CN101147471A

CN101147471A - 生物再生生命保障系统生物单元间关系模拟综合实验装置

Info

Publication number: CN101147471A
Application number: CNA2007101188126A
Authority: CN
Inventors: 刘红; 佟玲
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2007-06-12
Filing date: 2007-06-12
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2027-06-12
Also published as: CN100558233C

Abstract

本发明公开了一种生物再生生命保障系统生物单元间关系模拟综合实验装置。该装置包括动物间、植物间和空气温度调节间三部分。其中植物间配件包括红蓝发光二极管、排风扇、接触式温度传感器、水分传感器、液位计、压力计、布水管、布气管、不锈钢漏斗、水泵、气体增压泵、气阀、水阀等；动物间装置有紫外灯、排风扇、压力计等；空气温度调节间包括铜质热交换管、氧气传感器、气体增压泵、气阀等。利用此装置可进行植物培养、动物培养单独实验，植物净化人呼出的气体实验，也可以进行动植物联合培养实验，从而研究生物再生生命保障系统(BLSS)中植物、动物等生物单元间的气体等物质的交换关系，为保持生命保障系统中生物单元间的物质平衡提供一定的实验论据。该实验装置还可用于开展实验生态学研究。

Description

生物再生生命保障系统生物单元间关系模拟综合实验装置

技术领域

本专利涉及一个生物再生生命保障系统生物单元间关系模拟综合实验装置，主要用于探索研究生物再生生命保障系统(BLSS)中植物、动物等生物单元间的物质循环关系，为保持生命保障系统中生物单元间的物质平衡提供一定的实验论据。

背景技术

生物再生生命保障系统(BLSS，Biological Life Support System)已被各航天大国公认为建立永久月球、火星空间基地的根本保障技术。BLSS中的水和气体再生主要由高等植物通过光合作用来完成，同时宇航员从高等植物那里获取植物性食物。另外，从宇航员心理生理角度考虑，同时实现宇航员食物的自给自足并增加系统的闭合性，宇航员也要在BLSS内生产动物蛋白，即再生生命保障系统包括植物、动物等生物单元，在有限的空间站内，动植物之间必然存在物质交换，从而共同维持生命保障系统物质和能量的平衡。另外，由于空间站内宇航员需要的氧气主要由高等植物提供，所以有必要研究高等植物对人呼出气体的净化情况。因此，研究探索这些生物单元间的物质循环关系便成为维持再生生命保障系统内物质平衡的重要问题之一。

技术内容

本专利所要解决的技术问题是，提供一种结构相对简单、易于观察控制、便于操作的研究动植物生长单元间物质交换关系的实验装置。

为实现上述研究目的设计了此生物再生生命保障系统生物单元间关系模拟综合实验装置，此装置包括动物间37、植物间38、空气温度调节间39、物流间3。其特征在于：可进行植物、动物物质转化特性单独实验、植物净化人呼出的气体实验，也可以进行动、植物单元联合实验，研究动、植物间的物质交换特性。

动物间37上部设有紫外灯5，紫外消毒通道隔板9，板高5-20cm，此板前端与箱体保持2-10cm距离，来自空气温度调节间的空气经过风扇10进入紫外灯消毒通道32，从板前端开口33处流出，再从紫外灯通道32下的紫外线挡光板1的两侧开口29流入动物间，紫外线挡光板1的作用是防止紫外线直射38室对其中动物造成伤害。动物放出的二氧化碳、氨气等气体从气管40流出，经过气管41进入植物间，气管41分成支管42、43。动物间正面中部设法兰开孔2，用于安装加长无菌医用手套，实验人员可以通过它们对动物间进行操作。此单元正面还设有一荧光灯15用于照明，其上部为反光板16。动物间从顶部到承托板30处的箱体为密闭空间，高90-140cm的板面36与动物间37的箱体法兰连接、可拆卸。

植物间39顶部为红蓝LED光源25，其中红光70％-90％，蓝光10％-30％。上部设有透气不锈钢网4、用来给LED光源25降温的排气风扇10，排风扇四周不锈钢板31；光源25下部的透光钢化玻璃板6。中部设有多孔板20承托上部植物生长基质35，同时可以使斜斗23中的水和基质34中多余的水流回集水容器28中。植物间38侧壁上装有接触式温度传感器14，控制制冷、热设备工作。植物生长基质34表面设布水管21、布气管19。动物间的气体通过气管40、41和气管支管42和43进入植物间：当通过支管44进入植物间时，连接2-12根布气管的气管19将气体均匀分布在植物生长基质34表面；当通过支管43进入植物间时，气体将通过植物生长基质34进入植物间。箱体上的开孔8用于连接密封呼吸罩，用于进行植物净化人呼出气体的实验。植物间从透明钢化玻璃板6到承托板20处为密封空间。中部高50-120cm的板面35与植物间38的箱体法兰连接、可拆卸。排风扇10将植物间气体打入空气温度调节间39。

空气温度调节间39包括热交换器12、氧气传感器24、气体增压泵26、水泵27和带法兰盖的集水容器22等部件。集水容器22器壁上标有刻度，以观察系统循环水量的变化。

在气管46上设有两个可接气体测定仪的可密封的孔11。制冷时，从空气中凝结下来的冷凝水通过水阀27流入集水容器22中。根据需要，集水容器22中的冷凝水可以通过水阀51流入集水容器28，其中的水可以由水泵50通过滴灌和漫灌两种方式为植物供水，即或通过水阀49流入植物生长基质表面的水管，或通过水阀48流入斜斗23，进而淹没植物生长基质34，完成漫灌布水。

动物间与植物间的隔壁上设有物流间3，进行各室间及室内外的固体物质传递。在空气温度调节间39出气进入动物间的气管40上开有两孔11，以取气体进行在线分析。

附图说明

图1为本发明装置的俯视图；

图2为本发明装置的前视图；

图3为本发明装置的左视图；

图4为本发明装置的右视图；

图5为本发明装置的I-I剖面图；

图6为本发明装置的II-II剖面图；

图7为本发明装置的III-III剖面图；

图8为本发明装置的IV-IV剖面图；

图9为本发明装置的后视图；

图10为本发明装置内植物间植物生长基质上的布水管布气管分布图。

图中1.紫外线挡光板，2.安装胶皮手套的开孔，3.物流间，4.透气不锈钢网，5.紫外灯，6.钢化玻璃板，7.不锈钢板，8.连接呼吸面罩的开孔，9.紫外消毒通道板，10.风扇，11.连接在线气体测定仪的开孔，12.铜质热交换器，13.气阀，14.接触式温度传感器，15.照明荧光灯，16.不锈钢挡光板，17.带锁不锈钢门，18.排气口，19.布气管，20.多孔不锈钢板，21.布水管，22.集水容器(底面积为边长5cm的正方形，高15cm)，23.不锈钢斜斗，24.氧气传感器，25.发光二极管，26.气泵，27.水阀，28.集水容器(长70cm，宽55cm，高30cm)，29.紫外线挡光板出气口，30.不锈钢承托板，31.排风扇不锈钢外罩，32.紫外消毒通道，33.紫外线通道板前端开口，34.植物生长基质，35.植物间法兰不锈钢面，36.动物间法兰不锈钢面，37.动物间，38.植物间，39.空气温度调节间，40.动物间空气出气管，41.流向植物间的空气干管，42.通过植物生长基质流入植物间的气管，43.从植物生长基质表面流入植物间的气管，44.空气进入紫外线消毒通道的气管，45.空气温度调节间出气管，46.水分传感器，47.液位计，48.三通管上的水阀，49.三通管支管上的水阀，50.植物间下水泵，51.两集水容器间水阀。

具体实施方式

本发明专利装置主要由动物间37、植物间38和空气温度调节间39等三部分组成。其中植物间配件包括红蓝发光二极管25、排风扇10、接触式温度传感器14、液位计47、水分传感器46、布水管21、布气管19、多孔不锈钢承托板20、不锈钢斜斗23、气体增压泵26、集水容器22和28、气阀13、水阀27等；动物间装置有紫外灯5、排风扇10等；空气温度调节间包括铜质热交换气管12、氧气传感器24、气体增压泵26、气阀13等。利用此装置可进行植物培养、动物培养单独实验，植物净化人呼出的气体实验，也可以进行动植物联合培养实验。

进行植物单独实验时，需关闭气阀13，从空气温度调节间39流出的气体经过气管45、41，从支管42或43进入植物间。当气体从气管42进入植物间时，进行植物生长基质净化植物释放的乙烯等微量污染物实验。实验过程中，在气管45上连接气体测定仪测定植物的产氧速率、二氧化碳的消耗速率及基质中异养生物的呼吸速率以及微量污染物浓度的变化。

采取以下方式对植物间的植物进行供水。首先向集水容器28中注入足够量的水；同时选择向植物供水的方式。当选择漫灌布水方式时，打开水阀48同时关闭水阀49，并将液位计48与电源连通，当水分传感器46检测到植物生长基质中水分不足时，发出启动灌溉指令开启水泵50，此时集水容器28中的水将进入斜斗23并淹没植物生长基质34。当液位计检测到液位达到要求时，它将发出停止灌溉指令控制泵50停止工作，斜斗23和植物生长基质34中的自由水将流回集水容器28中。当采取滴灌的布水方式时，打开水阀49关闭水阀48，水泵50连续供水给布水管21进行滴灌。

进行植物动物联合实验时，需打开接着通往紫外消毒通道的气管上的气阀13，同时关闭气管45上的气阀13。从空气温度调节间39流出的气体将通过气管40和排风扇10进入紫外消毒通道32，经过消毒的气体从紫外线挡光板两侧开口处流入动物间，为动物提供新鲜空气。动物产生的废气经过附图1中的气管40、气管41流入植物间。与上述情况相似，此废气从42气管流入植物间时，可进行植物生长基质净化其中的氨气、乙烯等微量污染物及植物利用此混合气体中的二氧化碳进行光合作用实验；当动物废气通过43气管进入植物间时，进行植物直接利用其中的二氧化碳进行光合作用实验。实验中，利用气管39上连接的气体测定仪测定进入动物间的气体主要成分。实验人员通过三向开门间3将植物间的植物的叶等取出，经过简单处理，将其作为食物饲养动物间的动物，研究动植物间的物质转化关系。

研究植物对人呼出的气体的净化实验时，在8开孔处连接实验人员佩戴的密封呼吸面罩，此面罩只允许人呼吸的气体同植物间内空气进行交换；同时关闭连接着通往紫外消毒通道32的气管上的气阀13，利用45气管上的气体测定仪考察植物净化人呼出气体的效果。

Claims

1.一种生物再生生命保障系统生物单元间关系模拟综合实验装置，包括动物间37、植物间38、空气温度调节间39、物流间3。其特征在于：可进行植物、动物物质转化特性单独实验、植物净化人呼出的气体实验，也可以进行动、植物单元联合实验，研究动、植物间的物质的交换特性。

2.根据权利要求1所述的生物再生生命保障系统生物单元间关系模拟综合实验装置，其特征在于：动物间37上部设有紫外灯5；紫外消毒通道隔板9，板高5-20cm，此板前端与箱体保持2-10cm距离，来自空气温度调节间的空气经过风扇10进入紫外灯消毒通道32，从板前端开口33处流出，再从紫外灯通道32下的紫外线挡光板1的两侧开口29流入动物间，紫外线挡光板1的作用是防止紫外线直射38室对其中动物造成伤害。动物放出的二氧化碳、氨气等气体从气管40流出，经过气管41进入植物间，气管41分成支管42、43。动物间正面中部设法兰开孔2，用于安装加长无菌医用手套，实验人员可以通过它们对动物间进行操作。此间正面还设有一荧光灯15用于照明，其上部为反光板16。动物间从顶部到承托板30处的箱体为密闭空间，高90-140cm的板面37与动物间38的箱体法兰连接、可拆卸。

3.根据权利要求1所述的生物再生生命保障系统生物单元间关系模拟综合实验装置，其特征在于：植物间38顶部为红蓝LED光源25，其中红光70％-90％，蓝光10％-30％，设有透气网4、排气风扇10用来为LED光源25降温，排风扇四周设不锈钢板31。光源25下部为透光钢化玻璃板6。此单元还设有多孔板20承托上部植物生长基质35，同时可以使斜斗中的水和植物生长基质34中多余的水流回集水容器28中。植物间38侧壁上装有接触式温度传感器14，控制制冷、热设备工作；并安装有液位计48。在植物生长基质35中部设有水分传感器46。集水容器28中的水可通过两种方式为植物供水，或通过水阀48进入基质34下部，或通过水阀49流入基质34上部布水管21中。动物间的一部分气体通过气管支管43进入植物间38时，连接2-12根布气管的气管19将气体均匀分布在植物生长基质35表面；另一部分气体通过支管42进入植物基质34下部斜斗23，通过植物生长基质34净化后进入植物间38。箱体正面开孔8可与密封呼吸罩连接，用于进行植物净化人呼出气体的实验。植物间从透明钢化玻璃板6到承托板20处为密封空间。中部高50-120cm的板面35与植物间38的箱体法兰连接、可拆卸。排风扇10将植物间气体打入空气温度调节间39。

4.根据权利要求1所述的生物再生生命保障系统生物单元间关系模拟综合实验装置，其特征在于：空气温度调节间39包括热交换器12、氧气传感器24、气体增压泵26和带法兰盖的集水容器22等部件。在气管45上设有两个可接气体测定仪的可密封的孔11。制冷时，从空气中凝结下来的冷凝水通过水阀27流入集水容器22中，此容器器壁上标有刻度，以观察系统循环水量的变化。根据需要，集水容器22中的水可以经过水阀51流入较大的集水容器28中。

5.根据权利要求1所述的生物再生生命保障系统生物单元间关系模拟综合实验装置，其特征在于：动物间与植物间的隔壁上设有物流间3，进行各室间及室内外的固体物质传递。在空气温度调节间39出气进入动物间的气管44上开有两孔11，以取气体进行在线分析。