论文摘要：高效培养小球藻调控密闭系统气体平衡的理论与技术研究

 

    对于长期的空间任务来说，建立生物再生生命保障系统（Bioregenerative Life Support System, BLSS）是必需的，它由植物、动物、微生物和人工环境构成，能够对系统内的各种废物进行回收利用，以生物再生的方式为乘员提供食物，水和O2。虽然在BLSS中高等植物处于基础核心地位，承担着主要的生命保障功能，然而BLSS在运行过程中可能会出现高等植物培养失败的情况，同时也会遭遇其他各种内部变化和外部扰动，这都将打破系统内O2和CO2浓度的平衡，影响系统的安全与可靠性。此外，自养生物同化商与异养生物呼吸商的差异也是导致BLSS内O2和CO2浓度出现波动，引起系统内气体浓度失衡的重要原因。因此，本论文中首次提出以人类尿液为基质，将具体实验与计算机仿真相结合，建立光生物反应器（Photobioreactor, PBR）培养小球藻去调控BLSS内气体的平衡，形成一套科学的理论与方法，这对提高BLSS的闭合度，以及在地面和空间运行时的安全和可靠性具有重要意义。

    本文中首先验证了小球藻在人类尿液中培养的可能性，优化了小球藻的培养条件，确定了以光强调控小球藻生长的可行性，在比较不同PBR构型优劣的基础上，构建了高效平板PBR，并成功应用于小型密闭实验系统中。在我国首次开展的有人参与的多元生命保障系统实验中，验证了小球藻在系统中的气体调控能力，通过数学建模与计算机仿真实验确认了具有线性二次高（Linear-Quadratic Gaussian, LQG）伺服控制器的闭环PBR能够有效地调节与控制小球藻的产O2过程，能在应急情况下有效地维持系统内的气体平衡，同时处理系统内人的尿液及净化CO2。最后为了加强PBR的调控能力，通过理论建模和仿真对PBR进行了放大，并构建了能够高效培养小球藻的双挡板式PBR

    本文主要研究结果如下：

    验证了模拟尿液培养小球藻的可行性；优化了小球藻培养各种影响因素——在80倍稀释模拟尿液下培养最好，最佳培养温度为29 ℃，白光与红蓝混合光下培养较好；在光强1000 μmol m-2 s-1以下，小球藻生物量随光强升高而增加；建立了小球藻的光衰减方程。

    构建了1.5 L的高效平板式PBR，以半连续方式培养小球藻，PBR运行稳定，光强及温度控制元件工作正常；小球藻连续培养的浓度维持在8.11 g L-1～8.72 g L-1，而对尿液中TN、TP的去除率分别达到了99.95 %和99.99 %；系统中溶解氧的浓度维持在7.59 mg L-1～10.54 mg L-1；小球藻生长过程中对CO2 的吸收速率为231 mg L-1 h-1，每天消耗了8.31 g CO2，同时O2 的释放速率为178 mg L-1 h-1，每天放出了6.41 g O2。以柱式PBR处理一个人的尿液（1.5 L d-1），其生物量浓度稳定在1.2 g L-1，TN的去除率最高可以达到77.86 %，TP的去除率最高可以达到81.96 %。

    为了加强PBR的调控能力，能够实现普通小球藻的高效培养，本研究在数学建模和计算机数值仿真实验的基础上，建立了双挡板式PBR，优化了反应器的几何构型和运行工艺参数，使反应器具有理想的闪光效应光照制度，从而实现了普通小球藻的高效培养。

    同时将小球藻作为调控与缓冲器应用于BLSS的系统设计中，在系统受到冲击时发挥缓冲作用，而在平时发挥调控作用。在构建的BLSS特殊原型——综合实验系统（Integrative Experimental System, IES）中设置小球藻培养单元，当系统受到冲击时，小球藻能够在3-5天内重新恢复到原先的稳定状态，为高等植物功能的恢复赢得时间。此外，小球藻培养可以用来补偿系统内人与自养生物之间的呼吸与同化商差异，通过调节光强改变小球藻的生长速率来调控IES内气体的组成，维持系统内CO2和O2平衡。

    本研究所建立的具有LQG伺服控制器的闭环PBR能够调节与控制产O2过程，并对控制作用具有良好的动态响应性能。闭环PBR中的参数能够被设定的O2浓度动态响应曲线优化地辨识，系统设计和优化的有效性已被数值与实时仿真实验充分地检验与证明——经动态响应优化与计算机仿真得到的闭环PBR可作为理想的生物再生工具用于BLSS中O2浓度的调节与控制，可大大提高系统在空间与地面运行的安全与可靠性。

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