【正文】 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)?；?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。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。擁有 7 個(gè)開展該領(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) 開發(fā)。 （ 3）研究隊(duì)伍強(qiáng)，工作基礎(chǔ)好。所針對(duì)的研究對(duì)象是微藻 能源 規(guī)?；?制備 過程中的關(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)。 （ 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。 ４ . 取得重大突破的可行性分析 9 9 （ 1）具備了開展微藻 能源 研究的先進(jìn)技 術(shù)平臺(tái)。 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)用涉及的主要問題是典型的生物與化工相結(jié)合的生物產(chǎn)品工程問題，涉及多個(gè)學(xué)科，尤其是與工業(yè)生物技術(shù)相關(guān)的工程類學(xué)科，本項(xiàng)目通過生物化學(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)過程中所涉及的生命過程、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)?；^程中的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題， 可加速 微藻 能源產(chǎn)業(yè)化 進(jìn)程。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，則通過生物分離提取方法實(shí)現(xiàn)其高值化利用。 本項(xiàng)目擬采用濕藻為微藻能源加工的原料。 從文獻(xiàn)報(bào)道看，目前還沒有濕藻→油脂→生物柴油工藝過程的報(bào)道。 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) 。因此，能源微藻 代謝網(wǎng)絡(luò)對(duì) 外部 環(huán)境 及 光生物反應(yīng)器內(nèi)的流場(chǎng) 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(jì)及微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)工藝優(yōu)化放大仍以經(jīng)驗(yàn)為主，缺乏理論指導(dǎo)。 （ 2）新策略：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 放大 微藻的 低成本、 大規(guī)模培養(yǎng)是 實(shí)現(xiàn) 微藻 能源產(chǎn)業(yè)化 的關(guān)鍵 環(huán)節(jié)。 本項(xiàng)目擬采 用系統(tǒng)生物學(xué)思 路 重構(gòu)可規(guī)模 化 培養(yǎng) 、且 全基因組序列 明晰 的能源微藻全基因組代謝網(wǎng)絡(luò)模型， 通過干試驗(yàn)（ dry experiment，即模型計(jì)算與代謝網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)）和濕實(shí)驗(yàn)（ wet experiment，即具體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證）相結(jié)合，從以往的假設(shè)驅(qū)動(dòng)（ hypothesisdriven）研究模式轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)（ datadriven）模式，從而可高效系統(tǒng)地研究 光合固碳、油脂合成 與 積累等能源微藻關(guān)鍵代謝途徑 及其變化規(guī)律 ， 為 甄別關(guān)鍵調(diào)控因子 并通過基因改造 顯著提高能源微藻 產(chǎn) 油率 奠定重要的理論基礎(chǔ)，也可為微藻規(guī)模化培養(yǎng)過程中的物質(zhì)與能量代謝調(diào)控提供理論指導(dǎo)?，F(xiàn)有基于單一因子或單一分支學(xué)科的 “ 剖分系統(tǒng)面向細(xì)節(jié) ”的 研究思路，難以全面認(rèn)識(shí)能源微藻的代謝規(guī)律、提高能源微藻的效率。對(duì)于通過誘變篩選等方法所確定的可規(guī)?；囵B(yǎng)的能源微藻藻種，其效率的進(jìn)一步提高，依賴于對(duì)其胞內(nèi)代謝網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知與重構(gòu)。利用物理及化學(xué)方法對(duì)藻種進(jìn)行誘變，利用高通量篩選技術(shù)獲得優(yōu)良藻種（株）；利用系6 6 統(tǒng)生物學(xué)技術(shù)及 13C 標(biāo)記技術(shù)研究能源微藻胞內(nèi)光合固碳、油脂合成與積累機(jī)制，利用分子生物學(xué)對(duì)代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造；利用 CFD 模擬、 PIV 測(cè)定技術(shù)結(jié)合熱模實(shí)驗(yàn)研究光生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)與放大原理；利用恒化培養(yǎng)、環(huán)境組學(xué)及多尺度分析技術(shù)研究能源微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)過程環(huán)境響應(yīng)、優(yōu)化及放大方法；利用細(xì)胞表面物理特性指導(dǎo)采收工藝的優(yōu)化、利用細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)特性指導(dǎo)破壁工藝的優(yōu)化、利用油脂組成指導(dǎo)甲酯化工藝的優(yōu)化、利用非油脂組分的組成指導(dǎo)藻體殘?jiān)C合利用技術(shù)的優(yōu)化；利用全生命周期分析技術(shù)對(duì)微藻 能源 規(guī)?；?制備 系統(tǒng)進(jìn)行集成與優(yōu)化。 5 5 圖 2 本項(xiàng)目的學(xué) 術(shù)思路 2．技術(shù)途徑 本項(xiàng)目所涉及的技術(shù)途徑如圖 3 所示。 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(jì)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)?；囵B(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)?；囵B(yǎng)提供理論依據(jù)。首先從戶外規(guī)模培養(yǎng)對(duì)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(píng)價(jià)體系；然后以具有規(guī)模化培養(yǎng)前景的能源微藻（如小球藻等）為對(duì)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(shí)驗(yàn)依據(jù)。 本項(xiàng)目的具體學(xué)術(shù)思路：從胞內(nèi)代謝認(rèn)知、規(guī)模培養(yǎng)、能源產(chǎn)品加工及系統(tǒng)集成優(yōu)化三個(gè)層面進(jìn)行深入研究，如圖 2 所示。制約微藻 能源 形 成規(guī)?；母驹蚴牵⒃寮?xì)胞生物學(xué)規(guī)律的基本科學(xué)問題和規(guī)?；^程所涉及的培養(yǎng)與能源產(chǎn)品加工及系統(tǒng)集成優(yōu)化方面的工程科學(xué)問題，未得到深入系統(tǒng)的闡明。 （ 8）培養(yǎng) 4060 名博士研究生， 100 名左右碩士研究生，形成一支在國(guó)際微藻能源這一快速發(fā)展領(lǐng)域得到同行認(rèn)可并產(chǎn)生重要影響的研究團(tuán)隊(duì)。 （ 6）構(gòu)建微藻 能源 規(guī)?；?制備 系統(tǒng) 的 研究平臺(tái) （生物柴油年生產(chǎn)能力達(dá)到10 噸級(jí)） ，建立 微藻 能源 規(guī)?；?制備 系統(tǒng) 的 集成與優(yōu)化方法 ，為我國(guó)微藻能源的產(chǎn)業(yè)化提供科學(xué)理論和技術(shù)基礎(chǔ)。 （ 4）揭示環(huán)境因子誘導(dǎo)微藻中油脂過量積累與環(huán)境響應(yīng)機(jī)制；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)合的能源微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)過程優(yōu)化與放大方法 。 （ 2） 以 可規(guī)?；囵B(yǎng)的 典型 能源微藻為對(duì) 象，闡明光合作用、固碳、油脂合成與積累的 主要 機(jī)制及其調(diào)控原理，建立能源微藻全基因組代謝網(wǎng)絡(luò)模型；實(shí)現(xiàn)能源微藻光合、固碳油脂合成與積累網(wǎng)絡(luò)的改造，提高能源微藻光合、固碳和油脂積累效率；發(fā)掘 35 個(gè)關(guān)鍵調(diào)控因子，獲得 510 個(gè)生長(zhǎng)快、高產(chǎn)油脂的轉(zhuǎn)基因株系。1 1 項(xiàng)目名稱： 微藻能源規(guī)模化制備的科學(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(shí)現(xiàn)微藻能源規(guī)模化 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(píng)價(jià)體系 及 適合于我國(guó)國(guó)情的可規(guī)?；囵B(yǎng)的能源微藻藻種資源庫(kù)；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(jì)、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(duì)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)?；?制備的 集成系統(tǒng)， 并 對(duì)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(shí)為技術(shù)瓶頸的突破提供創(chuàng)新的源泉，推進(jìn)我國(guó)微藻能源的規(guī)?；M(jìn)程。 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(píng)價(jià)體系；建立適合于我國(guó)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(guó) 自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的能源微藻種（株）庫(kù)和共享信息平臺(tái)。 （ 3）建立不同類型光生物反應(yīng)器的混合特性及光分布特性參數(shù)的 CFD 模擬方法；確定能源微藻在光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)的混合特性及光分布特性方面的敏感性參數(shù)；建立不同類型光生物反應(yīng)器的評(píng)價(jià)方法，確定適合于能源微藻規(guī)模培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器類型；建立基于光照方向混合及光衰減 特性的光生物反應(yīng)器優(yōu)化方法以及光生物反應(yīng)器的放大準(zhǔn)則。 （ 5）建立不同能源微藻細(xì)胞特性的表征方法；確定能源微藻細(xì)胞特性對(duì)不同采收、破壁、油脂提取及生物柴油制備方法與效率的影響規(guī)律；針對(duì)不同能源微藻細(xì)胞特征及油脂組成，建立采收、破壁、油脂提取與生物柴油制備系統(tǒng)的集3 3 成與優(yōu)化方法。 （ 7）發(fā)表論文 200 篇左右，其中 SCI 和 EI 收錄論文 100 篇以上；申請(qǐng)發(fā)明專利 2535 項(xiàng)，其中國(guó)際專利 35 項(xiàng)； 出版專著 12 部。 4 4 三、研究方案 1. 學(xué)術(shù)思路 微藻 能源 生產(chǎn)過程所涉及的技術(shù)，具有學(xué)科交叉性強(qiáng)、技術(shù)面廣、不成熟、單元復(fù)雜等特點(diǎn)，其外在表象是成本高。為此，本項(xiàng)目以推動(dòng)微藻 能源 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)模化系統(tǒng)中各單元的效率為主線，研究從藻種選育到微藻 能源 規(guī)模化 制備 系統(tǒng)構(gòu)建過程亟待解決的生物學(xué)及工程學(xué)方面的 3 個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題。 第一個(gè)層 面主要以藻種選育及細(xì)胞本身基礎(chǔ)代謝規(guī)律與調(diào)控機(jī)制發(fā)現(xiàn)為主要研究?jī)?nèi)容 。 第二個(gè)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(duì)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 。 第三個(gè)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。以微藻 能源 規(guī)?；?制備 過程從微觀到宏觀的優(yōu)化放大為主線，由實(shí)驗(yàn)分析手段結(jié)合模擬計(jì)算，完成微藻 能源 規(guī)?；?制備 過程中所涉及的生物學(xué)和工程學(xué)方面的關(guān)鍵科學(xué)問題的認(rèn)識(shí)與研究。 圖 3 本項(xiàng)目涉及到的技術(shù)途徑 3. 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)與特色 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn) （ 1）新思路： 基于全基因組尺度認(rèn)知與重構(gòu)可規(guī)模化培養(yǎng)能源微藻的代謝網(wǎng)絡(luò)， 從源頭上推進(jìn)微藻 能 源 規(guī)?；M(jìn)程 7 7 優(yōu)良藻種是微藻能源規(guī)?；苽涞脑搭^。 能源微藻胞內(nèi)代謝及油脂合成 與積累 機(jī) 理的揭示， 是深入認(rèn)識(shí)其胞內(nèi)物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)換關(guān)系的科學(xué)基礎(chǔ)，也是能源微藻代謝途徑改造及培養(yǎng)工藝優(yōu)化的關(guān)鍵所在 。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的系統(tǒng)生物學(xué)研究證明，必須從 系統(tǒng)水平考察出發(fā) 細(xì)胞 特性， 才 能設(shè)計(jì) 出 最佳的代謝工程 策略 。 這種 研究 新思路 不僅有望進(jìn)一步提高可規(guī)?；囵B(yǎng)的藻種性能，而且可為工藝優(yōu)化提供重要的理論依據(jù)，從源頭上 推 進(jìn) 微藻 能源 規(guī)模化 進(jìn)程 。 能源微 藻規(guī)模化 光自養(yǎng)培養(yǎng)過程 ， 面臨著 復(fù)雜 多變的外部環(huán)境 ，光生物反應(yīng)器內(nèi)的光分布具有時(shí)空非線性變化特性，且微藻 細(xì)胞之間 也存在著一定的 相互 作用。 為此，本項(xiàng)目擬 運(yùn)用各類組學(xué)技術(shù)，揭示能源微藻規(guī)?；庾责B(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(diǎn)和評(píng)價(jià)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(jì)與培養(yǎng)過程優(yōu)化放大 策略 。 （ 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。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)?；苽?十 分 重要。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。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)模化制備的經(jīng)濟(jì)性 。 （ 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：微藻是一類低等植物，通過對(duì)其生命過程的解析，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)微藻生命過程的理解、認(rèn)識(shí)與應(yīng)用；同時(shí)，在對(duì)微藻培養(yǎng)過程中的一些工程科學(xué)問題的深入研究，也將進(jìn)一步促進(jìn)過程 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，