【正文】 為背景，以提高微藻 能源 規(guī)?；到y(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)?；?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)模化 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)模化進(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 。近年來發(fā)展起來的系統(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)?；?進(jìn)程 。 能源微 藻規(guī)?；?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)模化制備 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)?；苽涞慕?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，對(duì)其中的一些過程 工程 科學(xué)問題的解決，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)開發(fā)研究。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)。緊緊圍繞微藻 生物能源 規(guī)模化 制備 過程中所面臨的困境，提出了 3 個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題及 6 個(gè)研究課題。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(shí)踐，同時(shí)發(fā)現(xiàn)新問題，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)我國微藻能源的規(guī)?；M(jìn)程。組織了國內(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)?；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。 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(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)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。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(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)模化 制備 系統(tǒng)。 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)。 研究 小球藻和微擬球藻的遺傳操作系統(tǒng)。 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(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。 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。 5. 建立能源微藻細(xì)胞特性表征的方法。 。 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)。 5. 對(duì)能源微藻規(guī)?；囵B(yǎng)過程中細(xì)胞特性進(jìn)行表征。 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(duì)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(duì)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 。 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(tái)。 11. 針對(duì)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。 10. 發(fā)表 SCI 或 EI 收錄論文 13～ 18篇 ， 申請(qǐng)專利 24 項(xiàng)。 14 14 研究?jī)?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。探索油脂及其他儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和油脂合成的影響：包括營養(yǎng)條件影響細(xì)胞生長(zhǎng)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(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和油脂合成的影響等。 3. 采用 CFD 技術(shù)，對(duì)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(cè)試技術(shù)，對(duì)氣 — 液 —固三相的跑道池、園池進(jìn)行流動(dòng)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(zhǎng)率