CN103109752B - 一种小型生物再生式生命保障***实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种以微藻为核心的小型生物再生式生命保障***实验装置，包括生长室和活动舱。生长室内设置有光-藻反应器，光藻反应器产生的气体依次通过热交换器、水气分离器与氧气过滤器得到唯一的氧气，排入活动舱内；活动舱用来放置小型生物，小型生物呼吸及代谢产生的气体通过压缩机进入到生长室，通过聚丙烯中空纤维膜接触器分离出CO₂及H₂S，排入到光藻反应器内。本发明实验装置还在活动舱中设计有为小型生物喂食的食物投放隔层与食物投放通道，以及用来回收小型生物***物的***物清理隔层。本发明的优点在于：采用的光藻反应器设计与运行均比较成熟，具有很强的技术可控性和可恒化培养性，能够实现生物再生式生命保障***中的CO₂和O₂循环再生。

Description

一种小型生物再生式生命保障***实验装置

技术领域

本发明属于空间生命保障技术领域，具体来说，是一种将微藻光合作用与小型生物呼吸作用相耦合以实现空气循环的小型生物再生式生命保障***实验装置，该装置解决了小型生物再生式生命保障***内的空气循环再生问题。

背景技术

未来航天事业的发展方向必然是长时间、远距离、多乘员的载人空间飞行、深空探测和星球定居。生命保障***是任何载人航天器必备的***，是航天技术从无人航天向载人航天发展必须首先要突破的关键技术之一。其中，生物再生式生保***(BioregenerativeLifeSupportSystem，简称为BLSS)又称受控生态生保***(ControlledEcologicalLife-SupportSystem，CELSS)，是一种模拟地球的、迷你型的、简单化的人工生态***，是以粮食蔬菜等高等植物、微藻和微生物等生物部件为核心，按照自然生态***运行原理，进行***内食物、氧气和水等的再生，从而为未来进行长期空间飞行与深空探测的航天员提供全部最基本的生保物资。而且受控生态生保***可以大大降低后勤保障费用和技术难度，并能显著提高飞行的安全可靠性和舒适性。

20世纪60年代初，在载人航天刚刚起步之时，美国和前苏联的生命保障技术专家和生物学家就开始了对生物再生生命保障***的探索。BLSS是目前世界上最先进的闭环回路生命保障技术。在这个***内，生物和非生物以闭路形式进行物质与能量的交换，不断地为乘员提供氧气、水分和食物，除了阳光以外，基本上无需***外补给，维持人和动物的生存，建立一种稳定的动态平衡的生态环境。这是一种最为复杂的第三代环控生保***，适用于长期载人太空飞行。BLSS在结构上主要由两部分构成：一部分是以高等植物和微藻为代表的自养单元；另一部分是由人、动物、微生物以及物理化学设备等组成的异养单元。前苏联早期对BLSS的研究主要集中在利用藻类进行空气再生和废水的净化的问题上，在其进行的BIOS-1“人-藻类”***实验证明，人类呼吸所需空气可以由持续光藻反应器维持，而且大气的CO₂和O₂可得以稳定；人类和微藻在气体交换上有生物兼容性，彼此放出的气体可以相互利用；微藻的同化熵和人的呼吸熵的差异可以通过修正饮食而去除。美国宇航局在最初成立的很长时间内对BLSS的研究主要精力都在微藻上，利用微藻来净化空气。欧洲航天局构建的MELiSSA***研究了通过在营养、pH、温度等不受限制的条件下对比地面微重力下螺旋藻产生O₂的速率，分析微重力对其生长的影响。同时，BIORAT实验研究了微重力条件下将螺旋藻反应器与老鼠之间进行的CO₂/O₂的气体交换情况，同时建立起一套适用于空间微重力条件下开展藻-鼠联合实验的密闭实验装置。研究表明，在藻-鼠联合实验的密闭实验装置的地面样机中进行CO₂/O₂的循环是完全可行的。

国内为了进行受控生态生保***的空间搭载验证试验研究，中国航天员科研训练中心先后研制成空间植物栽培装置、空间微生物废物处理装置和空间微藻光生物反应器等多台地面试验样机，并进行了长期有效的地面验证试验考核。

发明内容

本发明提出一种利用微藻光合作用与小型生物呼吸作用相耦合实现空气循环的小型生物再生式生命保障***实验装置，包括生长室与活动舱；

所述生长室密闭，内部设置有光藻反应器、热交换器、水气分离器、氧气过滤器以及聚丙烯中空纤维膜接触器；其中，热交换器通过管路与光藻反应器内部连通，并通过管路依次连接水气分离器、氧气过滤器；氧气过滤器通过管路与活动舱连通；水气分离器与通过管路连接集水槽；聚丙烯中空纤维膜接触器通过管路分别与光藻反应器以及活动舱连通；

所述活动舱密闭，内部设置有小型生物放置笼、活动舱光源、食物投放隔层、橡胶软手套、食物通道、***物清理隔层、压缩泵与抽气泵；其中，小型生物放置笼内底面与活动舱底面间通过隔板A隔开，形成密闭的***物清理隔层；***物清理隔层底面为可开和结构，顶面与隔层侧面间采用滑动连接，且滑动方向上的一条侧边与活动舱外部连通并连接把手A，通过拉动把手A实现***物清理隔层的顶面滑动抽出；在活动舱内部上方与内部顶面间通过隔板B隔开，形成密闭的食物投放隔层；食物投放隔层顶面为可开合结构；活动舱内一侧与活动舱内侧壁间还通过隔板C隔开，形成食物通道；食物通道分别与食物投放隔层以及小型生物活动笼连通，且食物通道与食物投放隔层连通处通过密封板密封；密封板为可抽拉结构，一条侧边与活动舱外部连通后连接把手B；上述食物投放隔层底面上开有两个手套安装口，每个手套安装口处通过连接一只橡胶软手套密封。

所述压缩泵安装在活动舱内壁上，与聚丙烯中空纤维膜接触器和活动舱的连通管路相连；所述抽气泵通过管路分别与活动舱外部、***物清理隔层以及食物投放隔层内部连通。

本发明的优点在于：

1、本发明小型生物再生式生命保障***实验装置是一个以微藻为核心的相对独立、完整、简单的可生物再生的人工生态***，能够实现密闭空间空气中的CO₂和O₂循环再生；

2、本发明小型生物再生式生命保障***实验装置，采用的光藻反应器设计与运行均比较成熟，具有很强的技术可控性和可恒化培养性；

3、本发明小型生物再生式生命保障***实验装置，采用的微藻是自养生物，具有光合效率高、生长繁殖快等特点，仅利用H₂O、CO₂和无机盐即可合成有机化合物并快速释放O₂，无需添加其它有机营养物质。

附图说明

图1是本发明实验装置整体结构示意图；

图2是应用本发明实验装置进行食物投放时的操作方式示意图；

图3是应用本发明实验装置进行***物清理时的操作方式示意图；

图4是应用本发明实验装置进行***物清理后排放时的操作方式示意图。

图中：

1-生长室2-活动舱101-光藻反应器102-热交换器

103-水气分离器104-氧气过滤器105-聚丙烯中空纤维触器

1011-反应室1012-反光板1013-温控器1014-曝气板

1015-光源1016-光源保护套1021-小型生物放置笼

1022-活动舱光源1023-食物投放隔层1024-橡胶软手套1025-食物通道

1026-***物清理隔层1027-清洁工具1028-压缩泵1029-抽气泵

1030-固定把手A1031-固定把手B1032-密封板A1033-密封板B

1034-拉绳1035-挡板

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明小型生物再生式生命保障***实验装置，包括供藻类生长的生长室1与供小型生物活动的活动舱2，如图1所示，生长室1与活动舱2等大小，尺寸均为0.5m×0.5m×0.8m。

所述生长室1密闭，内部设置有光藻反应器101、热交换器102、水气分离器103、氧气过滤器104以及聚丙烯中空纤维膜接触器105；

其中，光藻反应器101为一恒化培养反应器，作为微藻生长和光合作用场所，由反应室1011、反光板1012、温控器1013、曝气板1014以及光源1015组成。所述反应室1011内部设置有光源1015，用于提供微藻生长所需光照；本发明中光源1015采用日光灯管，发射白光，光强为3500lux，垂直设置于主反应器的中心位置；光源1015外部包裹有玻璃材料的光源1015保护套，通过光源保护套1016与反应室1011固连，实现光源1015与反应室1011间的定位，同时对光源1015进行保护，防止光源1015被反应室1011内的液体（藻液与营养液）侵蚀。反应室1011内部还设置有曝气板1014与温控器；曝气板1014为微孔曝气板，采用陶瓷材料，空气流量0.6L/min，固定铺设且铺满反应室1011内部底面，通过曝气板1014向反应室1011内通入微藻所需的CO₂气体；温控器1013为一加热棒，垂直设置于曝气板1014上，通过温控器1013保证反应室1011中藻液的温度在微藻生长的最适温度范围内；所述反应室1011外部侧壁上安装有反光板，通过反光板1012将反应室1011包裹，使得光源1015发散的光聚集在主反应器的内部，提高光源1015的利用率。

上述结构的光-藻反应器2为有机玻璃材质，形状为圆柱体；圆柱体体积是由微藻光合作用的同化熵和兔子的呼吸商决定的。根据兔子与人的肺体积大小估算得出兔子每天呼出的二氧化碳是人类的二十分之一，即兔子一天呼出0.05kg二氧化碳（50g/d）。有研究证明，在适宜的实验条件下：通入气体流速为0.6L/min、温度25～30℃、光强3500lux、pH8.5～9.5，底面半径0.1m，高0.6m的圆柱形光藻反应器，当藻体干重为45.2g时，微藻对CO₂的脱除能力为53.4g/d。由此确定光-藻反应器2的体积。

上述反应室1011与生长室1外部分别通过营养液添加管道与藻液排放通道连通，连通处通过密封圈实现密封；其中，营养液添加通道用于向反应室1011内的微藻类补给营养液，培养反应室1011内的微藻，两端分别与反应室1011顶面、生长室1顶面连通，与生长室1外部的营养液供给槽相连，由此可保证营养液的连续添加；在添加营养液后，通过将营养液添加管道入口封闭，即可实现生长室1的密封。藻体排放通道用于多余的藻液的排放，两端分别与反应室1011底面、生长室1底面连通，可保证藻体的连续排放；由此通过控制营养液的补给速率和藻液的排放速率使光藻反应器达到恒化培养状态。所述营养液的添加通断以及菌体的排放通断，分别通过安装在营养液添加管道与菌体排放通道上的控制阀控制。

所述热交换器102、水气分离器103、氧气过滤器104以及聚丙烯中空纤维膜接触器105均位于光藻反应器101外部；其中，热交换器102通过管路与反应室1011顶面连通，用来将光藻反应器101所排出的气体中的水蒸气变为冷凝水；热交换器102还通过管路依次连接水气分离器103、氧气过滤器104；氧气过滤器104通过管路与活动舱2连通；水气分离器103用来将冷凝水与气体分离，分离后的冷凝水可通过与水气分离器相连的集水槽进行收集；分离后的气体进入到氧气过滤器104，通过氧气过滤器104过滤气体中的杂质，最终剩余唯一的氧气进入到活动舱2内；上述在氧气过滤器104与活动舱2相连的管路上安装有氧气控制阀，通过氧气控制阀控制氧气供给的通断。

所述聚丙烯中空纤维膜接触器105通过管路分别与反应室1011底面以及活动舱2连通，其膜平均孔径为0.02×0.2μm，由此活动舱2内的气体导入聚丙烯中空纤维膜接触器105管路，通过聚丙烯中空纤维膜接触器105分离出气体中的CO₂及H₂S，最终进入到光藻反应器101内；上述聚丙烯中空纤维膜接触器105与反应室1011间的连接管道上安装有气体控制阀，用来控制进入光藻反应器101内的CO₂及H₂S的通断。

所述活动舱2密闭，内部设置有小型生物放置笼1021、活动舱光源1022、食物投放隔层1023、橡胶软手套1024、食物通道1025、***物清理隔层1026、清洁工具1027、压缩泵1028与抽气泵1029。

其中，小型生物放置笼1021为顶部开口的笼子，用于放置小型生物，限制小型生物的活动范围，以保护其它仪器的正常运行；小型生物放置笼1021固定设置在活动舱2底面上；小型生物放置笼内底面与活动舱底面间通过隔板A隔开，形成密闭的***物清理隔层1026，用于存放小型生物产生的***物；***物清理隔层1026的底面为可开合结构，顶面一侧与活动舱2侧壁滑动连接，且开有固定孔A，可在活动舱2侧壁上垂直方向滑动。***物清理隔层1026的顶面上还开有***物清理入口。***物清理隔层1026上方设置有密封板A1032，密封板A1032与活动舱2侧壁固连，且当***物清理隔层1026顶面滑动到***物清理隔层1026顶部时，与密封板A1032贴合，并通过密封板A1032对***物清理隔层1026上的***物清理入口密封，由此实现***物清理隔层1026的密封。当***物清理隔层1026与密封板A1032贴合时，通过固定把手A1030穿过活动舱2与***物清理隔层1026上的固定孔A螺纹连接，将***物清理隔层1026与密封板A1032间定位；为了保证活动舱2的气密性，使固定把手A1030与活动舱2间同样采用螺纹连接，并通过密封圈密封。同理推动推拉把手1033可将***物清理隔层1026的顶面推入，使***物清理隔层1026密闭。在活动舱内部上方与内部顶面间通过隔板B隔开，形成密闭的食物投放隔层1023，食物投放隔层1023顶面为可开合结构，底面一端向下倾斜；活动舱2内一侧与活动舱2内侧壁间还通过隔板C隔开，形成食物通道1025；所述食物通道1025分别与小型生物活动笼1021以及食物投放隔层1023底面倾斜端连通，且食物通道1025与食物投放隔层1023连通处通过密封板B1033密封，密封板B1033一端与活动舱2侧壁间采用滑动连接，可通过活动舱内的气压差上下移动；相对的另一端安装有垂直于密封板B1033的挡板1035；密封板B1033与活动舱2侧壁连接端上开有固定孔B，活动舱2外部的固定把手B1031穿过活动舱2外壁与固定孔B螺纹连接，由此通过固定把手B1031实现密封板B1033的垂直方向定位，使密封板B1033将食物通道1025与食物投放隔层1023连通处密封；同样为了保证活动舱2的气密性，使固定把手A1030与活动舱2间同样采用螺纹连接，并通过密封圈密封。上述食物投放隔层1023底面上开有两个手套安装口，每个手套安装口处通过连接一只橡胶软手套1024密封。

所述压缩泵1028安装在活动舱2内壁上，与聚丙烯中空纤维膜接触器105和活动舱2的连通管路相连，通过压缩泵1028将CO₂导入生长室1。所述抽气泵1029安装在活动舱2底面上，抽气端通过管路分别与***物清理隔层1026以及食物投放隔层1023内部连通，连通处通过密封圈实现密封；排气端分别通过管路与活动舱2外部、活动舱2内部连通，连通处通过密封圈实现密封，并分别通过控制阀控制排气；由此通过抽气泵1029可将食物投放隔层1023与***物清理隔层1026内的活动舱2外部空气抽出，并排出到活动舱2外部，防止外部气体进入到活动舱2中。同时可在食物投放以及***物清理完毕后，将食物投放隔层1023与***物清理隔层1026内的活动舱2内部空气抽出，并排出到活动舱2内部，由此有效的防止了活动舱2内部与外部空气间的气体交换。所述活动舱光源1022位于活动舱2顶部，为小型生物提供光照。

通过上述结构，在进行食物投放时，如图2所示，通过打开食物投放隔层1023顶面后将食物放入食物投放隔层1023内，食物通过密封板B1033上的挡板1035防止食物滑落到密封板B1033顶面上；由于在打开食物投放隔层1023顶面后，活动舱2外部空气进入到食物投放隔层1023中，因此打开抽气泵1029将食物投放隔层1023内的空气抽出，并排放到活动舱2外部；随后转动固定把手1033，使固定把手1033脱离密封板B1033上的固定孔，但并不脱离活动舱2，使密封板B1033由于活动舱2与食物投放隔层1023内的气压差，使密封板B1033沿滑道向上运动，最终食物自然滚落入食物通道1025，沿食物通道1025落入到小型生物放置笼1021内，位于***物清理隔层1026上表面。这种食物投放方式可保证食物投放时活动舱2内部的密闭性。食物投放完毕后，由于上述密封板B1033沿滑道向上运动的过程中，活动舱2内部空气会进入到食物投放隔层中，因此密封板B1033受到重力的作用自然下滑后将食物通道1025与食物投放隔层1023连通处密封，通过拧紧固定把手B1031将密封板B1033固定；随后开启抽气泵1029将食物投放隔层1023内的活动舱2内部空气抽出，并排入到活动舱2内部。

在进行***物清理时，打开抽气泵1029将泄物清理隔层1026内的空气抽出，并排放到活动舱2外部。随后转动固定把手A1030，使固定把手A1030脱离密封板A1032上的固定孔，但并不脱离活动舱；由此，如图3所示，***物清理隔层1026顶面便可通过活动舱2与***物清理隔层1026内的气压差，沿滑道向下运动；此时，通过打开食物投放隔层1023顶面，将双手伸入到两只橡胶软手套1024中，使在保证活动舱2室密闭的情况下，人的双手在活动舱2内部活动；通过拿起放置在小型生物放置笼1021内部位于***物清理隔层1026上表面上的清理工具1027，将小型生物的***物由***物清理隔层1026上的***物清理入口扫入到***物清理隔层1026底面上。随后通过上拉拉绳1034将***物清理隔层1026顶面向上拉起，使***物清理隔层1026顶面与密封板A1032贴合，此时通过拧紧固定把手A1030将***物清理隔层1026顶面固定，将活动舱2内密封。由此，如图4所示，打开***物清理隔层1026底面即可将***物排出活动舱2外部。由于在***物清理隔层1026顶面下滑的过程中活动舱2内部空气会进入到***物清理隔层1026内，因此在打开***物清理隔层1026底面前，通过抽气泵将***物清理隔层1026内的活动舱2内部空气抽出，并排入到活动舱2内部。

由此通过上述结构的实验装置，形成一个以微藻为核心的相对独立、完整、简单的可生物再生的人工生态***，能够实现密闭空间空气中的CO₂和O₂循环再生，可作为光藻反应器101与模拟乘员——小型生物联合实验的密闭实验装置的地面样机，可以为生物再生式生命保障***提供基础模型，对解决未来长期载人航天生命保障技术有重要意义。

Claims (10)

1.一种小型生物再生式生命保障***实验装置，其特征在于：包括生长室与活动舱；

所述生长室密闭，内部设置有光藻反应器、热交换器、水气分离器、氧气过滤器以及聚丙烯中空纤维膜接触器；其中，热交换器通过管路与光藻反应器内部连通，并通过管路依次连接水气分离器、氧气过滤器；氧气过滤器通过管路与活动舱连通；水气分离器通过管路连接集水槽；聚丙烯中空纤维膜接触器通过管路分别与光藻反应器以及活动舱连通；

所述活动舱密闭，内部设置有小型生物放置笼、活动舱光源、食物投放隔层、橡胶软手套、食物通道、***物清理隔层、压缩泵与抽气泵；其中，小型生物放置笼内底面与活动舱底面间通过隔板A隔开形成密闭的***物清理隔层；***物清理隔层的底面为可开合结构，顶面一侧与活动舱侧壁垂直方向上滑动连接，且开有固定孔A；***物清理隔层的顶面上还开有***物清理入口；***物清理隔层上方设置有密封板A，密封板A与活动舱侧壁固连，且当***物清理隔层顶面滑动到***物清理隔层顶部时，与密封板A贴合；当***物清理隔层与密封板A贴合时，通过活动舱外部的固定把手A穿过活动舱与***物清理隔层上的固定孔A将***物清理隔层与密封板A间定位；

在活动舱内部上方与内部顶面间通过隔板B隔开，形成密闭的食物投放隔层，食物投放隔层顶面为可开合结构，底面一端向下倾斜；活动舱内一侧与活动舱内侧壁间还通过隔板C隔开，形成食物通道；所述食物通道分别与小型生物放置笼以及食物投放隔层底面倾斜端连通，且食物通道与食物投放隔层连通处通过密封板B密封，密封板B一端与活动舱侧壁间采用滑动连接；相对的另一端安装有垂直于密封板B的挡板；密封板B与活动舱侧壁连接端上开有固定孔，活动舱外部的固定把手B穿过活动舱外壁与固定孔将密封板B在垂直方向上定位，使密封板B将食物通道与食物投放隔层连通处密封；上述食物投放隔层底面上开有两个手套安装口，每个手套安装口处通过连接一副橡胶软手套密封；

所述压缩泵与聚丙烯中空纤维膜接触器和活动舱的连通管路相连；所述抽气泵的抽气端通过管路分别与***物清理隔层以及食物投放隔层内部连通，排气端分别通过管路与活动舱外部、活动舱内部连通，并分别通过控制阀控制排气。

2.如权利要求1所述一种小型生物再生式生命保障***实验装置，其特征在于：所述固定把手A与固定把手B均与活动舱间采用螺纹连接。

3.如权利要求1所述一种小型生物再生式生命保障***实验装置，其特征在于：所述小型生物放置笼内放置有清洁工具。

4.如权利要求1所述一种小型生物再生式生命保障***实验装置，其特征在于：所述光藻反应器为底面半径0.1m，高0.6m的圆柱形反应器。

5.如权利要求1所述一种小型生物再生式生命保障***实验装置，其特征在于：所述光藻反应器内部顶面通过营养液添加管道与生长室外部的营养液供给槽连通；光藻反应器内部底面还通过藻液排放通道与生长室外部连通，通过控制营养液的补给速率和藻液的排放速率使光藻反应器达到恒化培养状态。

6.如权利要求1所述一种小型生物再生式生命保障***实验装置，其特征在于：所述光藻反应器包括反应室、反光板、温控器、曝气板以及光源；反应室内部设置有光源、曝气板与温控器。

7.如权利要求6所述一种小型生物再生式生命保障***实验装置，其特征在于：所述曝气板固定铺设且铺满反应室内部底面。

8.如权利要求6所述一种小型生物再生式生命保障***实验装置，其特征在于：所述光源设置于主反应器的中心位置，外部包裹有光源保护套，通过光源保护套与反应室固连。

9.如权利要求6所述一种小型生物再生式生命保障***实验装置，其特征在于：所述反应室外部侧壁上安装有反光板，通过反光板将反应室包裹。

10.如权利要求6所述一种小型生物再生式生命保障***实验装置，其特征在于：所述曝气板为微孔曝气板，采用陶瓷材料，气体流量0.6L/min。