Technology development for interconnection of biological life support systems in the MELiSSA Pilot Plant

Abstract

El projecte MELiSSA està concebut com un Sistema de Control Ambiental i Suport Vital bioregeneratiu. S'inspira en un ecosistema terrestre, reproduint les funcions principals en sis compartiments. El concepte es basa en la integració dels compartiments biològics en un llaç tancat, amb l'objectiu de proporcionar les funcions principals de subministrament d'aliments, revitalització de l'atmosfera, recuperació d'aigua i reciclatge de residus. La demostració terrestre i en continu és obligatòria en qualsevol ECLSS. La Planta Pilot MELiSSA té com a objectiu complir aquest requeriment a partir de la caracterització dels compartiments individuals. Un cop caracteritzats els reactors, s'estudia la seva integració en mode continu seguint un procés gradual. El treball presentat es centra en la caracterització biològica i operativa del compartiment fotosintètic i la implementació de la tecnologia necessària per avançar en l'estratègia d'integració. En un primer pas, s'integren tres compartiments. El compartiment nitrificant es connecta al foto-bioreactor en fase líquida i el foto-bioreactor es connecta al compartiment de la tripulació (rates Wistar) en fase gas. Aquesta integració finalitza amb l’assoliment del concepte MELiSSA, ja que és la primera vegada que es connecten tres compartiments amb dues interfícies. En un segon pas, es dissenya i implementa un nou sistema d'il·luminació LEDs al compartiment fotosintètic, substituint l’obsolet sistema basat en halògens. L'eficiència de la il·luminació es millora en un factor de 2.7 reduint la necessitat d'eliminar la calor del foto-bioreactor. La intensitat de llum que arriba a la paret del foto-bioreactor s'incrementa un 30%. La intensificació del procés augmenta fins a un 43% en termes de producció d'oxigen. A més, s'ha validat un mètode per a la caracterització de sistemes d'il·luminació en geometries de foto-bioreactors complexes. El mètode permet mesurar la intensitat de la llum que arriba a la paret del bioreactor mitjançant sensors quàntics esfèrics col·locats al centre del foto-bioreactor. En un tercer pas, es requereix la caracterització operativa i biològica del compartiment fotosintètic. En el present treball es demostra la millora de la productivitat pel que fa a la generació de biomassa i a la revitalització de l'aire. A més, es descriu la influència de la llum en la composició de Limnospira, que és un indicador de l'estat cel·lular i pot proporcionar informació rellevant per a la futura modulació de la qualitat dels aliments en el llaç. A causa de les dificultats trobades en termes de foto-inhibició, es segueix un enfocament de canvi d’escala per a la caracterització i optimització del compartiment. Es desenvolupa i valida un foto-bioreactor a escala laboratori y es demostra que aquest és un sistema vàlid per reproduir el comportament general del compartiment davant els canvis en els paràmetres operatius. A més, s'utilitza per definir els límits operatius i les condicions òptimes de funcionament de cara als propers paquets d'integració. Finalment, tota la informació recollida en els estudis anteriors s'utilitza en el disseny de la integració entre tres compartiments en fase gas, el que requereix l'avaluació de diferents escenaris d'integració. Aquest anàlisi finalitza en la implementació d'una nova tecnologia per a la separació de gasos per acoblar les diferents dinàmiques de compartiments i composicions de les fases gasoses. La finalització d'aquest paquet d'integració representa un èxit rotund en el projecte MELiSSA, ja que és la primera vegada que tres compartiments es troben totalment connectats en fase gas. Els resultats obtinguts en la present tesi signifiquen un pas endavant en la demostració del concepte MELiSSA. Així doncs, la caracterització i intensificació del procés realitzada resultarà fonamental per avançar en les següents fases de demostració de la Planta Pilot MELiSSA.

El proyecto MELiSSA está concebido como un Sistema de Control Ambiental y Soporte de Vida bioregenerativo. Está inspirado en un ecosistema terrestre, reproduciendo sus funciones principales en seis compartimentos. El concepto se basa en la integración de los seis compartimentos biológicos en un circuito cerrado, con el objetivo de proporcionar las funciones principales de suministro de alimentos, revitalización de la atmósfera, recuperación de agua y reciclaje de residuos. La demostración terrestre continua es obligatoria en cualquier ECLSS. La Planta Piloto MELiSSA satisface esta demanda a partir de la caracterización individual de los compartimentos. Una vez caracterizados los reactores, se estudia su integración en modo continuo siguiendo un enfoque gradual. El trabajo presentado se centra en la caracterización biológica y operativa del compartimento fotosintético y la implementación de la tecnología necesaria para avanzar en la estrategia de integración. En un primer paso se integran tres compartimentos. El compartimento nitrificante se conecta al fotobiorreactor en fase líquida y el fotobiorreactor se conecta al compartimento de la tripulación (ratas Wistar) en fase gas. La integración resulta un logro en el proyecto MELiSSA ya que es la primera vez que tres compartimentos se conectan con dos interficies. En un segundo paso, se diseña e implementa un novedoso sistema de iluminación LED en el compartimento fotosintético, reemplazando el antiguo y obsoleto sistema de halógenos. La eficiencia de la iluminación se mejora en un factor de 2.7, reduciendo la necesidad de eliminar calor del fotobiorreactor. La intensidad de la luz que llega a la pared del fotobiorreactor aumenta en un 30%. La intensificación del proceso aumenta hasta un 43% en términos de producción de oxígeno. Además, se ha validado un método para la caracterización de sistemas de iluminación en geometrías complejas de fotobiorreactores. El método permite medir la intensidad de la luz que llega a la pared del biorreactor mediante sensores cuánticos esféricos colocados en el centro del fotobiorreactor. En un tercer paso, se requiere la caracterización operativa y biológica del compartimento fotosintético. En el presente trabajo se demuestra la mejora de la productividad en términos de biomasa y revitalización del aire. Además, se describe la influencia de la luz en la composición de Limnospira, la cual es un indicador del estado celular y puede proporcionar información para una futura modulación de la calidad de los alimentos en el sistema. Debido a las dificultades encontradas en términos de fotoinhibición, se sigue un enfoque de cambio de escala para la caracterización y optimización del compartimento. Se desarrolla y valida un fotobiorreactor de escala laboratorio y se demuestra que el éste es un sistema válido para reproducir el comportamiento general del compartimento frente a cambios en los parámetros operativos, lo que permite definir los límites operacionales y las condiciones óptimas de funcionamiento en próximos paquetes de integración. Finalmente, toda la información recopilada en las fases previas se utiliza en el diseño de la integración completa de tres compartimentos en la fase gas. Este análisis termina en la implementación de una nueva tecnología de separación de gases para acoplar las diferentes dinámicas de los compartimentos y las composiciones del aire. La finalización de este paquete de trabajo representa un completo éxito en el proyecto MELiSSA, ya que es la primera vez que tres compartimentos están completamente conectados en fase gas. Los resultados obtenidos en la presente tesis suponen un paso adelante en la demostración del concepto MELiSSA. Asimismo, la caracterización e intensificación de los procesos serán necesarios para avanzar en las siguientes fases de demostración de la Planta Piloto MELiSSA.

The MELiSSA project is conceived as a bioregenerative Environmental Control and Life Support System. It is inspired in a terrestrial ecosystem, reproducing its main functions in six compartments. The concept is based on the integration of all biological compartments in a closed loop, aiming to provide the main functions of food supply, atmosphere revitalization, water reclamation and waste recycling. Long-term continuous ground demonstration is mandatory in any ECLSS. The MELiSSA Pilot Plant meets this demand starting from characterization of individual compartments. Once the reactors are characterized, their integration in continuous mode is studied following a stepwise approach. The work presented focuses on the biological and operational characterization of the photosynthetic compartment and the implementation of the technology needed in the loop to progress in the integration strategy. In a first step, three compartments are integrated. The nitrifying compartment is connected to the photobioreactor in the liquid phase. Then, the photobioreactor is connected to the crew compartment (hosted by Wistar rats) in the gas phase. The integration results in a successful achievement of the MELiSSA concept as it is the first time three compartments are connected through two interfaces. In a second step, a novel LED-based lighting system is designed, engineered and implemented in the photosynthetic compartment, replacing the old and obsolete halogen based system. The efficiency of the lighting is improved by a factor of 2.7x reducing the necessity of heat removal from the photobioreactor. The light intensity reaching the photobioreactor wall is increased by 30%. The process intensification raises up to 43% in terms of oxygen production. Additionally, a method for lighting systems characterization in complex photobioreactor geometries has been validated. The method allows the measurement of light intensity reaching the bioreactor wall by the use of spherical quantum sensors placed at the center of the photobioreactor. In a third step, the operational and biological characterization of the photosynthetic compartment is required. In the present work it is demonstrated the clear productivity enhancement in terms of biomass and air revitalization. Additionally, it is described the influence of light on Limnospira composition, which is an indicator of cell status and can provide relevant information for future modulation of food quality in the loop. Because of the difficulties found in terms of photoinhibition, a scale-down approach for compartment characterization and optimization is followed. A scale-down bench scale photobioreactor is developed and validated. It is demonstrated to be a valid system to reproduce the general compartment behaviour in front of changes in operational parameters and is used to define the operational limits and optimal running conditions in the next integration work-packages. Finally, all the information gathered in previous studies is used in the design of the complete integration of three compartments in gas phase, which requires the assessment of different integration scenarios. This analysis ends up in the implementation of novel technology for gas separation in order to couple the different compartment dynamics and gas phase compositions. The completion of this integration work-package represents a complete success in the MELiSSA project as it is the first time three compartments are fully connected in the gas phase. The results obtained in the current thesis means a step forward in the demonstration of the MELiSSA loop. Also, the characterization and process intensification carried out will be needed to progress in the demonstration phase of MELiSSA Pilot Plant.