Способ консервации мочи, как источника питьевой воды
METHOD FOR PRESERVING URINE AS DRINKING WATER SOURCE

Изобретение относится к биотехнологии, в частности к способу консервации мочи (урины) для последующего использования в качестве регенерируемого источника питьевой воды в системах водообеспечения длительно функционирующих автономных гермозамкнутых космических и наземных обитаемых объектов.
Одним из условий жизнеобеспечения и сохранения работоспособности человека, в том числе и в космическом полете, является наличие достаточного количества доброкачественной питьевой воды. Особое значение приобретает дефицит воды в организме человека, находящегося в условиях космического полета. Воздействие ускорений, вибрации, невесомости, огромный психологический стресс вызывают повышенные скорости выведения воды из организма человека. Чижов С.В., Синяк Ю.Е. 1973.
Создание запасов воды в условиях длительных космических полетов может быть затруднительным из-за весовых ограничений. Одним из источников воды является моча (урина). Ее выделяется от одного человека в среднем 1,2-1,3 литра. Однако при этом моча по своему химическому составу является одним из самых сложных источников воды, поступающих на регенерацию. Моча образуется на стадии ультрафильтрации плазмы крови и является очень сложным по своему составу метаболитом (Altaian P.J., DittnerD.S., 1961).
Как правило, свежая моча имеет слабокислую реакцию, хотя и отмечены колебания рН от 4,5 до 8,4. Такие колебания рН вызваны составом принимаемой пищи. Под действием факторов космического полета количество солей, выводимых с мочой, также может меняться.
Пребывание человека в условиях орбитальных полетов приводит к усиленному выведению из организма таких элементов как кальций, фосфор, магний, калий, натрий (N.M. Samsonov, L.S. Bobe, N.S. Farafonov et al., 2004).
Влагосодержащие продукты жизнедеятельности человека являются благоприятной средой для размножения различного рода микроорганизмов. При пребывании людей в герметичном помещении наблюдается выраженное повышение содержания микробов в воздухе, коррелирующее с увеличением длительности изоляции (Лыков И.Н., 2003).
В связи с тем, что в условиях невесомости сбор отходов жизнедеятельности человека осуществляется путем их транспортирования скоростным потоком атмосферного воздуха пилотируемого объекта, вероятность загрязнения мочи различными микроорганизмами увеличивается. В процессе жизнедеятельности микроорганизмов происходит разложение органических и неорганических компонентов с образованием новых классов соединений. Так при щелочном брожении моча приобретает резко аммиачный запах, обусловленный жизнедеятельностью уробактерий, а также гнилостных бактерий, которые вызывают процесс разложения мочевины урины до аммиака и углекислого газа. Выделившийся аммиак сдвигает рН в щелочную сторону, что приводит к выпадению в осадок солей кальция, магния и т.д. Бродильные процессы могут привести к образованию в моче различных летучих соединений, например, уксусной, масляной кислот и т.д. (Газенко О.Г. и др., 1990; Сычев В.Н. и др, 1999).
В мировой практике известны физические, биологические и химические методы консервации и обеззараживания продуктов жизнедеятельности человека. К физическим методам можно отнести воздействие высоких температур, ультрафиолетовое облучение, обработку ультразвуком, воздействие ионизирующей радиацией, обработку магнитным и электрическими полями (Лыков И.Н., Шестакова Г.А., 2014). Перечисленным физическим методам обеззараживания отходов присущ общий недостаток - отсутствие эффекта после действия. После обработки отходов этими методами случайно попавшие микроорганизмы могут в еще большей степени развиваться и изменять химический состав среды. По-видимому, наиболее оптимальным решением задачи обеззараживания в настоящее время являются химические методы.
При эксплуатации системы регенерации воды из мочи неизбежно ее хранение в сборниках до начала технологического процесса. В этот период моча подвергается разложению, что вызывает необходимость консервации ее с целью:
- снижения общей микробной обсемененности и прекращения жизнедеятельности микроорганизмов, находящихся в моче, также обеззараживания в случае попадания патогенной флоры;
- связывания некоторых компонентов мочи в прочные химические соединения (мочевина, аммиак и т.д.);
- поддержания определенной рН консервируемой мочи.
- предупреждение образования осадка.
В качестве консервантов мочи, подлежащей использованию с целью извлечения из нее воды, предложен ряд химических соединений, обладающих бактерицидными свойствами. К ним относятся кислоты, ионы тяжелых металлов (меди, железа, серебра, кобальта, ртути и др.) и окислители (трехокись хрома, перекись водорода, гипохлорит, хлорноватистый натрий и др. Однако многие из них обладают наряду с положительными и некоторыми отрицательными свойствами. Так, хлорсодержащие препараты в большинстве своем токсичны, имеют резкий запах, коррозируют металлы, выпадают в осадок; при хранении теряют бактерицидную активность.
Борщенко В.В. (1971) с целью консервации мочи в кабине космических кораблей был изучен ряд веществ таких как бензилфенол, бензилхлорфенол, фенилтрихлорацетат, гексахлорофен, резорцин, жидкость СТ-2 и ПНФ. Все эти препараты не коррозируют металлы, не дают осадков и малотоксичны для теплокровных. Но они имеют запах, что в условиях гермообъекта крайне нежелательно.
Рогатиной Л.Н. (1971) было предложено пять рецептур: сернокислая медь и пергидроль, смесь хромового ангидрида и концентрированной серной кислоты, концентрированная серная кислота и пергидроль, паранитрофенол, формалин и едкий калий. В США для консервации урины рекомендована смесь серной кислоты, трехокиси хрома, сульфата меди. Предпочтение отдано трехокиси хрома в связи с тем, что помимо бактерицидных свойств, она в смеси с серной кислотой препятствует образованию осадка, который может вывести из строя систему регенерации воды.
Все перечисленные консерванты оказывали в испытанных дозировках бактерицидное действие на микроорганизмы мочи. Однако конденсат, полученный в испарительной установке при применении в качестве консервантов вышеперечисленных веществ, содержал повышенные количества аммиака.
Известен способ консервации урины с помощью серной кислоты и добавления различных химических реагентов (Putam D.F., Tomas Е.Е. 1969). Однако этот способ не предотвращает выпадения осадка и способствует миграции аммиака в систему регенерации воды.
Известен «Способ регенерации воды из мочи на борту космического летательного аппарата», заключающийся в приеме и консервации мочи путем дозированной подачи консерванта при использовании смывной воды, сепарации мочи от воздуха, извлечении воды путем испарения при атмосферном давлении из нагретой до температуры не выше 60°С мочи при помощи капиллярно-пористых полимерных мембран, сорбционно-каталитической очистке извлеченной воды, соленасыщении ее, обеззараживании и консервировании для использования в качестве питьевой воды, отличающийся тем, что на каждую дозу консерванта при консервации мочи подают две дозы смывной воды, при этом первую дозу смывной воды подают с консервантом, а вторую без консерванта, испарение мочи в процессе дистилляции ведут при циркуляции ее в замкнутом контуре, производя после процесса испарения фильтрование мочи одновременно с сепарацией выделяющегося при нагреве газа, при этом испарение извлеченной из мочи воды с поверхности капиллярно-пористой мембраны производят в цикуляционный замкнутый поток воздуха, образующиеся в этом контуре пары воды с воздухом сепарируют от жидкости по двухступенчатой схеме до и после их конденсации, используя часть конденсата в качестве смывной воды, неконденсированные газы после сорбционной очистки выбрасывают в атмосферу объекта.
3
4
3
4
3
3
4
2
2
7
3
4
4
Патент РФ на изобретение №2046080, МПК: B64G 01/60 д. публ.27.01.98 г. Наиболее близким к изобретению является «Способ регенерации воды из мочи путем сбора мочи, консервации ее с помощью добавления к свежесобранной моче консерванта, содержащего окисляющие агенты с последующей физико-химической очисткой полученной смеси, отличающийся тем, что в качестве консерванта к моче добавляют водный раствор ортофосфорной кислоты (НРO), содержащий окисляющие агенты до рН от 3 до 5, причем консервантом являются водные растворы следующего состава: 44,3% НРО и 11% окиси хрома (CrO), или 37% НРО и 13% бихромата калия (KСrO), или 37,5% НРO и 2,5% калия марганцовокислого (KMnO); очистку содержащей консервант мочи осуществляют путем помещения полученной смеси в поток воздуха низкотемпературного испарителя при температуре +60°С и сбора целевого продукта в виде конденсата.
Патент РФ на изобретение №2659201, МПК: G01N 33/48, д. публ. 28.06.2018 г. Однако этот способ требует большого количества опасных реактивов.
2
3
2
3
2
4
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности процесса консервации мочи, как источника питьевой воды, путем использования консервирующей композиции, содержащей 0,5% раствор плюмбагина в трихлоруксусной кислоте С HClO, а в качестве окисляющего агента 11% раствор окиси хрома (CrО), в серной кислоте HSO.
При этом раствор плюмбагина, который является вытяжкой из растений, то есть натуральным компонентом, обладает значительным антибактериальным действием в отношении грамположительных бактерий, подавляя, например, стафилококки, стрептококки и пневмококки.
Плюмбагин содержится в растениях Plumbago europea, Р.(свинцовка) и в Drosera rotundifolia.
3
2
3
2
3
2
4
Достижение указанного результата обеспечивается за счет того, что Способ консервации мочи, как источника питьевой воды, осуществляют путем сбора мочи и консервации ее с помощью добавления к свежесобранной моче консервирующей композиции, содержащего окисляющие агенты, в том числе 11% раствор окисла хрома CrО в кислоте с последующей физико-химической очисткой полученной смеси. При этом к моче добавляют консервирующую композицию в соотношении, равном 200:1, а сама консервирующая композиция в качестве консерванта содержит 0,5% раствор плюмбагина в трихлоруксусной кислоте С HClO, а в качестве окисляющего агента 11% раствор окиси хрома (CrO), в серной кислоте HSO. Причем в композиции консервант с окисляющим агентом находится в соотношении, равном 1:9.
Исследования эффективности консервации мочи указанными консервантами показали, что 11% раствор хромового ангидрида в серной кислоте (РХАСК) обеспечивает консервацию мочи по микробиологическим показателям только в течение 15 суток (табл. 2). После 15 суточного хранения из урины, консервированной (РХАСК), высеваются плесневые грибы. При более длительном хранении рост наблюдался уже на поверхности мочи. При консервации мочи консервирующей композицией 5% раствора плюмбагина в трихлоруксусной кислоте (ПТХУ) и (РХАСК) микроорганизмы из мочи не высевались.
По своим химическим и бактериологическим показателям моча, законсервированная композицией с антимикробным составом (ПТХУ + РХАСК) в соотношении 1:9), соответствовала предъявляемым требованиям в течение всего срока ее хранения (табл. 3).
Исследования показали, что в течение всего срока хранения консервированной мочи в ней не наблюдалось выпадение осадка. Вода, регенерированная из мочи (конденсат) в различные сроки ее хранения также имела стабильные удовлетворительные бактериологические и химические показатели (табл. 4).
Таким образом, получена и исследована консервирующая композиция с антимикробным составом, включающая раствор плюмбагина в трихлоруксусной кислоте и раствор хромового ангидрида в серной кислоте в соотношении 1:9, обеспечивающая консервирующую композицию эффективную консервацию мочи в течение 360 суточного хранения без выпадения осадка при дозировке консервирующей композиции 5 и 10 мл на литр мочи, то есть 1 к 200 или 1 к 100. Поскольку результаты исследование при дозировке консервирующей композиции 5 и 10 мл на литр мочи идентичны, оптимальной принята дозировка 5 мл на литр мочи, то есть принято соотношение мочи к консервирующей композиции 200:1. Это позволяет использовать меньшее количество консервирующей композиции. Следовательно применение предложенной технологии позволяет повысить эффективность процесса консервации мочи, как источника питьевой воды.