Шифр эксперимента: | Фотобиореактор |
Информационная справка: | is_fotobioreaktor.doc |
Направление НПИ: | 4. Космическая биология и биотехнология |
Секция КНТС: | Космическая биология и физиология |
Наименование эксперимента: | Фотобиореактор для культивирования микроводорослей в условиях микрогравитации |
Цель эксперимента: |
Цель эксперимента - создание фотобиореактора для проведения биотехнологических экспериментов и получения продуктов питания и кислорода путём культивирования микроводорослей в условиях микрогравитации.
|
Описание эксперимента: |
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.
|
Новизна эксперимента: |
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.
|
Научная аппаратура: |
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» |
Ожидаемые результаты: |
- 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.
|
Сроки проведения: | 2019-2024 гг. |
Состояние эксперимента: | Реализуется |
Организация постановщик: | ОАО «Биопрепарат» |
Организации участники: | ОАО «Биохиммаш», РКК «Энергия» , НПП «БиоТехСис» |
Научный руководитель: | Евстигнеев В.И., ОАО «Биопрепарат», первый зам. ген. директора, к.м.н., профессор |
Публикации по эксперименту: |
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. |
Последнее обновление: | 22.07.2019 |
Задачи эксперимента: |
- 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. |
Страна: | Россия |