющих бактерий Methylococcus capsulatus ГБС-15, который устойчив к кратковременным перепадам температуры и давления, является термотолерантным, непатогенным, не является генетически модифицированным. В результате выделения активных культур метанотрофов и достижения успехов в разработке технологии непрерывного культивирования стало возможным получать высокие урожаи бактерий (более 4–6 г биомассы/л в час) [18, 19].

Результаты современного состояния проблем производства гаприна наиболее полно и подробно рассмотрены на сайте С.А. Глухих [11]. Сайт посвящён

Рис. 3. Принципиальная схема производства биопротеина: 1 — природный газ; 2 — СО₂; 3 — О₂; 4 — минеральные вещества; 5 — U-образный ферментор; 6 — ёмкость; 7 — сепаратор; 8 — возврат воды; 9 — гомогенизатор; 10 — камера осушительная; 11 — циклон; 12 — биопротеин; 13 — установка сорбционного выщелачивания

комплексному инжинирингу биосинтеза белковых продуктов на основе использования природного метана, начиная от изучения и подбора производственных штаммов и до выделения целевых продуктов. Особое внимание уделено ферментационному процессу и его современному инженерному оформлению. При этом указывается, что полученная биомасса метанотрофных бактерий является безопасным белковым продуктом. Указано также, что при специальной

обработке биомассы метанотрофных бактерий получаемый белок может быть применён непосредственно в продуктах питания человека. С сайта был получен ряд основных проектных данных для создания космических систем, представленных ниже.

Проектирование метанотрофных систем производства пищевого белка для космического жизнеобеспечения

Использование биомассы метан-окисляющих бактерий напрямую в пищу в настоящее время фундаментально не исследовалось, однако было определено, что для приготовления пищевого белка биомассу гаприна необходимо гомогенизировать и удалить из неё компоненты нуклеиновых кислот. Безопасность пищевого белка, прежде всего, должна быть подтверждена дополнительными испытаниями. Необходимо проведение испытаний и для определения величины пищевой добавки в рационе человека.

Баланс метанотрофного процесса для космического жизнеобеспечения. В соответствии с данными из источника [11], при метанотрофном процессе из 2 000 л метана можно получить 1 000 г белка (гаприна), при удельной массе метана 0,71 г/л из 1 000 г метана можно получить 700 г белка. В этом количестве биомассы нуклеиновые кислоты составляют ~10%. В результате после удаления нуклеиновых кислот в современном метано-трофном процессе можно получить 630 г пищевого белка из 1 000 г метана.

Cоотношение в пищевом рационе человека белков, жиров и углеводов должно быть 1:1,2:4,6. В этом случае количество пищевого белка в рационе составляет 15%. Поскольку общая сухая масса рациона космонавта составляет 600 г, то в суточном рационе космонавта, в соответствии с источником [11], пищевой белок составляет 90 г, для чего потребуется 145 г метана (то есть 41% от 350 г метана, получаемого по реакции Сабатье от одного человека в сутки ) [11].

В настоящее время открытый ме-танотрофный процесс в зависимости от штамма бактерий проводится, в основном, при температуре 30-45 °С, при атмосферном давлении 760 мм рт. ст.

(содержание кислорода 21%). При этом кислорода требуется в 2,5–4,0 раза больше, чем метана, что могло бы быть препятствием для использования этого процесса в космосе. Однако для замкнутых модулей космических станций и баз целесообразно повторное использование всех продуктов, образующихся при синтезе пищевого белка.

Массовый баланс производства биомассы, который зависит от штамма метанотрофных бактерий, рассчитан в качестве примера для культуры Methylosinus trichosporium [20] впервые для замкнутого процесса.

6,25СН4 + 7,92О2 = С3,92 Н6,50 О1,92 +

+ 2,33СО2 + 9,25Н2, (5) где С3,92Н6,50О1,92 — упрощённая формула биомассы, или в пересчёте на молекулу метана:

СН 4 + 1,27О 2 = С 0,63 Н 1,04 О 0,31 +

+0,37СО2 + 1,48Н2О. (6)

Так как метан и кислород в космическом жизнеобеспечении получают из углекислого газа, в этом процессе необходимо добавить приведённые выше формулы (1) и (2) получения этих веществ: СО2 + 4Н2 = СН4 + 2Н2О и 2Н2О = 2Н2 + О2, соответственно. Из реакции (6) следует, что масса кислорода, подаваемая в реакцию, в 2,5 раза больше массы метана, однако после электролиза образовавшейся в реакции (6) воды и в результате реакции углекислого газа с водородом получаем реакцию (7).

СН 4 + 1,27О 2 = С 0,63 Н 1,04 О 0,31 +

+0,37СН4 + 0,74Н2 + 1,11О2. (7)

Отсюда следует, что в реакцию биомассы (6) может быть возвращено (табл. 2) 87,4% кислорода, 11% метана и в реакцию (1) — 11% водорода. Для получения дополнительного количества водорода для возврата в реакцию (1) для полного извлечения кислорода из углекислого газа (взамен водорода, отобранного с метаном) в расчёте на одного космонавта в сутки потребуется 54,4 г воды, из которой можно получить 48,4 г кислорода (5,6% от суточного потребления кислорода одним человеком — 0,86 кг).

Но при этом по реакциям (6) и (7) мы получаем значение гамма-молекулы (гм) пищевого белка, равное 13,56, и для производства 90,00 г пищевого белка для одного космонавта в сутки потребуется 106,2 г метана вместо полученных по рекомендациям 145,0 г.

Обратный расчёт по 145,0 г метана даёт возврат 87,4% кислорода, 15,3% метана в реакцию (6) и 15,3% водорода — в реакцию (7), для которого потребуется разложить 74,7 г воды, из которой можно получить 66,4 г кислорода (7,7% от суточного потребления кислорода одним человеком — 860 г). При этом гм пищевого белка составляет 9,93 для производства 90,00 г пищевого белка для одного космонавта в сутки.

Для синтеза белка было использовано 34,0 и 46,4 г кислорода, что потребует 38,2 и 52,2 г воды, соответственно.

Эти вычисления подробно представлены в табл. 2.

Таблица 2

результаты расчёта баланса метанотрофной реакции

СН4 + 1,27О2 = СО63 Н1,04 О0,31 + 0,37СН4 + 0,74Н2 + 1,11О2
гм	16,0	40,64	13,56	5,92	1,48	35,52
г	106,2	269,73	90,00	39,30 (11%)	9,82 (11%)	235,75 (87,4%)
гм	16,0	40,64	9,93	5,92	1,48	35,52
г	145,0	368,34	90,00	53,65 (15,3%)	13,40 (15,3%)	321,93 (87,4%)

Примечание. Отбирая 19% СН₄, теряем 19% Н₂ метана. В 66,5 г метана 16,62 Н₂ – 9,82 = 6,80 г — это 54,4 г Н₂О, из нее 48,36 г О₂: 860 г = 5,6%.

Отбирая 26% СН4, теряем 26% Н2 метана. В 91 г метана 22,75 Н2 – 13,41Н2 = 9,34 г — это 74,72 г Н2О, из нее 66,42 г О2: 860 г = 7,7%.

Выбирая наибольшую величину, соответствующую 145 г метана, получаем, что общее количество дополнительной воды для пиролиза метана и для синтеза белка не должно превысить 130 г/чел в сутки. Можно ожидать, что и в выбранных для космических систем штаммах соотношение кислорода к метану будет в этих же пределах при полном использовании метана в метанотрофном процессе.

Теоретически в массовом балансе осталось 170 г неиспользованной метаболической воды (см. выше раздел массового баланса человека), в которую укладываются указанные 130 г. Если считать эту воду в настоящее время дополнительной, то для одного космонавта в сутки понадобится запас 150 г воды (с учётом массы ёмкости). Дополнительное энергопотребление для электролиза 130 г воды составляет ~35 Вт (с учётом эксплуатации системы «Электрон В»).

Предварительные характеристики метанотрофных космических систем. Культивирование осуществляется в непрерывном хемостатном процессе, при котором свежая питательная среда (содержащая до 22 солей разных металлов в количествах, не превышающих 10–15 мг/л) из ёмкости подаётся в ферментер с постоянной скоростью, а культуральная жидкость с выросшими клетками с той же скоростью выводится из ферментера в приёмную ёмкость. Технологические параметры этого процесса для проектирования космической системы производства пищевого белка могут быть рассчитаны следующим образом [20].

Скоростью разбавления является отношение скорости протока к объёму культуры:

D = F / V , (8)

где F — скорость протока (скорость поступления объёма питательной среды в ферментер); V — объём культуры; D — скорость разбавления, выражает объём питательной среды, сменяемой в ферментере за 1 ч (л/л·ч или 1/ч).

Скорость изменения концентрации биомассы в ферментере определяется суммой величин прироста биомассы и уноса клеток вытекающей культуральной жидкостью [20]:

dx / dt = µ X – DX , (9)

где µ — удельная скорость роста; X — концентрация биомассы.

В условиях непрерывного культивирования мгновенный прирост биомассы (µ X ) компенсируется уносом биомассы с культуральной жидкостью ( DX ). Условием динамического равновесия в ферментере можно считать зависимость:

μ X – DX = 0 или µ = D . (10)

При равенстве величин µ и D культура находится в равновесном состоянии: количество удаляемых из ферментера клеток соответствует количеству вновь выросших клеток за тот же промежуток времени. Таким образом, микроорганизмы всё время находятся в постоянных условиях в отношении наличия питательных веществ и продуктов обмена.

Производительность процесса непрерывного культивирования равна произведению концентрации биомассы на объём вытекающей из ферментера микробной суспензии:

P = X D , (11)

где Р — производительность процесса непрерывного культивирования в хемостате.

Скорость разбавления питательной среды D , определяемая при экспериментальной отработке, задаётся заранее, и в зависимости от неё в ферментере устанавливается определённая концентрация клеток. Оптимальная скорость протока питательной среды/культураль-ной жидкости зависит от концентрации биомассы с учётом времени генерации бактерий, за которую принята скорость удвоения биомассы.

Скорость разбавления регулируется в широком диапазоне и составляет D = 0,25–0,45/ч (т. е. 0,25–0,45 объёма ферментера в час). Скорость удвоения биомассы метанотрофного процесса — три-четыре часа, производительность продуктивных штаммов — до 8–9 г/л ч (в зависимости от состава питательной среды, биогенных факторов роста, условий культивирования и конструкции биореактора/ферментера) [11].

Приняв скорость удвоения 4 ч и производительность 8,5 г/л ч, можно получить 50 г/л в сутки гаприна. В соответствии с этими данными, при нормативе 90 г белка/чел в сутки для экипажа четыре-пять человек (дальняя космическая экспедиция) потребуется до 450 г пищевого белка в сутки, и понадобится 10-литровый ферментер (экспериментальные данные при оптимальном хемостатном режиме ферментации подтверждают получение белка 500–800 г/сут). Для экипажа 8–10 человек (лунная база) потребуется до 900 г белка в сутки и 20-литровый ферментер.

По предварительной оценке, масса системы для космической экспедиции на четыре-пять человек (см. рис. 3) не превысит 80–90 кг при энергопотреблении 400–500 Вт, ориентировочная масса системы для лунной базы с экипажем 10 человек не превысит 120 кг при энергопотреблении не более 800 Вт.

Сама пневмогидросхема производства гаприна в настоящее время значительно усложнилась, часть процессов вынесена из ферментера на пред-ферментационную стадию, применено предварительное растворение газов, из ферментера удалены все элементы механического перемешивания и др. Разработка технологии применения композиционных биостимуляторов позволяет увеличить объём биомассы в среднем на 20% без дополнительных затрат в части оборудования и энергозатрат [21].

Конструктивное оформление процесса культивирования метанокисляющих бактерий усложнено вследствие взрывоопасности смесей метан–воздух или метан–кислород. Взрывобезопасность обеспечивается отсутствием газовой фазы — газы должны быть растворены в жидкой питательной среде и культуральной жидкости. Для обеспечения взрывобезопасности предусмотрено предварительное раздельное (1-й этап) растворение газов с понижением температуры питательной среды ещё до ферментера.

Требуются экспериментальное определение оптимальных концентраций и скорости протока «питательная среда – культуральная жидкость», дополнительные исследования для определения пневмогидросхемы, состава, массы и энергопотребления системы для обеспечения нескольких человек пищевым белком, после чего необходимо провести испытания экспериментальной системы в условиях невесомости.

При полученных предварительных массоэнергетических характеристиках систем и приведённых выше балансовых расчётах по реакциям (1–11) о дополнительных ~130 г воды на одного космонавта в сутки обе системы — производства пищевого белка и пиролиза метана (для извлечения 100% кислорода из углекислого газа вместо 61% при реакции Сабатье) — могут работать одновременно, в частности, при транспортных космических экспедициях (предварительные массовые и энергетические характеристики этих систем такого же порядка, как и у действующих бортовых систем).

Особенностью эксплуатации в качестве резервной системы производства белка при транспортных экспедициях является возможность спасения экипажа при длительном нерасчётном пребывании на орбите, так как почти все необходимые человеку продукты регенерируются из продуктов его выделения.

Перспективным можно считать основное назначение системы получения пищевого белка из метана — масштабирование подобной системы для лунной и марсианской баз с большим количеством космонавтов.

заключение

• 1.    Рассмотрено использование метана, образующегося в процессе регенерации кислорода из выделяемого человеком углекислого газа в регенерационном комплексе жизнеобеспечения экипажей космических экспедиций. Показано, что при гидрировании углекислого газа с использованием реакции Сабатье как одной из наиболее эффективных, образовавшийся метан можно применять для пиролиза и для образования пищевого белка.

• 2.    Пиролиз метана даст возможность возвратить образующийся в этой реакции водород вместе с водородом от электролиза воды в реакцию гидрирования углекислого газа, что позволит извлекать из углекислого газа 100% кислорода вместо 61% кислорода из образовавшейся при реакции Сабатье воды. Использование пиролиза метана стало возможным в связи с новыми технологиями, позволившими снизить температуру процесса до 500-700 °С и получить отношение массы образующегося легкоудаляемого углерода к массе катализатора от сотен до тысяч процентов. Образовавшийся в виде гранул уголь может быть использован в системах удаления вредных примесей, а на Луне и Марсе также в качестве основы строительного материала. Для создания бортовой системы пиролиза метана должны быть предварительно проведены наземные научно-исследовательские работы (НИР) для выбора катализатора и режима работы.

• 3.    Показано, что существующие процессы производства белка из метана с использованием метанотрофных

• 4.    Впервые проведены балансовые расчёты по использованию метанотроф-ного процесса производства пищевого белка в рационах питания космонавтов для транспортных космических экспедиций, лунных и марсианских баз, определено количество пищевого белка, количество метана и кислорода для его производства, количество воды (~130 г) для получения кислорода и водорода для одновременного производства пищевого белка, и получения 100% кислорода из углекислого газа, выделяемого человеком, для обеспечения суточной потребности одного космонавта. Определена возможность одновременной работы на борту космического объекта обеих систем — как системы разложения метана, так и системы производства пищевого белка.

• 5.    Создание бортовой системы с использованием метанотрофных бактерий позволит её использовать как одну из систем обеспечения пищей на Луне и Марсе и в качестве резервной системы в транспортных космических экспедициях. Этому способствует возможность получения воды непосредственно на Луне и Марсе и извлечения из неё необходимого дополнительного кислорода для метанотрофного биосинтеза. Поскольку атмосфера Марса состоит на ~95% из углекислого газа, существует возможность с помощью водорода из имеющейся на Марсе воды получать путём реакции Сабатье большое количество метана. Таким образом, представленные системы могут быть масштабированы для большого количества космонавтов.

бактерий могут быть применены для производства пищевого белка для космических рационов пищи после дополнительной очистки. Приведены основы расчёта, предварительные технические характеристики и рекомендации по проектированию метано-трофных космических систем по производству пищевого белка. Для создания систем должны быть предварительно проведены наземные НИР для подтверждения безопасности пищевого белка, для определения пневмогидросхемы, состава, массы и энергопотребления систем, после чего необходимо провести испытания экспериментальной системы в условиях невесомости.