【正文】 應(yīng)用于 產(chǎn)業(yè) 化技術(shù) 開發(fā)。 10 10 課題設(shè)置 各課題間相互關(guān)系 以推動微藻能源的低成本、規(guī)?；?制備中核心技術(shù)的重大突破 為目標(biāo)，以能源微藻戶外大規(guī)模培養(yǎng)的實(shí)際條件為背景，以提高微藻 能源 規(guī)模化 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)模化光自養(yǎng)培養(yǎng)過程的環(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)問題之間的關(guān)系如圖 4 所示。各課題通過擬解 決的 3 個(gè)科學(xué)問題實(shí)現(xiàn)有機(jī)關(guān)聯(lián)，通過各自的研究目標(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)的戶外規(guī)模培養(yǎng)工藝條件優(yōu)化及過程放大提供基礎(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 不僅對能源微藻加工系統(tǒng)進(jìn)行放大而且對課題 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)?；? 光自養(yǎng)培養(yǎng)過程的 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)模化系統(tǒng)集成 關(guān)鍵科學(xué)問題 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)問題 3 微藻能源規(guī)模化 加工 及系統(tǒng) 集成 優(yōu)化原理 圖 4 各課題相互關(guān)系及各課題對解決科學(xué)問題的貢獻(xiàn) 12 12 四、年度計(jì)劃 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 一 年 1. 藻種庫藻種篩選及野外藻種采集，構(gòu)建微藻篩選基礎(chǔ)庫；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)評價(jià)的方法學(xué)研究，通過比較分析，確定項(xiàng)目統(tǒng)一的能源微藻評價(jià)體系；篩選和評價(jià)能源微藻。 2. 對已完成測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)境因子對能源微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)過程的調(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)過程計(jì)量學(xué)、過程特征及動力學(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、園池中的湍動能、上下混合、流場等混合 特性。 4. 發(fā)現(xiàn)并鑒定主要環(huán)境因子作用下的脂代謝標(biāo)志物 23 個(gè)，初步了解環(huán)境因子誘導(dǎo)微藻中脂類過量合成機(jī)制；初步建立能源微藻規(guī)?；庾责B(yǎng)過程培養(yǎng)過程動力學(xué)模型；掌握 CO2基本傳遞過程。 5. 建立能源微藻細(xì)胞特性表征的方法。 6. 確定能源微藻細(xì)胞特性對不同采收方法與效率的影響規(guī)律并解析其機(jī)制。 。 7. 明確本課題各研究內(nèi)容的研究方案，完善技術(shù)路線。 8. 完成藻渣樣品的初步表征與預(yù)處理方法初步調(diào)研，獲得預(yù)處理方法的理論基礎(chǔ)。 13 13 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 律；進(jìn)行室外微藻培養(yǎng)。 5. 對能源微藻規(guī)模化培養(yǎng)過程中細(xì)胞特性進(jìn)行表征。 6. 研究幾種采收方法對藻細(xì)胞采收效率的影響規(guī)律及其影響機(jī)制。 7. 建立細(xì)胞不同組分（如蛋白質(zhì)、多糖、色素、維生素等）、不同時(shí)期、不同微藻對應(yīng)的表征方法，在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)考察不同的油脂提取方法對能源微藻非油脂組分的影響規(guī)律；研究影響細(xì)胞組分的因素（培養(yǎng)基、培養(yǎng)條件等），尋求各因素與組分之間的相關(guān)規(guī)律 。 8. 改造現(xiàn)有熱態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺和制漿平臺，包括現(xiàn)有平 臺的取樣與測試系統(tǒng)；并進(jìn)行微藻預(yù)處理裝置平臺的設(shè)計(jì)、搭建和調(diào)試。 9. 探索藻渣 預(yù)處理改性方法，初步建立利用藻渣發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的平臺。 10. 建立高通量的分析系統(tǒng)對所選藻種包含的高值副產(chǎn)品進(jìn)行分析。 11. 針對微藻能源生產(chǎn)過程的每一個(gè)關(guān)鍵組件和過程開發(fā)過程模型。 9. 完成熱模實(shí)驗(yàn)平臺以及取樣與測試平臺的改造、搭建與測試。 10. 發(fā)表 SCI 或 EI 收錄論文 13～ 18篇 ， 申請專利 24 項(xiàng)。 培養(yǎng)博士生 1 名，碩士生 23 名 。 14 14 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 二 年 1. 完善藻種庫的建設(shè)，繼續(xù)篩選能源微藻，選育粗油脂含量高于40%的能源微藻，建立高于 60%的能源改良藻株；獲得可規(guī)模培養(yǎng)的性能優(yōu)良藻株，建立能源微藻遺傳改良原理和方法體系。 2. 基于重構(gòu)模型并結(jié)合組學(xué)分析，研究限制微藻二氧化碳吸收和利用的主要因素：包括微藻二氧化碳吸收和利用的機(jī)制和特性；環(huán)境條件對二氧化碳的吸收和利用的影響等。探索油脂及其他儲存性化合物合成機(jī)制及調(diào)控：包括微藻光合作用所獲取的能量及碳硫的分配；微藻中不同類油脂的合成途徑及增加油脂合成的策略；淀粉 等儲存性化合物合成機(jī)制及與油脂合成的關(guān)系；微藻細(xì)胞內(nèi)油脂和儲存性化合物的調(diào)控機(jī)制等；闡述培養(yǎng)條件及環(huán)境因素對細(xì)胞生長和油脂合成的影響：包括營養(yǎng)條件影響細(xì)胞生長和油脂合成的分子作用機(jī)理；微藻培養(yǎng)系統(tǒng)中理化條件對細(xì)胞生長和油脂合成的影響等。進(jìn)一步研究小球藻和微擬球藻的遺傳操作系統(tǒng)，獲得新型有自有知識產(chǎn)權(quán)的遺傳操作系統(tǒng)。 3. 采用 CFD 技術(shù)，對氣 — 液 — 固三相的平板式、管道式光生物反應(yīng)器進(jìn)行 CFD 大渦模擬、同時(shí)采用PIV、 LDA 測試技術(shù)，對氣 — 液 —固三相的跑道池、園池進(jìn)行流動1. 篩選基礎(chǔ)粗油脂含量高于 20%的能源微藻 50 株，其中 5 株油脂含量高于 40%，且比生長率高于， 獲得 12 個(gè)油脂含量高于 60%藻株。 2. 發(fā)現(xiàn)若干個(gè)可能與能源微藻光合固碳和油脂合成與積累相關(guān)的調(diào)控基因；進(jìn)一步完善能源微藻的遺傳操作系統(tǒng)。 3. 計(jì)算獲得平板式、管道式光生物反應(yīng)器中的湍動能、上下混合、流場 等混合特性；測試獲得跑道池、園池中的湍動能、上下混合、流場等混合特性并與計(jì)算結(jié)果相對照以修正 CFD 計(jì)算。結(jié)合CFD、 LDA 結(jié)果及閃光效應(yīng)，提出新型優(yōu)化光反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理，并通過自養(yǎng)培養(yǎng)對原反應(yīng)器進(jìn)行評價(jià) 。 4. 在上年基礎(chǔ)上，再發(fā)現(xiàn)并鑒定出主要環(huán)境因子作用下的脂代謝標(biāo)志物 23 個(gè)，基本掌握戶外規(guī)?；囵B(yǎng)過程環(huán)境因子誘導(dǎo)微藻中脂類過量合成與響應(yīng)機(jī)制；完善建立能源微藻規(guī)?；庾责B(yǎng)過程培養(yǎng)過程動力學(xué)模型；基本闡明能源微藻培養(yǎng)體系 CO2吸收過程的放大規(guī)律。 5. 確定不同能源微藻藻種及其培養(yǎng)工藝對細(xì)胞特性的影響規(guī)律 。 6. 確定 能源微藻細(xì)胞特性對不同破壁方法與效率的影響規(guī)律并解析其機(jī)制。 7. 明確培養(yǎng)條件對高值產(chǎn)品在藻15 15 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 特性研究；結(jié)合 CFD 計(jì)算、 LDA測試對光反應(yīng) 器結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對原反應(yīng)器進(jìn)行評價(jià) 。 4. 繼續(xù)研究環(huán)境因子對能源微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)過程的調(diào)控與響應(yīng)規(guī)律；開展計(jì)量學(xué)、過程特征及動力學(xué)研究；進(jìn)一步開展能源微藻培養(yǎng)體系 CO2吸收與培養(yǎng)過程耦合規(guī)律研究；初步探討能源微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)過程優(yōu)化方法；進(jìn)行室外微藻擴(kuò)大培養(yǎng)。 5. 綜合考察藻種及培養(yǎng)工藝對微藻細(xì)胞特性變化的影響規(guī)律 。 6. 研究用于微藻細(xì)胞壁的不同的生物催化反應(yīng)過程和化學(xué)反應(yīng)過程。 7. 研究培養(yǎng)條件對高值產(chǎn)品在藻細(xì)胞中含量的影響 。 8. 以神府煤為基礎(chǔ)，添加合適的添加劑，研究藻渣摻入比例對藻渣煤漿性能的影響 。 9. 并完成藻渣煤漿霧化性能的測試 。 10. 逐步馴化沼氣生產(chǎn)菌種對藻渣等營養(yǎng)的利用，并對其培養(yǎng)條件進(jìn)行優(yōu)化 。 11. 整合微藻生產(chǎn)油脂系統(tǒng)的各關(guān)鍵過程，并開發(fā)系統(tǒng)模型，進(jìn)行質(zhì)量平衡和能量平衡計(jì)算。 12. 初步建立面向我國能源微藻規(guī)?；苽涞娜芷诜治鰯?shù)據(jù)庫 。 細(xì)胞中含量的影響 。 8. 改善藻渣煤漿的漿體性能，獲得適合于工業(yè)應(yīng)用的高濃度藻渣煤漿。 9. 獲得藻渣添加比例等對水煤漿固含率、流變性、穩(wěn)定性和霧化性能影響規(guī)律。 10. 完成對產(chǎn)甲烷癥的馴化及 我國能源微藻規(guī)?；苽涞娜芷诜治鰯?shù)據(jù)庫的建立 。 11. 在 SCI 和 EI 期刊上發(fā)表論文2232； 申請專利 913 項(xiàng) ； 培養(yǎng)36 名博士研究生和 1112 名碩士研究生 。 16 16 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 三 年 1. 完善能源微藻庫的信息量，獲得可規(guī)?；囵B(yǎng)的能源微藻種（如三角褐指藻 等）的遺傳純系，提高能源微藻種遺傳穩(wěn)定性和生產(chǎn)性能；測試優(yōu)良藻株抗逆性和戶外培養(yǎng)測試其粗油脂含量。 2. 以光能和 CO2等為限制性基質(zhì)開展藻細(xì)胞生理特性的化學(xué)計(jì)量學(xué)和動力學(xué)研究，并結(jié)合轉(zhuǎn)錄物組學(xué)、代謝組學(xué)等技術(shù)，研究高光效突變體光合途徑的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機(jī)制，循環(huán)光合磷酸化及光合放氧機(jī)理，并闡析光合電子傳遞、光化學(xué)與非光化學(xué)淬滅等生理過程的分子基礎(chǔ)；研究 CO2 加富對 CO2 固定效率的影響、固碳關(guān)聯(lián)酶與碳酸鹽系統(tǒng)變化，闡明碳固定、濃縮及利用分子機(jī)制及環(huán)境脅迫下的固碳過程的分子基礎(chǔ)。 3. 采用 PIV、 LDA 測試技術(shù)，對氣 —液 — 固三 相的平板式、管道式光生物反應(yīng)器進(jìn)行流動特性研究，能源微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)， 光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)優(yōu)化。 4. 基本完成環(huán)境因子對能源微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)過程的調(diào)控與響應(yīng)規(guī)律研究；完成能源微藻培養(yǎng)體系CO2 吸收與培養(yǎng)過程耦合規(guī)律；基本完成能源微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)過程優(yōu)化方法；進(jìn)行室外微藻規(guī)模化培養(yǎng)和中試論證。 5. 研究油水共存條件下高效轉(zhuǎn)化微藻油脂合成生物柴油的作用1. 測試 24株優(yōu)良藻株的抗逆能力和戶外實(shí)際油脂得率 。 2. 解析能源微藻高效光能轉(zhuǎn)化機(jī)制，闡明最優(yōu)光能利用與光合固碳關(guān)聯(lián)模式， 發(fā)現(xiàn)若干個(gè)可能與能源微藻光合固碳、生長生理、油脂合成和環(huán)境及營養(yǎng)條件響應(yīng)相關(guān)的調(diào)控基因 ，初步形成能源微藻影響光合固碳和油脂積累的代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò) 。 3. 測試獲得跑道池、園池 中的湍動能、上下混合、流場等混合特性并與計(jì)算結(jié)果相對照以修正 CFD計(jì)算；確定敏感性混合及光分布特性參數(shù)。 4. 進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)并鑒定 24個(gè)重要環(huán)境因子作用下的脂代謝標(biāo)志物，揭示環(huán)境因子誘導(dǎo)微藻中脂類過量合成與響應(yīng)機(jī)制；完成規(guī)?；庾责B(yǎng)過程培養(yǎng)過程動力學(xué)建模實(shí)驗(yàn)；基本闡明能源微藻培養(yǎng)體系 CO2吸收放大規(guī)律；初步建立基于重構(gòu)全基因組代謝網(wǎng)絡(luò)模型與多尺度分析方法相結(jié)合的能源微藻戶外規(guī)模光自養(yǎng)過程優(yōu)化與放大方法；開展規(guī)模培養(yǎng)產(chǎn)油微藻，單位油脂能耗及經(jīng)濟(jì)成本基本不增加的前提下，油脂產(chǎn)率提高 1525%以上，初步測算成本，提出 大規(guī)模培養(yǎng)工藝設(shè)計(jì)。 5. 確定能源微藻不同油脂組成特征對甲酯化過程的影響規(guī)律并解析其機(jī)制 。 17 17 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo)