【正文】 應(yīng)器設(shè)計(jì)與培養(yǎng)過(guò)程優(yōu)化放大 策略 。 這種 基于微藻能量和物質(zhì)代謝 特征的高效 光生物 反應(yīng)器設(shè)計(jì)及 培養(yǎng) 工藝優(yōu)化與放大 新策略，有別 于基于經(jīng)驗(yàn) 的 光生物 反應(yīng)器設(shè)計(jì)和 工藝 優(yōu)化 放大 的傳統(tǒng)方法 ， 可為能源微藻低成本規(guī)?；囵B(yǎng)系統(tǒng)及培養(yǎng)技術(shù)瓶頸的突破奠 8 8 定重要基礎(chǔ) 。 （ 3）新 方法 ： 以濕藻為原料的 高效低能耗微藻能源綠色制備方法 目前 利用 微藻制備生物能源的研究多以 干藻為原料，但 由于微藻細(xì)胞中水含量高（ 80%以上），干燥過(guò)程的能耗高、微藻胞內(nèi)活性成分損失多、加工過(guò)程效率低，顯著降低了微藻能源的經(jīng)濟(jì)效益。 從文獻(xiàn)報(bào)道看，目前還沒(méi)有濕藻→油脂→生物柴油工藝過(guò)程的報(bào)道。因而系統(tǒng)地研究以濕藻為原料的 高效低能耗微藻能源綠色制備方法 ， 對(duì)于微藻能源規(guī)模化制備 十 分 重要。 本項(xiàng)目擬采用濕藻為微藻能源加工的原料。首先對(duì)濕細(xì)胞進(jìn)行破壁，然后利用油水二相比重的差異實(shí)現(xiàn)油脂及非油脂組分的分離，以分離出的微藻油脂為原料利用固定化酶促轉(zhuǎn)化法實(shí)現(xiàn)生物柴油的綠色制備。針對(duì)非油脂組分含水量高這一特點(diǎn)，對(duì)于活性成分含量低的，分別采用厭氧發(fā)酵、 水相熱解 、與煤混合形成水煤漿直接氣化等方法實(shí)現(xiàn)其能源化利用； 對(duì)于活性成分含量高的，則通過(guò)生物分離提取方法實(shí)現(xiàn)其高值化利用。該方法不僅可實(shí)現(xiàn)微藻能源的高效、低能耗綠色加工，而且可明顯提高微藻能源規(guī)?；苽涞慕?jīng)濟(jì)性 。 特色 （ 1）鮮明的 生物學(xué) 與工程 學(xué) 交叉特色：微藻 能源 規(guī)?；瘧?yīng)用涉及的主要問(wèn)題是典型的生物與化工相結(jié)合的生物產(chǎn)品工程問(wèn)題，涉及多個(gè)學(xué)科，尤其是與工業(yè)生物技術(shù)相關(guān)的工程類(lèi)學(xué)科，本項(xiàng)目通過(guò)生物化學(xué)、分子生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)工程等基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域的交叉，對(duì)微藻能源生產(chǎn)過(guò)程中所涉及的生命過(guò)程、工程科學(xué)以及系統(tǒng)科學(xué)進(jìn)行理解與深化，解決微藻 能源 規(guī)?；^(guò)程中的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題， 可加速 微藻 能源產(chǎn)業(yè)化 進(jìn)程。 （ 2）基礎(chǔ)研究 、應(yīng)用基礎(chǔ)研究 與技術(shù)應(yīng)用密切結(jié)合的特色：微藻是一類(lèi)低等植物，通過(guò)對(duì)其生命過(guò)程的解析，從功能基因與蛋白、網(wǎng)絡(luò)、調(diào)控、適應(yīng)等不同的角度進(jìn)行研 究，將促進(jìn)對(duì)微藻生命過(guò)程的理解、認(rèn)識(shí)與應(yīng)用；同時(shí)，在對(duì)微藻培養(yǎng)過(guò)程中的一些工程科學(xué)問(wèn)題的深入研究，也將進(jìn)一步促進(jìn)過(guò)程 工程 科學(xué)的進(jìn)步；以微藻加工后形成的 包括液體燃料 微藻 生物柴油在內(nèi)的系列產(chǎn)品 為研究對(duì)象，對(duì)其中的一些過(guò)程 工程 科學(xué)問(wèn)題的解決，將更直接地將科學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為應(yīng)用技術(shù)，項(xiàng)目本身的知識(shí)產(chǎn)出將直接貢獻(xiàn)給生物柴油、生物燃?xì)獾饶茉串a(chǎn)品的生產(chǎn)；此外，通過(guò)本項(xiàng)目所產(chǎn)生新的科學(xué)思想、技術(shù)平臺(tái)和產(chǎn)品體系，將直接貢獻(xiàn)給微藻 能源產(chǎn)業(yè)化 技術(shù)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究。 ４ . 取得重大突破的可行性分析 9 9 （ 1）具備了開(kāi)展微藻 能源 研究的先進(jìn)技 術(shù)平臺(tái)。在能源微藻優(yōu)良藻種選育與綜合評(píng)價(jià)，能源微藻光合固碳和油脂積累的代謝機(jī)理，規(guī)?；庾责B(yǎng)培養(yǎng)過(guò)程的環(huán)境響應(yīng)與優(yōu)化，光生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)與放大，細(xì)胞采收、油脂提取及生物柴油制備，非油脂組分資源化利用及微藻 能源 規(guī)?；到y(tǒng)集成等方面都具有了很好的研究條件和堅(jiān)實(shí)的系統(tǒng)生物學(xué)研究基礎(chǔ)。 （ 2）研究?jī)?nèi)容重點(diǎn)突出，研究對(duì)象明確，目標(biāo)切實(shí)可行。緊緊圍繞微藻 生物能源 規(guī)?；?制備 過(guò)程中所面臨的困境，提出了 3 個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題及 6 個(gè)研究課題。所針對(duì)的研究對(duì)象是微藻 能源 規(guī)?；?制備 過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)，這些關(guān)鍵點(diǎn)的突破有助于為本項(xiàng)目的研究提供基 礎(chǔ)參數(shù)。反之，本課題研究出的新方法和優(yōu)化原理也將用于指導(dǎo)微藻 能源 的規(guī)模化生產(chǎn)實(shí)踐，同時(shí)發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題，提出新策略，使本項(xiàng)目的研究結(jié)果更具有實(shí)際意義，能夠?qū)崿F(xiàn)有限目標(biāo)的重點(diǎn)突破，從而推進(jìn)我國(guó)微藻能源的規(guī)模化進(jìn)程。 （ 3）研究隊(duì)伍強(qiáng)，工作基礎(chǔ)好。組織了國(guó)內(nèi)從事微藻能源研究的優(yōu)勢(shì)單位，主要研究人員在能源微藻 藻種 的選育、光合固碳及油脂代謝、光合生物全基因組模型構(gòu)建、光生物反應(yīng)器、微藻規(guī)模化光自養(yǎng)培養(yǎng)、細(xì)胞采收、油脂分離與轉(zhuǎn)化、過(guò)程耦合和集成、系統(tǒng)優(yōu)化等方面已經(jīng)具有豐富的研究積累，學(xué)科交叉特色鮮明。擁有 7 個(gè)開(kāi)展該領(lǐng)域相關(guān) 的國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、 4 個(gè)國(guó)家級(jí)研究中心和 9 個(gè)國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科，先后獲得 6 項(xiàng)國(guó)家技術(shù)發(fā)明及科技進(jìn)步獎(jiǎng) 及國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng) 2 項(xiàng) ，在國(guó)際上已經(jīng)取得一定影響；這支研究隊(duì)伍和我國(guó)微藻能源的產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)形成良好的產(chǎn)學(xué)研合作關(guān)系，通過(guò)基礎(chǔ)研究獲得的研究成果 將直接應(yīng)用于 產(chǎn)業(yè) 化技術(shù) 開(kāi)發(fā)。 10 10 課題設(shè)置 各課題間相互關(guān)系 以推動(dòng)微藻能源的低成本、規(guī)模化 制備中核心技術(shù)的重大突破 為目標(biāo)，以能源微藻戶(hù)外大規(guī)模培養(yǎng)的實(shí)際條件為背景，以提高微藻 能源 規(guī)?；?制備 系統(tǒng)中各單元的效率及整體效率為主線，從解決微藻 能源 規(guī)?；?制備 過(guò)程中亟待解決的生物學(xué)及工程學(xué)方面 的 3 個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題角度設(shè)置如下 6 個(gè)研究課題： 課題 1. 能源微藻優(yōu)良藻種（株）選育原理與綜合評(píng)價(jià)體系 課題 2. 能源微藻光合固碳和油脂積累的代謝網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)生物學(xué)研究 課題 3. 基于光照方向混合及光衰減特性的光 生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)與放大原理 課題 4. 能源微藻規(guī)?；庾责B(yǎng)培養(yǎng)過(guò)程的環(huán)境響應(yīng)、優(yōu)化及放大原理 課題 5. 能源微藻采收、油脂提取及生物柴油制備原理與方法 課題 6. 非油脂組分資源化利用優(yōu)化及微藻 能源 規(guī)?；到y(tǒng)集成 各課題相互之間的關(guān)系及課題與所需解決科學(xué)問(wèn)題之間的關(guān)系如圖 4 所示。各課題通過(guò)擬解 決的 3 個(gè)科學(xué)問(wèn)題實(shí)現(xiàn)有機(jī)關(guān)聯(lián)，通過(guò)各自的研究目標(biāo)形成了微藻 能源 規(guī)?；?制備 的理論基礎(chǔ)與技術(shù)體系。課題 1 為課題 課題 3 及課題 4 提供優(yōu)良藻種及其表型；課題 2 為課題 4 的工藝優(yōu)化提供生物學(xué)基礎(chǔ)及可能的工程藻株、同時(shí)為課題 3 中有關(guān)光照方向的混合研究提供理論基礎(chǔ)；課題 3 不僅為課題 4 提供培養(yǎng)用光生物反應(yīng)器、同時(shí)為課題 4 中與光照相關(guān)的戶(hù)外規(guī)模培養(yǎng)工藝條件優(yōu)化及過(guò)程放大提供基礎(chǔ)；課題 4 在規(guī)模培養(yǎng)基礎(chǔ)上不僅為課題 5提供了原料而且為課題 2 進(jìn)一步實(shí)施基因改造提供實(shí)驗(yàn)反饋依據(jù)；通過(guò)課題 5的實(shí)施獲得本項(xiàng)目的 主要能源 產(chǎn)品生物柴油，其非油 脂組分在課題 6 中進(jìn)行資源化利用研究；課題 6 不僅對(duì)能源微藻加工系統(tǒng)進(jìn)行放大而且對(duì)課題 課題 4 及課題 5 進(jìn)行集成，同時(shí)構(gòu)建了微藻 能源 規(guī)?；?制備 系統(tǒng)。 11 11 課題 1 能源微藻優(yōu)良藻種 ( 株 ) 選育原理與綜合評(píng)價(jià)體系 課題 2 能源微藻光合固碳和 油脂積累的代謝網(wǎng)絡(luò)及 系統(tǒng)生物學(xué)研究 課題 4 能源微藻 規(guī)模化 光自養(yǎng)培養(yǎng)過(guò)程的 環(huán)境 響應(yīng) 、優(yōu)化及放大原理 課題 3 基于光照方向混合及 光衰減特性 的光 生物反應(yīng)器 設(shè)計(jì)與放大 原理 課題 5 能源微藻采收、油脂提取 及生物柴油制備原理與方法 課題 6 非油脂組分資源化 利用優(yōu)化 及微藻 能源 規(guī)?；到y(tǒng)集成 關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題 1 能源微藻胞內(nèi)代謝及 油脂合成與積累的 系統(tǒng)生物學(xué)機(jī)制 關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題 2 能源微藻規(guī)?；庾责B(yǎng) 培養(yǎng)的物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化 及環(huán)境調(diào)控規(guī)律 關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題 3 微藻能源規(guī)?；?加工 及系統(tǒng) 集成 優(yōu)化原理 圖 4 各課題相互關(guān)系及各課題對(duì)解決科學(xué)問(wèn)題的貢獻(xiàn) 12 12 四、年度計(jì)劃 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 一 年 1. 藻種庫(kù)藻種篩選及野外藻種采集，構(gòu)建微藻篩選基礎(chǔ)庫(kù)；進(jìn)行富油細(xì)胞高通量篩選、高通量培養(yǎng)與快速系統(tǒng)評(píng)價(jià)的方法學(xué)研究，通過(guò)比較分析，確定項(xiàng)目統(tǒng)一的能源微藻評(píng)價(jià)體系；篩選和評(píng)價(jià)能源微藻。 2. 對(duì)已完成測(cè)序的小球藻和微擬球藻等優(yōu)質(zhì)能源微藻基因組進(jìn)行生物信息學(xué)分析，進(jìn) 行能源微藻代謝網(wǎng)絡(luò)模型的重構(gòu)。基于重構(gòu)模型并結(jié)合組學(xué)分析，研究限制微藻光吸收和利用的主要因素和改善光吸收和利用的效率：包括微藻光吸收和光合作用的特性；微藻培養(yǎng)系統(tǒng)和環(huán)境條件對(duì)光的吸收和光合作用效率的影響；高效光的傳遞和吸收系統(tǒng)的關(guān)鍵途徑等。 研究 小球藻和微擬球藻的遺傳操作系統(tǒng)。 3. 采用 CFD 技術(shù)，對(duì)氣 — 液 — 固三相的跑道池、園池進(jìn)行 CFD 大渦模擬，及能源微藻的閃光效應(yīng)、光譜特性研究 。 4. 初步進(jìn)行主要環(huán)境因子對(duì)能源微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)過(guò)程的調(diào)控與響應(yīng)規(guī)律研究；進(jìn)行能源微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)過(guò)程計(jì)量學(xué)、過(guò)程特征及動(dòng)力學(xué)研究方法；初步 探討能源微藻培養(yǎng)體系內(nèi) CO2 傳遞規(guī)1. 制定統(tǒng)一的能源微藻篩選和評(píng)價(jià)體系與標(biāo)準(zhǔn)；篩選基礎(chǔ)粗油脂含量高于 20%的能源微藻 150 株以上，其中 15 株以上油脂含量高于 40%，且比生長(zhǎng)率高于。 2. 完成 12種優(yōu)質(zhì)能源微藻的代謝網(wǎng)絡(luò)模型的重構(gòu)；發(fā)現(xiàn)若干個(gè)可能與能源微藻光合固碳相關(guān)的調(diào)控基因；建立和完善能源微藻的遺傳操作系統(tǒng)。 3. 計(jì)算獲得跑道池、園池中的湍動(dòng)能、上下混合、流場(chǎng)等混合 特性。 4