【正文】 對三角褐指藻、小球藻等在不同類型光生物反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)，確定影響能源微藻高效率培養(yǎng)的敏感性參數(shù)，并對不同類型的光生物反應(yīng)器的培養(yǎng)效率進(jìn)行評價。 戶外規(guī)模光自養(yǎng)過程優(yōu)化與放大方法；在單位油脂能耗及經(jīng)濟(jì)成本基本不增 加的前提下，油脂產(chǎn)率提高 1525%以上，并測算出培養(yǎng)過程的成本，提出大規(guī)模培養(yǎng)工藝設(shè)計方案 ， 以及培養(yǎng)研究生工作。 8. 完成藻渣煤漿氣化條件下藻中氮、磷等易導(dǎo)致水體環(huán)境富營養(yǎng)化元素的遷移規(guī)律研究。 2. 基于能源微藻的代謝網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測，結(jié)合組學(xué)技術(shù)，甄別和改造可工業(yè)規(guī)模培養(yǎng)的能源微藻的碳流分配規(guī)律和油脂合成積累的調(diào)控基因及高效光能利用和固碳的調(diào)控基因或因子，初步進(jìn)行構(gòu)建高油脂合成、高光效的轉(zhuǎn)基因株系，探索能源微藻工程1. 提供 23種能源微藻與規(guī)?；苽潴w系相關(guān)的生物學(xué)特征。 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算結(jié)果相對照以修正 CFD計算；確定敏感性混合及光分布特性參數(shù)。 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 。 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。 5. 建立能源微藻細(xì)胞特性表征的方法。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)?；a(chǎn)實踐，同時發(fā)現(xiàn)新問題，提出新策略，使本項目的研究結(jié)果更具有實際意義，能夠?qū)崿F(xiàn)有限目標(biāo)的重點突破，從而推進(jìn)我國微藻能源的規(guī)?；M(jìn)程。 為此，本項目擬 運(yùn)用各類組學(xué)技術(shù)，揭示能源微藻規(guī)模化光自養(yǎng)培養(yǎng)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化及環(huán)境 應(yīng)答機(jī)制， 以微藻胞內(nèi)的能量和物質(zhì)代謝效率為著眼點和評價標(biāo)準(zhǔn)，輔以 CFD 模擬 、 重構(gòu)全基因組代謝網(wǎng)絡(luò)與宏觀代謝流多尺度分析 等手段 ，建立 基于微藻細(xì)胞關(guān)鍵生理特性、 光照方向混合及光衰減特性相結(jié)合的光 生物反應(yīng)器設(shè)計與培養(yǎng)過程優(yōu)化放大 策略 。 第二個層面主要從規(guī)模培養(yǎng)系統(tǒng)的過程工程角度研究微藻細(xì)胞對環(huán)境響應(yīng)與調(diào)控機(jī)制和過程優(yōu)化原理及放大方法 。 1 1 項目名稱： 微藻能源規(guī)?；苽涞目茖W(xué)基礎(chǔ) 首席科學(xué)家： 李元廣 華東理工大學(xué) 起止年限： 至 依托部門： 上海市科委 2 2 二、預(yù)期目標(biāo) 1. 總體目標(biāo) 實現(xiàn)微藻能源規(guī)?；?制備 中 的 關(guān)鍵科學(xué)問題的重大突破，挖掘能源微藻優(yōu)良藻種（株）選育原理， 建立 能源微藻藻種綜合評價體系 及 適合于我國國情的可規(guī)模化培養(yǎng)的能源微藻藻種資源庫；揭示能源微藻光能轉(zhuǎn)化、光合固碳及油脂高效合成的機(jī)制；闡明光生物反應(yīng)器設(shè)計、優(yōu)化與放大原理，以及能源微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)工藝優(yōu)化及放大原理；闡明能源微藻細(xì)胞特性 對能源微藻加工過程的影響規(guī)律以及 加工工藝 優(yōu)化原理 ； 構(gòu)建微藻 能源 規(guī)模化 制備的 集成系統(tǒng)， 并 對其進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，明晰微藻 能源 規(guī)?；^程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和具體的技術(shù)瓶頸，同時為技術(shù)瓶頸的突破提供創(chuàng)新的源泉，推進(jìn)我國微藻能源的規(guī)?；M(jìn)程。 以組學(xué)技 術(shù)研究藻細(xì)胞培養(yǎng)過程環(huán)境組學(xué)變化規(guī)律，揭示不同環(huán)境條件下的藻細(xì)胞表型規(guī)律和內(nèi)在響應(yīng)機(jī)制；進(jìn)一步從生物反應(yīng)器工程及細(xì)胞培養(yǎng)過程工程角度，開展光生物反應(yīng)器設(shè)計及能源微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)過程優(yōu)化與放大研究，揭示規(guī)模化培養(yǎng)過程物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)化的基本規(guī)律，以期為能源微藻的高密度高油脂 產(chǎn)率 規(guī)模化培養(yǎng)提供理論依據(jù)。 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)計及 培養(yǎng) 工藝優(yōu)化與放大 新策略，有別 于基于經(jīng)驗 的 光生物 反應(yīng)器設(shè)計和 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）研究隊伍強(qiáng)，工作基礎(chǔ)好。 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。 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。 9. 并完成藻渣煤漿霧化性能的測試 。 4. 進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)并鑒定 24個重要環(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)建模實驗；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。 2. 建立純化轉(zhuǎn)基因能源微藻藻落的技術(shù)體系，發(fā)掘 510 個影響能源微 藻脂肪酸合成及油脂積累的關(guān)鍵調(diào)控因子， 建立 12 種高效的能源微藻基因組規(guī)模突變方法，獲得 35 株生長快，高產(chǎn)油脂的突變能源微藻藻種。 9. 建立與年產(chǎn) 10 噸生物柴油相配套的非油脂組分能源化利用的設(shè)備與工藝 。 5. 在 SCI 和 EI 期刊上發(fā)表論文1518 篇 ； 申請專利 46 項 ?；讷@得的光照方向的混合特性及光分布特性方面的敏感參數(shù)，利用 CFD 對合適類型的 22 22 光生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，結(jié)合 CFD 模擬計算結(jié)果與逐級放大試驗，挖掘 基于光照方向混合及光衰減特性的光 生物反應(yīng)器設(shè)計與放大原理 ，為規(guī)?；馍锓磻?yīng)器的設(shè)計提 供依據(jù)。結(jié)合光衰減模型，通過數(shù)學(xué)分析 方法（如傅里葉分析和小波分析等）獲得藻細(xì)胞在光生物反應(yīng)器內(nèi)的光暗循環(huán)頻率、光區(qū)停留時間占循環(huán)時間比例和時間平均光強(qiáng)等光分布特性參數(shù)。 6. 構(gòu)建微藻能源規(guī)模化制備系統(tǒng)的研究平臺和示范裝置（生物柴油年生產(chǎn)能力達(dá)到 10 噸級），建立基于全生命周期分析的微藻能源規(guī)模化制備系統(tǒng)的集成與優(yōu)化方法 。 7. 獲得藻渣加入比例對氣化性能影響規(guī)律。 第 四 年 1. 對小球藻、三角褐指藻等優(yōu)良藻株進(jìn)行比較基因組學(xué)研究，通過基因組再測序并與參考序列比較，甄別可規(guī)模化培養(yǎng)的優(yōu)良能源微藻藻株及其改良藻株的遺傳差異，闡明優(yōu)良生產(chǎn)性狀遺傳基礎(chǔ)，為基因工程改造提供基礎(chǔ)。 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) 。 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 。 培養(yǎng)博士生 1 名，碩士生 23 名 。 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，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)模化光自養(yǎng)過程培養(yǎng)過程動力學(xué)模型；掌握 CO2基本傳遞過程。所針對的研究對象是微藻 能源 規(guī)?；?制備 過程中的關(guān)鍵點，這些關(guān)鍵點的突破有助于為本項目的研究提供基 礎(chǔ)參數(shù)。因此，能源微藻 代謝網(wǎng)絡(luò)對 外部 環(huán)境 及 光生物反應(yīng)器內(nèi)的流場 特性（特別 是光照方向的混合特性） 的應(yīng)答機(jī)制 極其復(fù)雜，使得目前的光生物反應(yīng)器設(shè)計及微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)工藝優(yōu)化放大仍以經(jīng)驗為主，缺乏理論指導(dǎo)。首先從戶外規(guī)模培養(yǎng)對藻種性能的要求出發(fā)，選育 出可在不同條件下規(guī)模化培養(yǎng)的能源微藻藻種（株），闡明能源微藻的 藻種 選育原理并建立綜合評價體系；然后以具有規(guī)?；囵B(yǎng)前景的能源微藻（如小球藻等）為對象，開展其代謝網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)生物學(xué)研究，闡明微藻細(xì)胞代謝規(guī)律，以期為通過環(huán)境條件調(diào)控及分子生物學(xué)改造等手段進(jìn)一步提高能源微藻的效率提供理論和實驗依據(jù)。 2. 五年預(yù)期目標(biāo) （ 1）闡明優(yōu)良種（株）的選育原理；建立可 在戶外進(jìn)行 規(guī)?；庾责B(yǎng)培養(yǎng)的能源微藻藻種的綜合評價體系；建立適合于我國不同地域、不同季節(jié)以及不同CO2 氣源與氮磷廢水資源光自養(yǎng)培養(yǎng) 且 具有 我國 自主知識產(chǎn)權(quán)的能源微藻種（株）庫和共享信息平臺。 第三個層面主要從藻細(xì)胞采收、油脂提取、生物柴油制備、非油脂 組 分綜合利用等能源 微藻 加工及培養(yǎng)與加工系統(tǒng)集成優(yōu)化角度，挖掘提高效率的原理和方法。 （ 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），干燥過程的能耗高、微藻胞內(nèi)活性成分損失多、加工過程效率低，顯著降低了微藻能源的經(jīng)濟(jì)效益。組織了國內(nèi)從事微藻能源研究的優(yōu)勢單位，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)?；庾责B(yǎng)培養(yǎng)、細(xì)胞采收、油脂分離與轉(zhuǎn)化、過程耦合和集成、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。 。