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Limnospira indica PCC8005のフォトバイオリアクターでの成長：ISSと地上実験のモデルとシミュレーション
Limnospira indica PCC8005 growth in photobioreactor: model and simulation of the ISS and ground experiments.
PMID: 32414493 DOI: 10.1016/j.lssr.2020.03.002.
抄録
Arthrospira-B実験は、宇宙では初めての実験であり、ISSで稼働しているバッチ式光リアクターでのLimnospira indica PCC8005の酸素生成率と成長率の両方をオンラインで測定できるようになりました。4つのバイオリアクターがISSのバイオラボ施設に統合されました。各リアクターは、PTFEメンブレンで分離された2つのチャンバー（気体と液体）で構成され、バッチ条件で運転されました。酸素生産は、ガスチャンバー内の全圧力上昇をオンラインで測定することでモニターした。実験は、各リアクターのためのいくつかの連続したバッチ培養で構成され、ISSと地上で並行して行われた。本研究では、これらの宇宙膜フォトリアクター内でのシアノバクテリウムLimnospira indica PCC8005（別名Arthrospiraやspirulina）の生育モデルを提案し、得られたシミュレーション結果を宇宙および地上での実験結果と比較した。光バイオリアクターモデルは、地上の小規模から大規模な光バイオリアクターでの生育と酸素生産の記述と予測に既に使用されている光移動制限モデルをベースにした。このモデルは、液相のpH予測モデルによって完成し、バイオマス増殖のための重炭酸塩消費に関連したpH上昇の評価を可能にした。膜気液移動モデルは、ガスチャンバー内のガス圧力上昇を予測するために使用される。基質の制限は生物学的モデルで考慮されている。液相の適切な混合を維持した場合には、実験結果とシミュレーション結果の間に非常に満足のいくフィットが得られた。このデータは、無重力条件下の宇宙空間で動作するフォトバイオリアクターにおいて、微小重力がLimnospira indica PCC8005の酸素生成率に一次的な影響を与えないことを示している。
The Arthrospira-B experiment is the first experiment in space ever allowing the online measurements of both oxygen production rate and growth rate of Limnospira indica PCC8005 in batch photobioreactors running on-board ISS. Four bioreactors were integrated in the ISS Biolab facility. Each reactor was composed of two chambers (gas and liquid) separated by a PTFE membrane and was run in batch conditions. Oxygen production was monitored by online measurement of the total pressure increase in the gas chamber. The experiments are composed of several successive batch cultures for each reactor, performed in parallel on ISS and on ground. In this work, a model for the growth of the cyanobacterium Limnospira indica PCC8005 (also known as Arthrospira or spirulina) in these space membrane photobioreactors was proposed and the simulation results obtained are compared to the experimental results gathered in space and on ground. The photobioreactor model was based on a light transfer limitation model, already used to describe and predict the growth and oxygen production in small to large scale ground photobioreactors. It was completed by a model for pH prediction in the liquid phase allowing assessment of the pH increase associated to the bicarbonate consumption for the biomass growth. A membrane gas-liquid transfer model is used to predict the gas pressure increase in the gas chamber. Substrate limitation is considered in the biological model. A quite satisfactory fit was achieved between experimental and simulation results when a suitable mixing of the liquid phase was maintained. The data showed that microgravity has no first order effect on the oxygen production rate of Limnospira indica PCC8005 in a photobioreactor operating in space in zero gravity conditions.
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