Фотобиореактор

Цель эксперимента - создание фотобиореактора для проведения биотехнологических экспериментов и получения продуктов питания и кислорода путём культивирования микроводорослей в условиях микрогравитации.

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.

В промышленных масштабах получение биомассы микроводорослей осуществляют, как правило, используя благоприятные климатические и природные ресурсы (теплый климат, хорошая инсоляция, теплые водоисточники, чистая морская вода, минеральные источники и др.). Накопление биомассы микроводорослей в таких случаях осуществляют в естественных и искусственных водоемах, прудах и бассейнах. Для осуществления управляемого культивирования фотосинтезирующих микроводорослей используют различные аппараты, получившие название фотобиореактор

Несмотря на большое конструкционное разнообразие фотобиореакторов, их разработчикам приходилось решать практически однотипные задачи:

- во-первых, обеспечить требуемый уровень освещения клеток светочувствительной микроводоросли;

- во-вторых, обеспечить синхронный массообмен, потребляемых и выделяемых клетками водоросли газов (СО₂, О₂);

- в-третьих, обеспечить максимальную степень однородности физико-химических условий жизнеобеспечения каждой клетки водоросли;

в-четвертых, оперативное управление параметрами процесса фотобиокатализа и качеством получаемой продукции.

В настоящее время наиболее совершенным считается проточное выращивание микроводорослей, при котором по сигналам, поступающим от самой культуры, осуществляется автоматический отбор прирастающих клеток, подача свежей питательной среды и стабилизация оптической плотности культуры. В этой связи заслуживает внимания метод выращивания спирулины в закрытом трубчатом реакторе, построенном на фабрике в Южной Италии

Реактор состоит из 50-метровой прозрачной стеклянной трубки диаметром 1 см. Культура микроводоросли подвергается рециклированию насосом. Культивируемое сообщество представлено одной водорослью и тремя видами бактерий, что делает его устойчивым к заражению другими микробами.

 В состав питательной среды входит аммиак, минеральные соли и углекислота. В процессе культивирования образуется биомасса, содержащая до 50% белка, липиды, крахмал и глицерин, выделяется чистый кислород примерно в эквивалентном количестве с поглощенным углекислым газом.

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.

При проведении эксперимента «Фотобиореактор» должна использоваться аппаратура « Фотобиореактор». Аппаратура «Фотобиореактор» предназначена для исследования воздействия факторов космического полета  на культивирование     спирулины

Аппаратура «Фотобиореактор» представляют собой моноблок, оснащенный датчиками, светодиодами (освещение), насосом и термостатом. 

Для реализации эксперимента «Фотобиореактор» необходимо выполнить следующие этапы по созданию НА:

-разработка КД, изготовить макет НА для наземной отработки, изготовить летный образец аппаратуры, провести наземные испытания

-   биотехнологическая отработка НА, корректировка КД.

-    изготовление летных образцов НА «Фотобиореактор»

-        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.

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 (Spirulinaplatensis). //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 Spirulinaplatensis. //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.Исмаилхаджаев Б. Ш., Б. А. Халмурзаева Б. А., 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 (Spirulinaplatensis). //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 Spirulinaplatensis. //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.

- разработать конструкцию и изготовить макет фотобиореактора для проведения многократного культивирования в жидкой питательной среде микроводорослей:

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

- обосновать состав и основные характеристики бортового биотехнологического комплекса, обеспечивающие создание условий для культивирования микроводорослей в условиях микрогравитации:    

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

- провести не менее 10 сеансов КЭ для получения исходных данных по технологии культивирования микроводорослей в условиях микрогравитации для последующего конструирования прототипа биотехнологического модуля системы жизнеобеспечения космонавтов.