一种用于低压环境下微藻培养实验的装置和方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于低压环境下微藻培养实验的装置和方法，属于空间生物学中的受控生态生保技术研究领域。本发明针对未来星球基地中的低压环境生物学问题，构建了低压环境下的微藻培养实验装置和方法。本发明利用真空系统对舱体内的空气进行抽负压，用于为微藻培养提供低压环境条件；采用外置光源和玻璃钟形罩的设计，为微藻在低压环境下培养提供光照条件；采用舱内空气复压设计，为微藻低压培养过程中提供稳定的空气成分；采用室内空调对微藻低压培养提供温度条件。采用测控机柜设计，实现该装置运行的自动控制。本发明为受控生态生保系统中低压环境对微藻的影响研究提供了很好的实验平台和手段。
【专利说明】
一种用于低压环境下微藻培养实验的装置和方法
技术领域
[0001]本发明属于长期载人航天受控生态生保技术领域，具体涉及一种在低大气压力条件下的微藻培养装置及其实验方法。
【背景技术】
[0002]开展长期载人深空探测和地外星球定居必须要建立受控生态生保系统，它可为乘员提供食物、氧气和水等基本生保物资，并循环利用系统内产生的各种废物，从而实现系统的自给自足能力。微藻是该系统中的关键生物部件，具有提供食物、氧气、去除二氧化碳、净化废水的重要功能。因此，开展微藻培养技术研究对受控生态生保系统的构建具有重要意义。
[0003]在月球和火星等深空环境中，表面大气极为稀薄，几乎是一个真空，如果建立常压受控生态生保系统，则需要大量特殊的建筑材料，这势必大大增加建筑成本和难度；此夕卜，该系统气体易于泄漏，需要经常进行气体补给，这势必又大大提高了系统的维护成本和难度(Hoehn A.等，1998)。反之，如能在低压条件下建立受控生态生保系统，既可大大减少特质建筑材料的用量、天地往返运输成本、建筑成本和难度、气体泄漏带来的物质消耗，而且有可能大幅度提高作物的光合作用速率和食物、氧气和水等基本生保物资的生产率(Daunicht HJ.and Brinkjans HJ.，1992 ；Nangalia V.and Habershon J., 2004)。因此，低压是未来星球基地环境中的重要环境参数，开展低压对微藻生物学的影响研究为月球/火星基地受控生态生保系统构建提供重要的技术支持。
[0004]在现有的微藻培养技术中，已有的微藻培养装置及其实验的方法均是针对地面条件下的科学研究和工农业生产来开展的，而对于未来星球基地低压环境对微藻的影响均没有过多的考虑。比如:第一，低压环境是否会影响微藻的生长速率，进而影响微藻为受控生态生保系统提供食品的能力；第二，低压环境是否会影响微藻的光合效率，进而影响微藻在受控生态生保系统中调控大气中气体成分的功能；
[0005]针对上述问题，需要在地面开展大量相关研究来解决。本发明设计并建立了低压微藻培养实验装置，并针对微藻的生长特性对装置内部环境参数进行了适时的监测和控制，通过试验提出了低压下微藻的培养和试验方法，可应用于在地面开展低大气压力条件下的微藻生长发育特性、品种筛选以及遗传变异研究。
【发明内容】
[0006]本发明解决的主要技术问题是:针对未来月球/火星等星球基地应用的低压环境条件的特点，研制低压微藻培养装置，为微藻生长提供物质闭合的低压环境条件；对装置内环境参数进行监测和控制，为微藻在低压条件下正常生长提供所需的温度、二氧化碳、氧气、光照条件。
[0007]本发明所采用的具体技术方案:
[0008]首先，建立低压环境装置。为微藻提供与外界隔绝的生长空间，并为装置内大气环境控制和微藻生长试验提供相应的硬件支撑条件。该装置(图1)主要由舱体、支撑架(I)、测控系统、真空系统和光源系统组成。舱体用于构建密闭环境，隔绝内外气体交换，包括底板(10)和玻璃钟形罩(2)，底板材质为碳钢，玻璃罩材质为透明玻璃。底板(10)为圆盘状，厚度15mm，主要用于支撑玻璃钟形罩。玻璃钟形罩(2)为半圆柱体，顶部为半球面体，压放在底板(10)上，在负压条件下形成完整的密闭舱体。底板(10)用于安装温度传感器(7)，压力传感器(8)，复压电磁阀(6)和真空电磁阀(9)。
[0009]微藻培养室，为玻璃钟形罩(2)和底板(10)之间的内部空间，内置一层不锈钢网罩(5)。不锈钢网罩(5)下部的不锈钢圆杆与底板(10)固定连接。从而使微藻培养室分为上下两层培养空间。
[0010]其次，装置内环境参数的监测和控制。为微藻生长创造大气总压、气体成分，温度，光照条件控制(图2)。大气总压控制主要是由压力传感器(8)将大气压力测量信号传给智能仪表(14)，智能仪表(14)通过与设定参数比对后来控制真空电磁阀(19)和真空泵
(15)，从而实现总压控制；气体成分控制主要是由定时器(12)根据设定值对复压电磁阀
(6)进行定期开关控制，舱外空气由复压口吸入舱内，再由压力传感器(8)监测舱内压力变化，偶联大气总压控制实现舱内空气定期更换，从而保障舱内空气成分在整个实验期间的一致性。光照条件控制主要通过在玻璃钟形罩(2)外侧竖直安放三只光源(3)，呈三角形均匀分布于玻璃钟形罩(2)周围。舱内培养的微藻所需的光照强度通过安装不同功率光源
(3)和调节灯管与玻璃钟形罩(2)的距离来控制。光照周期通过在光源的电源上安装定时器(11)来设定。舱内微藻生长所需的温度通过安装在底板上的温度传感器(7)进行测量，并将温度信号传输到智能仪表(13)进行监测。舱内所需的微藻生长温度条件由装置所处实验室的空调通过控制实验室环境温度进行间接控制。
[0011]第三，微藻培养方式。米用玻璃三角瓶(4)作为微藻培养容器,用微藻培养基来培养微藻。三角瓶口用封口膜包覆，以保证微藻藻种的纯培养条件。利用真空系统为舱内微藻培养实验提供所需的低压环境条件；利用舱外的光源(3)为微藻提供光照条件；利用复压阀(6)为舱内培养微藻定期更换新鲜空气；利用实验室空调为舱内微藻提供生长所需温度条件。
[0012]本发明的优点在于:针对未来深空探测任务中建立的月球/火星基地低压环境，建立了一套空间低压环境条件下微藻培养实验的装置和方法，与目前已有的微藻培养技术和装置相比，本发明构建了低压条件下的微藻培养技术，具有微藻培养总压环境、光照条件、温度条件和大气成分的自动监测与控制等特点。
[0013]在现有的微藻培养装置中，生长环境条件主要是在地面常压条件下进行控制，对总压条件未进行控制。而本发明中，利用真空系统和玻璃钟形罩构建了压力控制环境，为开展不同大气总压对微藻生长和生理的影响研究提供了条件。同时，本发明采用智能仪表的设计方式，实现了微藻培养大气压力条件的自动监测和控制。
[0014]本发明采用在装置内设置复压口的设计，在微藻培养过程中能够维持稳定的空气成分，减少了微藻培养过程中由于抽真空和微藻自身生长导致的舱内空气成分变化，便于消除其对微藻培养实验结果的干扰。
[0015]本发明采用外置光源的设计，既可以减少微藻培养室温度的波动，又可根据实验需求调整光源的位置，利于微藻培养光照条件的设置。
【附图说明】
[0016]下面是结合附图对本发明的进一步说明。
[0017]图1本发明的装置结构图。
[0018]图2装置环境参数控制原理图。
[0019]图中I支撑架，2玻璃钟形罩，3光源，4三角瓶，5不锈钢网罩，6复压电磁阀，7温度传感器，8压力传感器，9真空电磁阀，10底板，11光源定时器，12复压定时器，13温度智能仪表，14压力智能仪表，15真空泵，16测控机柜。
【具体实施方式】
[0020]1.低压微藻培养装置建立
[0021]1.1舱体的安装(图1):先将压力传感器⑶、温度传感器(7)、真空电磁阀(9)、复压电磁阀(6)安装在底板(10)上，并将底板固定在支撑架(I)上部，然后在底板上通过螺纹固定安装不锈钢网罩(5)，将玻璃钟形罩(2)放置在底板上。
[0022]1.2真空系统安装(图2):舱体安装完毕后，将压力传感器⑶和智能仪表(14)、真空电磁阀(9)、真空泵(15)依次相连，其中智能仪表(14)还应与测控机柜(16)相连，真空电磁阀(9)还通过管道与舱体底板(10)相连通。
[0023]1.3大气成分控制系统安装(图2):在底板(10)上的复压电磁阀(6)与定时器
(12)和测控机柜(16)依次连接，形成大气成分控制系统。
[0024]1.4光照系统安装(图2):将光源(3)与定时器(11)和测控机柜(16)依次连接形成光照系统。
[0025]1.5温度监测系统安装(图2):将底板(10)上的温度传感器(7)与智能仪表(13)和测控机柜(16)依次连接，完成温度监测系统安装。
[0026]通过以上对各系统的组建和安装后，低压微藻培养装置建立完毕，可以开展装置内环境参数的监控和微藻培养试验。
[0027]2.装置内环境参数的监测和控制
[0028]2.1大气总压控制:在常压条件下，打开测控机柜(16)电源，为真空泵(15)、电磁阀(9)和压力传感器(8)供电。在智能仪表(14)上设置微藻培养的压力上、下限值，启动真空泵(15)和打开真空电磁阀(9)开始抽吸舱内空气到舱外，当压力传感器⑶的测量值低于设定值下限时，真空电磁阀(9)关闭，真空泵(15)停止抽气，大气总压维持在设定范围内；当压力传感器(8)的测量值高于设定值上限时，真空泵(15)开始将装置内的大气抽到外面。
[0029]2.2大气成分控制:利用定时器(12)上设置复压的间歇时间和持续时间，间歇时间控制复压电磁阀￠)的打开状态，持续时间控制关闭状态，从而定期为舱内注入新鲜空气。在此过程中压力传感器(8)的测量值高于设定上限时，启动真空泵(15)抽吸舱内空气，直至舱内压力测量值低于下限值。以上过程即可实现定期更换舱内空气的目的，从而保障微藻在低压环境下空气成分的稳定性。
[0030]2.3光源控制:连接光源(3)和定时器(11)，根据实验需求设定定时器的开关时间，从而控制光源(3)的定时开关，实现微藻培养过程中的光暗周期转换。
[0031]3.微藻培养
[0032]以鱼腥藻7120为例来说明在本装置中的低压培养方法。首先将实验室中处于快速生长期的鱼腥藻7120藻种在无菌条件下接种于三角瓶(4)中的无菌培养基中，用封口膜封口后置于微藻培养室中，盖上玻璃钟形罩(2)，打开测控机柜(16)电源，设定鱼腥藻7120的培养环境参数，如大气压力为29?30.5kPa，换气周期2h，持续20s，光照强度25?35 μ mo I ^2.?，光照周期12h昼/12暗，启动装置运行。打开实验室中的空调，设定温度为25°C。测控机柜(16)发送指令至各控制系统，如真空电磁阀(9)和真空泵(15)打开，抽吸舱内空气；光源(3)打开。各个系统环境参数控制到设定值后，微藻开始在此条件下生长。当装置运行时间达到2h时，复压电磁阀(6)打开，舱外空气开始注入舱内，持续20s后，复压电磁阀(6)关闭，复压结束。此过程中如果压力测量值高于30.5kPa时，真空电磁阀(9)打开和真空泵(15)启动，抽吸舱内空气，当压力测量值低压29kPa时，关闭真空电磁阀(9)和真空泵(15)，微藻培养室换气结束。鱼腥藻7120培养期间每天定时摇动装置支撑架(I)，使三角瓶(4)中的微藻藻种均勻分布在培养液中。
【主权项】
1.一种用于低压环境下的微藻培养装置，其特征在于:所述装置包括舱体、支撑架、真空系统、光照系统、测控机柜和大气成分控制系统；舱体由玻璃钟形罩和底板通过密封圈连接，内置不锈钢网罩，底板和不锈钢网罩提供两层三角瓶摆放空间；舱体与支撑架通过螺丝固定连接，底板安装的压力传感器和真空电磁阀，与智能仪表、真空泵、控制机柜连接构成真空系统；底板上安装的复压电磁阀与复压定时器连接，构成大气成分控制系统；舱体外侧的光源和光源定时器连接，构成光照系统。2.根据权利要求1所述的一种用于低压环境下的微藻培养装置，其特征在于:微藻培养装置的环境参数控制范围为:大气压力5?1lkPa,精度±lkPa，光源为荧光灯，舱内光照强度10?50μπιΟ1.πι2.s1，光照周期O?24h自动可调，温度范围20?30°C，精度土1°C，舱内空气更换周期O?10天，持续时间O?10h，大气压力、光照周期和复压周期可进行自动控制。3.根据权利要求1所述的一种用于低压环境下的微藻培养装置进行低压微藻培养实验方法，其特征在于:将在实验室无菌条件下接种藻种于三角瓶内的无菌培养基中，封口膜封口后置于舱体内进行静态培养，放上玻璃钟形罩后启动低压微藻培养装置，培养周期20?30天，培养环境参数设置为:压力5?90kPa，温度25±1°C，光照强度30?40μπιο1.m2.s \光照周期12?24h，舱内空气换气周期I?2h，换气时间10?30s，微藻培养期间，每天定时摇动支撑架，使舱内三角瓶中的藻液混合均匀。
【文档编号】C12M1/00GK105886394SQ201410542190
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年10月15日
【发明人】秦利锋, 傅岚, 赵肆方, 艾为党, 唐永康, 余青霓, 张良长, 郭双生
【申请人】中国航天员科研训练中心