研究微重力在外星培养条件下对动物/植物细胞的影响及其培养过程以维持载人航天任务的工艺和成套装备

本发明涉及在微重力条件下培养植物细胞及其生长培养基，以获得富含蛋白质的可食用生物质以维持长期的载人航天任务。特别是，本发明还涉及从外星来源获取材料的装置或方法及其在地球上的模拟。本发明还涉及用所述装置在微重力条件下培养动物细胞。

背景技术：

1、众所周知，几家公司和机构有兴趣在接下来的40年中承担小行星、月球和火星上的载人任务。具体而言，在目前的太空探索计划的框架内，缩写词isru(就地资源利用)是众所周知的。该缩写词涉及使用在月球、火星和/或小行星上已经可利用的外星资源，这允许更长的载人任务持续时间并降低成本。

2、大多数isru技术包括从火星表土和大气中生产氧气和推进剂的物理化学方法，但其本身不能帮助生产船员所必需的食物。

3、在这样的框架下，一系列通常以缩写词eclss-环境控制和生命保障系统提及的技术已被开发，通过回收参与国际空间站(iss)研究活动的宇航员产生的液体和固体废物来产生食物和水。

4、自1988年以来，以在实质规模上实施eclss范例为目标，esa(欧洲太空总署)正致力于melissa(微生态生命保障系统替代方案)项目，该项目涉及使用如藻类、细菌和真菌等微生物，开发闭环工艺(即仅通过回收废物和能量产生全体船员所需的全部材料)，用于在船员室内创造允许船员在月球和火星上的长期的永久任务期间生存和工作的合适的条件。

5、虽然melissa项目的最终目标是实现自持系统，但是建模模拟已表明，即使最低目标是通过废物回收获得船员所需食物的20％，也无法通过现有技术实现。

6、通过其他eclss系统也获得了类似的结果，从而证明，在现有技术中，这些系统不是完全自我维持的，需要整合外部输入的氧气、食物和水来满足宇航员的需求。从深空载人飞行任务看，由于相关的无法负担的任务费用，这种综合资源无法从地球上持续供应，必须通过开采现场可用资源来生产。然而，食品生产不可避免地要利用微生物和生物工程技术。

7、在这种情况下，最近的一个研究领域，缩写词bio-isru是众所周知的，其被开发研究通过生物工程技术利用火星表土和大气就地生产食物的可能性。bio-isru技术可分为两大类，即其分别依赖于甲基营养细菌和利用岩石自养微生物。

8、第一组技术是基于甲醇的使用，其可以通过物理化学isru通过如毕赤酵母和嗜甲基虫或工程化的大肠杆菌和枯草芽孢杆菌等微生物就地生产以获得富含蛋白质的可食用生物质。

9、第二组bio-isru工艺是基于岩石风化微藻或蓝藻，它们可以通过光合作用转换成在火星大气可以使用的n2和co2，还可以依赖于现场可用的水和光将表土中的s、p、fe、zn、na和其他微量营养素转化为合适的可食用生物质。蓝藻和微藻的使用会产生进一步的积极作用，其可以产生对船员至关重要的光合氧，并可以整合通过物理化学isru工艺产生的光合氧的量。

10、wo2013014606描述了一种涉及藻类和蓝藻的bio-isru工艺。该工艺包括两个主要部分：

11、-“物理化学部分”，其通过wavar、tsa和mpo单元从外星大气和表土中提取co2，h2o、n2和ar，然后通过物理化学isru工艺生产o2、h2、co、hno3、nh3和nh4n3；以及

12、-“生物学部分”，其将来自地球的可食用微藻和/或蓝藻放置在室内球顶的光生物反应器中培养，球顶加热至不小于10℃的温度，且由于物理化学部分产生的co2具有至少0.8bar的内部压力，将光生物反应器暴露于人工或自然光下，并加入培养肉汤、hno3和冒泡的co2，其中，培养肉汤是由脱水的外星表土和用hno3酸化的h2o组成的水液相的浆料，脱水的外星表土、h2o、co2和hno3是在“物理化学部分”中产生的。

13、本发明的一个目的是提供一种bio-isru工艺，其相对于wo2013014606中所描述的工艺有所改进且更加有效。

14、本发明的另一个目的是提供一种成套装备和方法，以在地球上模拟在细胞外星条件下的生长，从而研究所提出的bio-isru工艺在长期载人航天任务的可行性。

15、定义和缩写

16、bio-isru：通过原位资源利用用于食品生产的生物工程技术

17、eclss：环境控制与生命保障系统

18、esa：欧洲太空总署

19、iss：国际空间站

20、isru：原位资源利用

21、lsb：实验室规模的生物反应器

22、lsp：实验室规模的光生物反应器

23、melissa：微生态生命保障系统替代方案

24、mpo：微波披萨炉

25、rpm：随机定位仪

26、tsa：变温吸附

27、wavar：水蒸气吸附反应器

技术实现思路

1、本发明的主题是一种用于在地球上模拟细胞在预先确定的外星位置上的外星条件下生长的装置，所述装置包括：

2、-安装在三维回转仪或随机定位仪(rpm)上的绝缘罐，所述罐能够容纳至少一个实验室规模的生物反应器(lsb)，所述罐设置有压力计、气体入口和气体出口；

3、-用于储存模拟外星大气的气体的气缸，所述气缸具有可与所述罐的入口流体连接的出口。

4、本发明的另一主题是一种在地球上模拟细胞在外星条件下生长的方法，所述方法包括使用如上所描述的模拟装置。特别地，本发明的用于培养可食用微生物的方法包括以下步骤：

5、-将用酸化水浸出外星表土模拟物获得的液体表土浸出液、稀释的宇航员尿液模拟物和微量营养素混合来制备培养基，其中所述微量营养素是在外星上通过isru不可获得的那些，并且已知所述微量营养素对于待培养的菌株的生长是必需的。

6、本发明的模拟装置及其方法成功地用于模拟和研究不同植物和动物细胞系在模拟的外星条件下的生长。

7、根据本发明的方法，使用本发明的装置进行的模拟实验提供了证据证明与在地球上的传统操作条件相比，当使用本发明方法的操作条件时，生物质生产率高得多。

8、本发明的另一个主题是一种用于生产光合可食用的生物质和氧气以维持长期载人外星任务的bio-isru工艺；所述工艺包括：

9、-将表土浸出液、来自eclss的稀释的宇航员尿液和其它从地球带来的在原地无法获得的微量营养素混合制备外星培养基，其中，所述微量营养素对于可食用的生物质的生长是必需的；

10、-向光生物反应器中加入所述外星培养基和来自地球的可食用生物质的接种物。

11、根据本发明的方法，使用本发明的装置进行的钝顶螺旋藻培养的模拟实验提供了证据，表明与wo2013014606中所描述的操作条件相比，当使用本发明方法的操作条件时，生物质生产率高得多。该证据清楚地证明了本发明相对于现有技术提供的相关改进。模拟实验提供了证据，证明本发明的工艺是有利的并且是可行的，其允许在火星上生产食物和氧气。本发明的另一个主题是一种宇航员食品，所述食品包括通过本发明工艺获得的可食用生物质。

12、本发明的另一个主题是一种成套装备，尤其适用于实施本发明所述的方法，所述成套装备包括：

13、-用于将来自eclss的稀释的宇航员尿液输送到用于制备外星生长培养基的容器的系统；

14、-对于可食用生物质的生长是必需的并且在外星上是不可获得的微量营养素。