Научно-техническое обоснование эксперимента «Культивирование микроводорослей в условиях микрогравитации»



Скачать 136.85 Kb.
Дата29.07.2016
Размер136.85 Kb.


НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

«Культивирование микроводорослей в условиях микрогравитации»

Шифр «Фотобиореактор»


1.Сущность исследуемой проблемы. Краткая история и состояние вопроса

В настоящее время во всех развитых странах, обладающих космическими технологиями, ведутся исследования и разработки стратегических технологий в интересах развития пилотируемых космических комплексов для полетов к Луне, Марсу, другим телам Солнечной системы и работы человека на планетных базах.

Одной из самых сложных систем пилотируемых комплексов является система обеспечения жизнедеятельности (СОЖ) экипажей. Используемые в настоящее время СОЖ основаны на физико-химических процессах регенерации атмосферы, воды, поддержания ряда других параметров атмосферы.

Создание замкнутой компактной системы жизнеобеспечения космонавтов с многократным оборотом основных её элементов и достаточно высоким коэффициентом их регенерации является актуальной научной и инженерной задачей.

К настоящему времени большинство зарубежных и отечественных ученых пришло к выводу, что для осуществления длительных полетов человека необходимо создание системы обеспечения жизнедеятельности экипажей на основе биологического круговорота веществ за счет совокупной метаболической деятельности животных, растений, микроорганизмов и самого человека как части такой системы – биологической СОЖ (БСОЖ), как некоторого подобия земного биоценоза.

За рубежом в настоящее время весьма активные работы по созданию компонентов систем обеспечения жизнедеятельности с использованием биотехнологий (БСОЖ) ведутся в рамках программы MELISSA Европейского космического агентства (ЕКА). Проект ЕКА «Мелисса» представляет разработку искусственной экосистемы, создаваемой для отработки регенеративной системы жизнеобеспечения долгосрочных полетов людей в космос. Целями проекта являются получение пищевой биомассы, двуокиси углерода и минералов из отходов, свет используется как источник энергии для биологического фотосинтеза. Для реализации этих исследований в Испании в 2006-2010 годах построены специальные комплексы, оснащенные необходимым оборудованием как для культивирования организмов в условиях гермообъема, так и для их детального исследования.

Аппаратура «Мелисса» имеет 5 отсеков, содержащих термофильные анаэробные бактерии, фотогетеротрофные бактерии, нитрифицирующие бактерии, фотосинтетические бактерии и более высокие растения.

В фотоавтотрофном отсеке осуществляется получение пищевой биомассы, регенерация воды и кислорода. Этот отсек разделен на фотоавтотрофный отсек бактерий и отсек высших растений, которые и усваивают диоксид углерода. В настоящее время получено всего более 20 урожаев кандидатных продуцентов проекта «Мелисса».

В Японии работы по созданию БСОЖ ведутся с начала 80-х годов. В 2004 году в Японии построен экспериментальный комплекс, предназначенный для создания замкнутого цикла трансформации веществ на основе сочетания передовых физико-химических и биологических технологий.

В Канаде в Университете Гвэлфа в 2005 году создан комплекс для проведения исследований возможности культивирования высших растений в условиях пониженного давления.

В США с 80-х годов ведутся работы по программе СELSS (Система поддержки жизни с контролируемой экологией). В Космическом центре им. Дж.Кеннеди NASA были начаты работы по созданию звена высших растений для БСОЖ. На базе Космического центра им. Л.Джонсона NASA в 90-х годах были проведены экспериментальные исследования с участием человека на основе разработанных технологий культивирования высших растений в гермозамкнутых объемах.

Проблема утилизации угольной кислоты, образующейся в процессе жизнедеятельности космонавтов, и пополнения кислорода в атмосфере корабля является актуальной в процессе обеспечения длительных пилотируемых полетов. Показано, что использование низших растений решает поставленные задачи.

В 2011-2012гг проведены исследования по созданию научно-технического задела по БСОЖ нового поколения (инв. № 2344).

Показано, что использование низших растений решает задачу утилизации угольной кислоты, образующейся в процессе жизнедеятельности космонавтов, и пополнения кислорода в атмосфере корабля. Имеются данные , что среди массы микроводорослей, применявшихся для исследований в качестве продукции кислорода для космических полетов, подходят хлорелла и спирулина. Однако применение хлореллы в качестве продукта питания для космонавтов не находит подтверждения.

В связи с имеющимися данными наиболее вероятным продуктом, для обеспечения кислородом и продутом питания экипажа космического корабля при длительных полетах, может служить спирулина.

В земных условиях отработана технология получения спирулины платенсис в качестве пищевой добавки, как источник белка и витаминов. Также проведены эксперименты в земных условиях, которые показали, что в замкнутой по газу и воде экосистеме микроводоросли могут обеспечивать человека кислородом и поглощать углекислоту.

Из экспериментальных и литературных данных следует, что эффективное культивирование микроводоросли S.platensis в составе каскада аппаратов БСОЖ может решить задачи обеспечения экипажей ПКК кислородом и полезным растительным продуктом питания.

Показано, что величины продуктивности спирулины хорошо воспроизводятся даже в примитивных условиях эксперимента. Более того, как следует из результатов: накопление биомассы и выделение кислорода продолжается и в темные промежутки фотопериода.

Сформулированы основные требования к аппаратуре для культивирования микроводорослей. Массогабаритные характеристики биотехнологического аппарата, пригодного к эксплуатации в составе СОЖ, а также его техническое и технологическое оснащение требуют детальной конструкторской и экспериментальной проработки.
2. Необходимость проведения КЭ в условиях космического полета

КЭ «Фотобиореактор» требуется для проверки правильности выбора технических, технологических и конструкционных решений осуществления культивирования микроводорослей в условиях микрогравитации.

В лаборатории на Земле практически невозможно воспроизвести или смоделировать условия, необходимые для проверки работоспособности опытных образцов фотобиореактора и получения количественных параметров техпроцесса фотобиокатализа, для последующего сопряжения и встраивания этого аппарата в систему СОЖ.

Для успешного решения задачи обеспечения экипажей ПКК кислородом и полезным растительным продуктом питания, продвижения работ по созданию нового поколения БСОЖ с использованием микроводоросли Spirulinium platensis необходимо:



  • на первом этапе для быстрого достижения желаемых характеристик прототипа аппарата, пригодного для использования в БСОЖ, целесообразно изготовить несколько принципиально отличающихся экспериментальных образцов;

-отработать техпроцесс накопления биомассы спирулины для сравнительных испытаний фотобиореактора (штаммы микроводорослей, состав питательной среды, световой спектр, баланс подачи и отбора газов, температурный режим);

- провести наземные испытания и отработку технологии получения биомассы микроводорослей в условиях микрогравитации;

- на втором, используя результаты сравнительной оценки их работоспособности на Земле и в Космосе, создать экспериментальный прототип аппарата, коммутируемый с различными подсистемами СОЖ.:

- провести испытания и изготовить опытный образец фотобиореактора для проведения многократного культивирования в жидкой питательной среде микроводорослей.


3. Описание КЭ

Основной целью эксперимента «Фотобиореактор» является создание фотобиореактора для проведения биотехнологических экспериментов и получения продуктов питания и кислорода путём культивирования микроводорослей в условиях микрогравитации.


3.1.Порядок проведения КЭ

Для проведения КЭ на борт доставляется и используется аппаратура «Фотобиореактор» в составе: укладка «Биоплатформа» ; укладка «Биомодуль; укладка «Питательная среда»; укладка «Кабели».

В ходе эксперимента член экипажа обеспечивает размещение содержимого укладки «Биомодуль» и укладки «Питательная среда» на хранение в термостате ТБУ-В при температуре + 4 ± 2 0С и перенос на место проведения эксперимента и размещение внутри устройства «Биоплатформа, активация процесса ; визуальный контроль за ходом процесса (2 -20 дней в зависимости от циклограммы КЭ). После проведения каждого сеанса КЭ на Землю возвращается: укладка «Биомодуль»; укладка «Питательная среда».
3.3.Технические особенности НА

Конструкция аппаратуры «Фотобиореактор» должна предусматривать возможность дезинфекционной обработки всех внешних поверхностей и отвечать требованиям по герметичности.


4.Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с аналогичными отечественными и зарубежными исследованиями

Специалисты немецкого космического агентства DLR начали разработку модуля космической оранжереи, который в будущем станет частью обитаемых космических станций, находящихся на поверхности Марса, Луны и других космических тел.

Можно отметить, что идея создания космических оранжерей далеко не нова, ее, еще в 1926 году в своих трудах выдвигал К.Э. Циолковский. С той поры, несмотря на достаточно бурную деятельность человечества в космосе, идея создания космической оранжереи так и не была реализована, все, что касается космического "сельского хозяйства" ограничилось несколькими экспериментами по выращиванию растений на борту Международной космической станции и других космических аппаратов. Новая "биорегенеративная система жизнеобеспечения" DLR будет отличаться высоким уровнем автоматизации и использованием большого количества самых современных технологий.

Опытный образец модуля космической оранжереи, согласно планам, будет проходить испытания в жестких климатических условиях Антарктики в 2014 году.

В рамках программы Google Lunar X Prize, корпорация Paragon Space Development разрабатывает проект герметичной мини-оранжереи, которая позволит вырастить на поверхности луны первые растения. Важность этого проекта в рамках программы изучения и колонизации Луны, которая уже освещалась на страницах нашего портала, трудно не оценить. Ведь растения являются источником необходимого для дыхания кислорода и утилизатором углекислого газа.

В России в области создания СОЖ ведутся разрозненные исследования в основном для текущего сопровождения пилотируемых полетов на Российском сегменте международной станции.

В основном спирулина применяется в качестве биологической добавки в смеси с различными компонентами. В сыром виде с некоторой натяжкой можно говорить о потреблении микроводоросли при проведении в Институте биофизики (ОАН ССС при создании экспериментального комплекса «Биос-3»).

В экспериментальном комплексе «Биос-3» проведен ряд гермо-камерных экспериментов таких, как 45 – и суточный эксперимент с двухзвенной системой «человек-микроводоросли», 5-месячный эксперимент с двухзвенной системой «человек-высшие растения», эксперимент длительностью 1,5 года с трехзвенной системой «человек –микроводоросли - высшие растения».

В результате проведенных медико-технических экспериментов было показано, что биологическая система жизнеобеспечения на основе одноклеточных водорослей и высших растений полностью обеспечили экипаж кислородом, водой и растительной пищей. Отрицательного воздействия среды обитания на организм испытателей не обнаружено.

Зарубежными учеными также проведены обширные наземные исследования по обоснованию и созданию биолого-технических систем жизнеобеспечения экипажей космических летательных аппаратов.

Создание пилотируемых комплексов для освоения космического пространства за околоземными орбитами потребует объединения возможностей наиболее развитых стран.

Создание БСОЖ в России по собственным технологиям позволит дополнять зарубежные БСОЖ, что обеспечит более высокую надежность и безопасность пилотируемых полетов.


5.Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование

5.1.Основными результатами КЭ будут следующие:



  • данные о влиянии космического полета на параметры биотехнологического процесса культивирования микроводоросли;

  • данные по производительности предлагаемой модели биореактора по биомассе и кислороду;

- данные по применимости предлагаемой модели биореактора для культивирования микроводорослей в условиях микрогравитации.
5.2. Полученные исходные данные будут положены в основу создания биотехнологического модуля обеспечения продуктами питания и кислорода длительных экспедиций .
6. Обоснование технической возможности создания НА с заданными характеристиками

Техническая возможность создания аппаратуры «Фотобиореактор» обосновывается имеющимися образцами оборудования для культивирования микроорганизмов.


7.Характеристики рисков и дискомфорта для экипажа, связанных с КЭ

7.1.Проведение эксперимента на борту МКС не должно создавать опасных ситуаций для экипажа и МКС. На всю аппаратуру для проведения КЭ, включая биопрепараты, доставляемую на МКС, должны быть оформлены сертификаты по безопасности.



7.2. Работы с микроводорослями должны проводиться в боксе.

Список цитируемой литературы

  1. Тамбиев А.Х., Киримова Н.Н., Мазо В.К., Скальный А.В. Способ получения селенсодержащего препарата биомассы спирулины. Патент № 96106889/13 . 11.20.1977. Общество с ограниченной ответственностью «Молекулярный центр биологической медицины.

  2. Малоземов В.В., Рожков В.Ф. , Правицкий В.Н. Система жизнеобеспечения экипажей летательных аппаратов.//Изд. Машиностроение, 1986г. УДК 629.786.048.

  3. Семенко В.Е. Молекулярно-биологические аспекты эндогенной регуляции фотосинтеза. //Физиология растений. 1978, 921 с.

  4. Сычев В.Н. Результаты экспериментов с активной культурой хлореллы на космическом комплексе «Салют-Союз» // Космическая биология и авиакосмическая медицина . Калуга, 1982, с. 192.

  5. Терсков И.А., Гительзон И.И., Ковров Б.Г, и др. Замкнутая система: человек – высшие растений. Новосибирск, «Наука», 1979.

  6. Семенко В.Е. Фотосинтез и продукционный процесс.// Наука. М. 1976, с 68-81.

  7. Шевцов А.А. Ситников Н.Ю. Понамарев А.В. Конструкция фотобиореактора пленочного типа для культивирования микроводоросли хлорелла.// Материалы XLVIII отчетной научной конференции за 2009г. Воронеж, 2010г, с. 207.

  8. Семенко В.Е., Владимирова М.Г. Влияние условий космического полета на корабле –спутнике на сохранение жизнеспособности культуры хлореллы. //Физиология растений, 1961, 8 (6), с. 743- 749.

  9. Ситников Н.Ю. Управление автотрофным биосинтезом в процессе культивирования микроводоросли (Spirulina platensis). //Серия «Технология хранения и переработки сельскохозяйственной продукции», 2011 № 4 , с. 1

  10. Живая Спирулина. Киев. 2011. «Контекс», с.221.

  11. Киселева Е.В., Нефедова Л.В., Чернова Н.И. Природно географические условия промышленного культивирования микроводоросли спирулины. //Материалы междунар. конф., Курск, 1999 т. 3. ч. 8,9,10, с. 157-160 ISBN5-900071-01-4 .

  12. Шевцов А.А. Шевцова Е.С., Дранников А.В., Понамарев А.В. Моделирование процесса культивирования микроводорослей в биореакторах при турбулентном истечении жидкости.// Вестник ВГТА, 2008, № 1, с.80-85.

  13. Бочачер Ф.М., Борисенко О.Н. Семенко В.Е., Цоглин Л.Н. Установка для турбодистатного культивирования микроорганизмов. Авторское свидетельство № 326874 22.10.1971

  14. Иванов Е.А. и др. Биологический реактор. Авторское свидетельство № 201137. 15.D6. 1967.

  15. Авсиян А.Л., Леков А.С. Влияние светового режима на продуктивность культуры Spirulina platensis. //Материалы научной конференции за 2010г. Институт биологии южных морей им. А.О. Ковалевского НАН Украины, 2011, с. 180.

  16. ГОСТ 28040-89 «Система жизнеобеспечения космонавта в пилотируемом космическом аппарате» М., Государственный комитет СССР по стандартам, 1989.

  17. ГОСТ Р 50804-95 «Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате». Общие медико-технические требования. М. Госстандарт России, 1995.

  18. Хамфриз В.Р., Сезанн П.К. Эванич П.Л. Физико-химические системы жизнеобеспечения. Космическая биология и медицина. Совместное российско–американское издание в пяти томах, //Наука, 1994. с.461-499.

  19. Романов С.Ю., Железняков А.Г., Телегин А.А. и др. Системы жизнеобеспечения экипажей длительных межпланетных экспедиций.// Изв. РАН. Энергетика, 2007г, № 3, с.57-74

  20. Яздровский В.И. Искусственная биосфера. М., «Наука», 1976.

  21. Мелещко Г.И., Шепелев Е.Я. Биологические системы жизнеобеспечения (Замкнутые экологические системы). // Под ред. Академика О.Г. Газенко, М., «Синтез», 1994.

  22. Шепелев Е.Я. Системы жизнеобеспечения в кабине космических кораблей на основе биологического круговорота веществ// Космическая биология и медицина, М., 1966. с 330-362.

  23. Киренский Л.В. Терсков И.А., Гительзон И.И. и др. Биологическая система жизнеобеспечения с низшими и высшими растениями. //В к.: Управляемый биосинтез и биофизика популяций. 2-е Всесоюзное совещание. Красноярск,, 1969г.

  24. Терсков И.А., Гительзон И.И., Лисовский Г.М. и др. Экспериментальные экологические системы, включающие человека // Проблемы космической биологии. М., «Наука», т 28, 1975г.

  25. Drusdale A., Ewert M., Hanpord A. Equitant System mass studies of Missions and Concepts, 1999, SAE technical paper. 1999-1-2081.

  26. Терсков И.А., Гительзон И.И., Ковров Б.Г, и др. Замкнутая система: человек – высшие растений. Новосибирск, «Наука», 1979.

  27. Сычев В.Н. Результаты экспериментов с активной культурой хлореллы на космическом комплексе «Салют-Союз» // Космическая биология и авиакосмическая медицина . Калуга, 1982, с. 192.

  28. Б. Ш. Исмаилхаджаев, Б. А. Халмурзаева. Морфобиологические особенности перспективных видов и штаммов водорослей из рода Chlorella, Scenedesmus и Spirulina. Охрана биоразнообразия “Blog.Archive. htpp://biologtext.ru”.

  29. Ю. Е. Синяк. Системы жизнеобеспечения обитаемых космических объектов (прошлое, настоящее, будущее). Актовая речь Синяка Ю. Е. на заседании Ученого Совета. Москва. Октябрь 2008 г.

  30. Малоземов В.В., Рожков В.Ф. , Правицкий В.Н. Система жизнеобеспечения экипажей летательных аппаратов.//Изд. Машиностроение, 1986г. УДК 629.786.048.

  31. Складнев А.А. Очерк эволюции фотобиоректоров. //Интернет журнал «Космическая биотехнология» http://www.cbio.ru.

  32. Шевцов А.А. Ситников Н.Ю. Понамарев А.В. Конструкция фотобиореактора пленочного типа для культивирования микроводоросли хлорелла.// Материалы XLVIII отчетной научной конференции за 2009г. Воронеж, 2010г, с. 207.

  33. Семенко В.Е., Владимирова М.Г. Влияние условий космического полета на корабле –спутнике на сохранение жизнеспособности культуры хлореллы. //Физиология растений, 1961, 8 (6), с. 743- 749.

  34. Ситников Н.Ю. Управление автотрофным биосинтезом в процессе культивирования микроводоросли (Spirulina platensis). //Серия «Технология хранения и переработки сельскохозяйственной продукции», 2011 № 4 , с. 1

  35. Шевцов А.А. Шевцова Е.С., Дранников А.В., Понамарев А.В. Моделирование процесса культивирования микроводорослей в биореакторах при турбулентном истечении жидкости.// Вестник ВГТА, 2008, № 1, с.80-85.

  36. Бочачер Ф.М., Борисенко О.Н. Семенко В.Е., Цоглин Л.Н. Установка для турбодистатного культивирования микроорганизмов. Авторское свидетельство № 326874 22.10.1971

  37. Иванов Е.А. и др. Биологический реактор. Авторское свидетельство № 201137. 15.D6. 1967.

  38. Авсиян А.Л., Леков А.С. Влияние светового режима на продуктивность культуры Spirulina platensis. //Материалы научной конференции за 2010г. Институт биологии южных морей им. А.О. Ковалевского НАН Украины, 2011, с. 180.

  39. ГОСТ 28040-89 «Система жизнеобеспечения космонавта в пилотируемом космическом аппарате» М., Государственный комитет СССР по стандартам, 1989.

  40. ГОСТ Р 50804-95 «Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате». Общие медико-технические требования. М. Госстандарт России, 1995.

  41. Синяк Ю.Е. Система жизнеобеспечения космических объектов (Прошлое, настоящее, будущее). Актовая речь на заседании Ученого совета Института медико-биологических проблем РАН РФ. М. Октябрь 2008г.

  42. Хамфриз В.Р., Сезанн П.К. Эванич П.Л. Физико-химические системы жизнеобеспечения. Космическая биология и медицина. Совместное российско–американское издание в пяти томах, //Наука, 1994. с.461-499.

  43. Самсонов Н.Н. , Бобе Л.С., Гаврилов Л.И. и др. Опыт работы регенерационных систем газообеспечения экипажей на космических станциях «Салют» , «Мир» и МКС // Материалы международной конференции « Системы жизнеобеспечения – как средство освоения человеком дальнего Космоса». М 24-27 сентября 2008г, с.80-81

  44. Романов С.Ю., Железняков А.Г., Телегин А.А. и др. Системы жизнеобеспечения экипажей длительных межпланетных экспедиций.// Изв. РАН. Энергетика, 2007г, № 3, с.57-74

  45. Яздровский В.И. Искусственная биосфера. М., «Наука», 1976.

  46. Мелещко Г.И., Шепелев Е.Я. Биологические системы жизнеобеспечения (Замкнутые экологические системы). // Под ред. Академика О.Г. Газенко, М., «Синтез», 1994.

  47. Шепелев Е.Я. Системы жизнеобеспечения в кабине космических кораблей на основе биологического круговорота веществ// Космическая биология и медицина, М., 1966. с 330-362.

  48. Киренский Л.В. Терсков И.А., Гительзон И.И. и др. Биологическая система жизнеобеспечения с низшими и высшими растениями. //В к.: Управляемый биосинтез и биофизика популяций. 2-е Всесоюзное совещание. Красноярск,, 1969г.

  49. Drusdale A., Ewert M., Hanpord A. Equitant System mass studies of Missions and Concepts, 1999, SAE technical paper. 1999-1-2081.






Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница