I. Введение

Как известно, для поддержания жизнедеятельности человека в космическом пространстве используются специальные технические системы, а именно системы жизнеобеспечения (сокращённо СЖО). Чаще всего эти системы работают либо на ресурсных запасах, либо частично регенерируя отходы жизнедеятельности человека. [1]

Создание автономной космической системы жизнеобеспечения является чрезвычайно важной, актуальной и перспективной задачей для освоения космоса. Колоссальную роль при этом играет разработка СЖО, работа которых основана на биологических принципах. Одной из них является кислородный фотобиореактор, использование которого в космических аппаратах представляет особый интерес. Создание такого оборудования станет первой ступенью на пути перехода к автономным биологическим системам обеспечения жизнедеятельности.

Научная новизна работы состоит разработке образца конструкции фотобиореактора, который будет адаптирован к условиям космоса.

Применение такого фотобиореактора для обеспечения жизнедеятельности экипажа в космосе могло бы стать более выгодным, нежели использование привычных нам сегодня технических систем, систем жизнеобеспечения. Во-первых, это позволило бы успешно решить проблему поддержания газового состава атмосферы космического аппарата путем применения системы очистки воздуха от углекислого газа и его обогащения кислородом, основанной на биологических методах регенерации, а также позволило бы решить важную задачу дополнительного обеспечения экипажа продуктами питания. Во-вторых, установка данного биореактора является экологически целесообразной.

 

Цели и задачи:

Цель: разработка образца компактного фотобиореактора для использования на автономных космических станциях с целью производства кислорода и белковой массы.

Задачи:

1) Разработка технологической схемы кислородного фотобиореактора с применением трубчатого биореактора

2) Создание действующего образца (прототипа) фотобиореактора

3) Теоретический подбор комплектующих частей (оборудования и материалов) для конструирования прототипа и проектной установки

4) Подбор микроорганизмов, способных к производству кислорода и белковой массы в условиях пребывания на космической станции.

 

II. Основная часть

Для реализации поставленных задач был проведен анализ информации из профильной литературы: инженерной, биотехнологической, химической, а также из патентов и статей авторитетных источников (таких как Роскосмос [1] и ЦНИИМАШ [2]).

Также для удобства и эффективности решения данных задач были определены основные направления работы. Итак, разработка образца кислородного фотобиореактора разделилась на три блока:

1. Биологический (Предполагает анализ и подбор микроорганизмов – продуцентов биомассы (белковой массы) и кислорода; культивирование микроорганизмов в условиях космоса в установке фотобиореактора)
2. Технический (Разработка и проектирование технической установки фотобиореактора)
3. Разработка и сбор прототипа образца фотобиореактора, способного продемонстрировать принцип работы системы.

 

1. Подбор микроорганизмов и среда для их культивирования. 

Одной из первых задач, стоявших в работе, был подбор микроорганизмов для культивирования в фотобиореакторе. Здесь, благодаря изучению профильной литературы, были выделены два подходящих вида микроводорослей: Chlorella vulgaris и Spirulina platensis.

Критериями отбора стали:

-скорость роста и размножения;

-производительность;

- содержание белка, аминокислот и витаминов;

-выживаемость;

-относительная простота и безопасность культивирования.

Сравнение:

Таблица 1. Сравнение микроорганизмов.

Chlorella vulgaris	Spirulina (Arthrospira) platensis (Nordst.) Geitl.
Равномерное распределение клеток в среде	Отсутствие в строении целлюлозной клеточной стенки, характерной для эукариотических микроводорослей (в частности, Chlorella sp.) облегчает переваривание и усвоение биомассы этих цианобактерий
Не требовательны к углекислому газу и питательной среде	Среда должна быть сильнощелочной
Не требует подачи в культуру углекислого газа с помощью специальных технических средств (достаточно раз в сутки вносить суспензию, насыщенную углекислым газом)	Важно время от времени (2-4 раза в день), перемешивать спирулину
Не требуется механическое перемешивание суспензии	Нужно введение углекислого газа
Содержит все незаменимые аминокислоты, превосходит питательную ценность соевого белка в два раза	Высокая выживаемость при консервации и рекультивировании
Большое содержание кальция (в 12 раз больше, чем в молоке)	Рассматривается в качестве продуцентов молекулярного водорода на основе биоконверсии солнечной энергии, поскольку водород — очень перспективный и коммерчески доступный источник альтернативной энергии
Высокие темпы размножения (Каждые 12 часов в результате разрыва материнской оболочки на свет появляются восемь автоспор. Дочерние клетки моментально увеличиваются и повторяют процесс деления, который происходит до бесконечности)	Скорость роста спирулины и ее урожайность выше, чем у традиционных сельскохозяйственных культур в 5–10 раз; выход белка на единицу площади за единицу времени в десятки раз выше, чем у сои (как пример организма, вырабатывающий большое количество белка)

 

Так, впоследствии, в ходе сравнительного анализа микроорганизмов на основе теоретических данных, выбор был сделан в пользу хлореллы.

Данный вид является более оптимальным для культивирования в кислородном фотобиореакторе по ряду причин, а именно:

•        Нетребовательность штамма по отношению к частоте ввода суспензии, насыщенной углекислым газом (достаточно раза в сутки), невысокая требовательность по отношению к питательной среде

•        Равномерное распределение культуры в среде;

•        Отсутствие необходимости механического перемешивания суспензии с культивируемым штаммом.

 

 

Питательная среда и условия культивирования:

В лабораторных условиях штамм культивируется в условиях постоянной температуры 36оС и интенсивности освещения 3 тыс. люкс, на питательной среде Тамия, стерилизованный раствор которой способен храниться в холодильнике до 3-х месяцев.

Промышленное производство биомассы микроводорослей осуществляется в жидких питательных средах.

Состав:

1)микроэлементы

H3BO3- 0,71 г.

MnCl2*4H2O-0,45 г.

ZnSO4*7 H2O -0,055 г.

MoO3- 4,41 мг.

NH4VO3-5,74 мг.

2) макроэлементы

KNO3 (25%-раствор) - 20 мл

КН2РО4 (12,5%-раствор) - 10 мл

MgSO4 (12,2%-раствор) - 10 мл

FeSO4 х 7H2O (1%-раствор) - 1 капля

 

Последовательность действий:

1) Приготовление 2 маточных раствора микроэлементов (А и Б):

Для этого взвесить и затем последовательно растворить в 250 мл дистиллированной воды 0,71 г Н3ВО3, 0,45 г МnСl2 х 4Н2О, 0,055 г ZnSO4 х

7H2O - (раствор А).

2) Взвесить и последовательно растворить в 250 мл дистиллированной воды 4,41 мг МоО3, 5,74 мг NH4VO3 - (раствор Б).

3) Приготовить 1000 мл среды тамия путем последовательного приливания в 1 л мерную колбу следующих объемов маточных растворов:

KNO3 (25%-раствор) - 20 мл

КН2РО4 (12,5%-раствор) - 10 мл

MgSO4 (12,2%-раствор) - 10 мл

FeSO4 х 7H2O (1%-раствор) - 1 капля

Раствор А - 1 мл.

Раствор Б - 1 мл.

4) Довести объем раствора дистиллированной водой до 1 литра.

5) Разбавить полученную концентрированную среду тамия в 5 раз: к 100 мл концентрированной среды тамия добавить 400 мл дистиллированной воды; или к 200 мл среды тамия 800 мл дистиллированной воды, и т. д.

Засеивание:

1) Засеять разбавленную в 5 раз среду тамия 5-10-дневной хлореллой (до светло-зеленого окрашивания; 200 тыс. клеток/мл).

2) Разлить приготовленные растворы среды тамия по колбам емкостью 1-2 литра. Обеспечить непрерывную продувку воздуха через культуру и 12-часовой цикл освещения с интенсивностью 2000-3000 люкс (температура 18-20°С).

Рекомендации к приготовлению:

1) Питательная среда и растворы солей готовятся на дистиллированной воде и не подвергаются стерилизации

2) Для избегания образования осадка, навеску каждого вещества сначала растворяют в небольшом количестве воды, а затем растворы сливают вместе в указанной выше последовательности и доливают воду до соответствующего объема

3) Перед внесением водорослей питательная среда (100%) разбавляется в 2 раза дистиллированной водой (50%)

4) В процессе культивирования суспензия водоросли облучается светом лампы накаливания

5) Засев водоросли производится с начальной оптической плотностью 0,020±0,005. Для этого в 150 мл 50% питательной среды (среда Тамия, разбавленная дистиллированной водой в 2 раза) вносится 15 мл суспензии водоросли, профильтрованной через 3-4 слоя марли.

6) Культура выращивается в полустационарном режиме, который достигается ежедневным пересевом в свежую среду. Такой режим культивирования позволяет без соблюдения условий стерильности поддерживать чистую культуру водоросли

7) При приготовлении питательной среды соблюдается последовательность внесения реактивов.

8) После введения каждого из них раствор тщательно перемешивают

9) В питательной среде до добавления раствора углекислого газа не должно быть хлопьев, осадка или опалесценции

10) Вносимая маточная культура суспензии хлореллы составляет 20 % от объёма ёмкости

Методика приготовления:

Компоненты среды (100% среда Тамия, в г/л): KNO3 – 5,0 г/л;

MgSO4*7H2O – 2,5г/л; железо лимоннокислое – 0,003г/л (растворяют при кипячении); микроэлементы – по 1,0 мл растворов А и Б.

Растворы А и Б готовятся отдельно: раствор А (Н3ВО3 – 2,86 г/л;

MnCl2*4H2O – 1,81 г/л; ZnSO4*5H2O – 0,222 г/л), раствор Б (MoO3 – 17,64

мг/л; NH4VO3 – 22,96 мг/л, растворять при нагревании).

Питательная среда и растворы всех солей готовятся на дистиллированной воде. Затем отдельно стерилизуют каждый раствор 30 мин. Кипячением, охлаждают и плотно закрывают притертой пробкой. Устройства для наращивания культуры водоросли в стандартных температурных и световых условиях КВ-03 47

50% питательная среда Тамия готовят следующим образом: 500 мл100% среды Тамия разбавляют 500 мл дистиллированной воды. Затем добавляют по 0,5 мл раствор А и 0,5 мл раствора Б. Растворы солей и микроэлементов, а также приготовленная питательная среда хранятся в холодильнике при температуре от 2 до 40°С не более трех месяцев

Посуда

При посевах пользуются стеклянными трубками диаметром 0,5-0,6 см и длиной 35-40 см. При других работах по выделению микроорганизмов используют платиновые петли, иглы, шпатели. Для равномерного распределения посевного материала на плотной питательной среде изготовляют специальные шпатели из стеклянных палочек толщиной 4-5 мм и длиной около 30 см. Один конец такой палочки сгибают над пламенем горелки под прямым углом или в виде треугольника.

Для заражения сред жидким материалом и отбора проб жидкостей используются различные химические пипетки, стеклянные трубочки и пастеровские пипетки.

Для выращивания микроорганизмов на жидких питательных средах применяют бактериологические пробирки. Для твердых питательных сред используются плоские двойные чашки Петри, состоящие из двух половинок разного диаметра. В половинку с меньшим диаметром вносится питательная среда. Другая половинка, большего диаметра, служит крышкой.

Приготовленные питательные среды для стерилизации разливают в пробирки, колбы, флаконы и закрывают их ватными пробками. Ватные пробки служат фильтром для воздуха и предохраняют среды от высыхания.

Мойка бактериологической посуды

Бактериологическую посуду, бывшую в употреблении, кипятят в течение часа в воде с добавлением мыла и моющего средства. На 10 л воды берется полкуска хозяйственного мыла и 3-4 столовые ложки моющего средства. После кипячения дают воде остыть до 50-60 °С, посуду вынимают, тщательно прополаскивают в проточной водопроводной воде и ополаскивают дистиллированной водой.

Посуду с культурами перед мытьем предварительно стерилизуют в автоклаве при 120 °С в течение получаса, затем удаляет содержимое и моют, как указано выше. Иногда вместо стерилизации указанную посуду на 2-3 ч помещают в 5%-ный раствор соляной кислоты. Новую посуду кипятят в 1-2%-ном растворе соляной кислоты для нейтрализации избытка щелочи, возможно, содержащейся в стекле. Затем тщательно прополаскивают в водопроводной и дистиллированной воде. Вымытую посуду сушат в сушильном шкафу.

 

2. Разработка и проектирование технической установки фотобиореактора

Биореакторы представляют собой аппараты, в которых проходят процессы микробиологического синтеза. Наибольшее распространение в промышленности нашли биореакторы для глубинного аэробного культивирования, так как они обеспечивают максимальную продуктивность при минимальном объеме перерабатываемых смесей. Основными типами таких реакторов являются:

 – реакторы с механическим перемешиванием;

 – реакторы с пневматическим перемешиванием;

 – газовихревые биореакторы;

 – аэрлифтные биореакторы;

 – мембранные биореакторы;

 – трубчатые биореакторы. [3, c.7]

Итак, нами был проведен обзор всех типов биореакторов, были определены особенности их использования, выявлены их преимущества и недостатки. При разработке конструкции кислородного фотобиореактора мы пытались объединить два типа фотобиореактора: трубчатый и капсульный.

 

Описание первичной схемы конструкции фотобиореактора

Конструкция кислородного фотобиореактора будет состоять из прозрачных трубок, по которым циркулирует культура микроводорослей (хлорелла). Между трубками располагаются источники света. Осуществляемая с помощью насосов циркуляция обеспечивает постоянный контакт микрофлоры с питательной средой. Преимуществом данной системы является отсутствие внутри реактора движущихся частей, что упрощает условия его эксплуатации [13]. В конструкции предусмотрен блок для накопления биомассы, из которой впоследствии будут извлекаться необходимые вещества. Представленные на схеме задвижки позволят перекрыть на время доступ культуральной жидкости к блоку накопления, чтобы произвести забор биомассы. При этом движение культуры микроводорослей не останавливается, и биореактор не прекращает своей работы. Так, одной из основных проблем, с которыми пришлось нам столкнуться, стала проблема извлечения кислорода из среды в условиях космоса (отсутствия силы тяжести). Итак, в данной конструкции извлечение кислорода из среды будет осуществляться методом адсорбции с использованием адсорбционной колонны. Культуральная жидкость проходит через адсорбционную колонну, молекулярный кислород адсорбируется, затем поступает в баллон. Очевидно, что для стабильной работы данной конструкции, а также для непрерывного роста биомассы микроводорослей будет необходимо обеспечить поддержание определенных параметров (условий), например таких как температура, давление, pH и т.д. Для этого в системе будут установлены следующие датчики: датчик давления, температуры, pH, а также датчики растворенного кислорода и уровня пены.

На основе разработанной схемы были определены составные части конструкции фотобиореактора. Нами был произведен первичный подбор оборудования для данной установки.

 

 

 

3. Разработка прототипа образца фотобиореактора

Итак, 3-м блоком разработки фотобиореактора стала разработка и конструирование прототипа проектной установки.

 

Описание работы прототипа фотобиореактора:

Изначально питательная среда с одноклеточными водорослями поступает в систему через входной клапан. Затем, под действием насоса, постепенно растущая биомасса циркулирует по системе разветвленных трубок, которые равномерно освещаются источниками света. Под воздействием света микроводоросли поддерживают непрерывный процесс фотосинтеза, в результате чего накапливается их биомасса и выделяется необходимый нам молекулярный кислород, который скапливается в верхних изгибах системы трубок. В нашей установке, через отводы этот газ попадает в газосборник, который соединен с баллоном.

На последнем этапе выросшие микроводоросли попадают в сосуд с биомассой, где по завершении цикла, она отстаивается и накапливается. Данный сосуд оснащен клапаном для извлечения излишков жидкости и люком для сбора накопившейся биомассы. Через этот люк происходит сбор полученного продукта. Таким образом мы получаем цикличную систему: можно вводить новую партию биомассы и извлекать готовую.

 

III. Заключение

В ходе научной работы нами были получены некоторые первичные результаты, а именно:

- были определены микроорганизмы, пригодные для культивирования в условиях космоса (Chlorella vulgaris)

- была создана и частично адаптирована к космическим условиям первичная схема конструкции фотобиореактора

- намечены дальнейшие планы по сбору прототипа фотобиореактора.

 

 

Список использованных источников

1. URL: https://www.roscosmos.ru/30556/ (дата обращения: 12.09.2022)

2. URL: https://tsniimash.ru/science/scientific-experiments-onboard-the-is-rs/cnts/experiments/fotobioreaktor/ (дата обращения 12.09.2022)

3. Методы расчета оборудования биотехнологических производств/ Миронов М. А., Токарева М. И.

4. Культивирование и применение микроводорослей/ А. А. Музафаров

5. Автореферат. Энергосберегающие режимы освещения при культивировании светозависимых микроорганизмов

6. Реферат. Фотобиореактор RU151576U1

7. Культивирование микроводорослей в условиях микрогравитации (Биореактор)/ Евстигнеев В.И., Крашенинникова Т.К.

8. Адсорбция кислорода на микропористом углеродном адсорбенте АУК/ Потапов С.В., Фомкин А. А., Синицын В. А., Школин А. В.

9. Реферат. Фотобиореактор для культивирования одноклеточных водорослей. RU201397U1

10. ГОСТ 17622 -72 ГруппаЛ27
          11. ГОСТ: 22214-159-05766801-2011

12. Суспензия хлореллы в рационе сельскохозяйственных животных.

13. Железо как фактор, лимитирующий рост хлореллы на среде Тамия / Физиология растений. 1964. Т.11. Вып. 4./ Кузнецов Е.Д., Владимирова М.Г.

14. URL: https://helpiks.org/2-7587.html (Дата обращения 11.09.22)

 

Файлы:

• ЛКТС_Лаборатория_космических_и_транспортных_систем.__Nf6KpcE.pdf