在轨微生物培养实验载荷及其培养方法与流程

本发明涉及空间技术试验，尤其涉及一种在轨微生物培养实验载荷及其培养方法。

背景技术：

1、微生物具有结构简单、生长周期短、繁殖快、便于搭载等优点，被作为生物模型用于空间环境下的生命现象研究、地外生命探测以及开展以微生物为重点关注对象的行星保护任务研究等。随着我国空间站建造完成，将开展大规模、多学科的空间科学与技术试验。实现微生物培养是空间条件下开展微生物研究的重要前提，如开展空间微生物材料腐蚀性研究、空间微生物诱变研究、耐药性研究等。由于空间环境的特殊性，对在轨实验载荷的系统集成性、通量性、安全性和可靠性等提出了极高的要求。

技术实现思路

1、本发明提供一种在轨微生物培养实验载荷及其培养方法，用以解决现有技术中存在的缺陷，实现如下技术效果：可以实现在微重力环境下对微生物培养过程的精确控制和监测，从而支持空间生物学研究，且通过这种集成化的设计，实验载荷能够提供高通量的实验能力，同时确保实验的安全性和可靠性。

2、根据本发明第一方面实施例的在轨微生物培养实验载荷，包括：

3、试验模块，由多个培养单元所组成，每个培养单元内均设有培养池和用于加热所述培养池的加热件，所述培养池与带有泵体的输液管道连接；

4、监视模块，与所述试验模块位置相对设置，且所述监视模块用于对所述试验模块进行静态或者动态成像，以获取所述培养池内的微生物生长信息；

5、控制模块，分别与所述监视模块以及所述试验模块内的水泵和加热件连接，且所述控制模块用于接收所述监视模块所传输的微生物图像数据，并根据所述微生物图像数据控制调节所述泵体和/或所述加热件的工作状态。

6、根据本发明的一个实施例，所述监视模块包括若干个相机和若干个光圈，每个所述相机上均设有一个所述光圈，所述相机和所述光圈均与所述控制模块连接；

7、且所述控制模块用于接收所述相机所传输的微生物图像数据，并根据所述微生物图像数据调节所述光圈的工作状态。

8、根据本发明的一个实施例，所述控制模块包括相互连接的配电计算机处理电路板、驱动控制电路板、控制端电连接器；

9、其中，所述配电计算机处理电路板用于对所述控制模块自身、所述试验模块和所述监视模块进行配电控制，并用于对所述微生物图像数据进行计算机处理；所述驱动控制电路板用于控制所述试验模块中的泵体和加热件的工作状态；所述控制端电连接器则用于与所述试验模块和所述监视模块分别电信连接。

10、根据本发明的一个实施例，所述配电计算机处理电路板包括配电单元；

11、所述配电单元包括：

12、熔断器电路，包括两个并联的熔断器，其中一条支路上串联有功率电阻，所述功率电阻的阻值不小于熔断器冷态电阻阻值的20倍；

13、浪涌抑制电路，基于n沟道开关晶体管搭建，且所述浪涌抑制电路通过控制栅极电压以控制导通，并利用软启动的方式实现上电浪涌的抑制功能；

14、emi滤波器，用于滤除噪声和纹波；

15、dc/dc变换器，用于将母线的高伏电压转换为低伏二次电源；

16、相机供电电路和光圈供电电路，分别对所述相机和所述光圈配电，且相机供电电路和光圈供电电路均与所述dc/dc变换器连接。

17、根据本发明的一个实施例，所述配电计算机处理电路板还包括计算机处理单元；

18、所述计算机处理单元包括：

19、fpga芯片，用于完成以太网通信控制、图像的接收和压缩、外部存储控制、泵体的开关控制以及加热件的反馈系统控制；

20、cpu芯片，与所述fpga芯片连接，用于发送指令以控制所述fpga芯片；

21、看门狗电路，分别与所述cpu芯片和所述fpga芯片连接，且用于硬件复位所述cpu芯片和所述fpga芯片；

22、以太网phy电路，与所述fpga芯片连接，用于实现以太网通信协议；

23、camerlink接收器，用于接收所述相机采集到的微生物图像数据；

24、sdram外部存储器电路，分别与所述camerlink接收器和所述fpga芯片连接，用于缓存所述微生物图像数据；

25、eeprom存储芯片，与cpu芯片连接且用于存储cpu程序。

26、根据本发明的一个实施例，所述驱动控制电路板包括：

27、泵体驱动电路，与所述fpga芯片连接，且由所述fpga芯片通过电平转换电路控制所述泵体的通断及其运行参数；

28、加热件控制电路，与所述fpga芯片连接，且由所述fpga芯片通过电平转换电路控制所述加热件的开关及其加热参数。

29、根据本发明的一个实施例，所述培养单元包括：

30、密封的所述培养池，所述培养池的外侧设有所述加热件；

31、存储池和翻转膜，所述存储池连接于所述培养池；所述翻转膜设置于所述存储池内，以将所述存储池的内腔分隔为密封的储液腔和储气腔；

32、输液管道和出气管道，所述培养池经所述输液管道与所述储液腔相连，且所述培养池经所述出气管道与所述储气腔相连，所述泵体安装在所述输液管道上。

33、根据本发明的一个实施例，在轨微生物培养实验载荷还包括：

34、载荷箱体，内部形成有箱体空间，所述载荷箱体内安装有横跨所述箱体空间的安装夹层，所述安装夹层将所述箱体空间分隔为安装腔体和培养腔体；

35、所述控制模块安装在所述安装夹层内部的夹层腔体中，所述相机穿过所述安装夹层，所述相机的机体位于所述安装腔体内，且所述相机的摄像头位于所述培养腔体内；所述试验模块安装在所述培养腔体内，且所述培养单元与所述摄像头相对设置。

36、根据本发明的一个实施例，所述安装夹层的朝向所述培养腔体的一侧外壁面形成安装基准面，所述试验模块的所有培养单元均与所述安装基准面相对设置；

37、所述摄像头固定在所述安装基准面上，且所述安装基准面上还设有连通至所述夹层腔体的固定孔，所述控制模块的控制端电连接器固定在所述固定孔内。

38、根据本发明第二方面实施例的基于本发明第一方面实施例所述的在轨微生物培养实验载荷的培养方法，包括：

39、在微生物培养开始后，获取所述监视模块所拍摄的微生物图像数据，并对所述微生物图像数据进行处理以生成微生物生长信息；

40、根据所述微生物生长信息，控制调节所述泵体和/或所述加热件的工作状态。

41、本发明的在轨微生物培养实验载荷可以实现在微重力环境下对微生物培养过程的精确控制和监测，从而支持空间生物学研究，如微生物材料腐蚀性研究、空间微生物诱变研究和耐药性研究等。通过这种集成化的设计，实验载荷能够提供高通量的实验能力，同时确保实验的安全性和可靠性。

42、综上，根据本发明实施例的在轨微生物培养实验载荷，在微重力环境下具有以下优势性和特殊性：(1)系统集成性：集成了控制、试验和监视三大模块，实现了在轨微生物培养实验的全流程自动化，减少了对航天员操作的依赖，提高了实验效率。(2)高通量实验能力：能够同时支持多个独立培养单元的微生物培养，可以理解，因为传统的重力依赖型培养方法在失重状态下不再适用，因此上述方案可以保证在微重力环境下的独立温度控制和营养物供给。(3)动态监测与控制：监视模块能够实时捕捉培养池内的微生物生长情况，并通过控制模块对实验条件进行动态调整，确保实验的准确性和可靠性。可以理解，由于微重力会影响物质的自然对流和沉降，因此上述实时反馈机制在微重力环境下尤为关键。(4)温度精确控制：在微重力环境下，物质的对流和沉降模式发生变化，实验载荷通过精确的温度控制，提供微生物生长环境，可以研究微生物在失重条件下的生理变化。(5)安全性设计：试验模块采用双重密封性设计，内层满足液密性要求，外层满足气密性要求，确保了实验的生物安全。同时，高温杀菌功能可以在实验结束后对培养单元进行彻底消毒，防止微生物污染。(6)通用性和模块化设计：实验载荷采用模块化设计，可以根据不同的实验需求进行快速改装和升级，提高了在轨实验的灵活性和适应性。