【正文】 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。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)。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。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(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。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。 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)?；?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)模化 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)模化系統(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。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(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)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(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。 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(guò)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(guò)程的每一個(gè)關(guān)鍵組件和過(guò)程開(kāi)發(fā)過(guò)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(kù)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(yíng)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)率高于， 獲得 12 個(gè)油脂含量高于 60%藻株。 3. 計(jì)算獲得平板式、管道式光生物反應(yīng)器中的湍動(dòng)能、上下混合、流場(chǎng) 等混合特性；測(cè)試獲得跑道池、園池中的湍動(dòng)能、上下混合、流場(chǎng)等混合特性并與計(jì)算結(jié)果相對(duì)照以修正 CFD 計(jì)算。 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(guò)程環(huán)境因子誘導(dǎo)微藻中脂類過(guò)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(guò)程培養(yǎng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型；基本闡明能源微藻培養(yǎng)體系 CO2吸收過(guò)程的放大規(guī)律。 6. 確定 能源微藻細(xì)胞特性對(duì)不同破壁方法與效率的影響規(guī)律并解析其機(jī)制。 4. 繼續(xù)研究環(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；開(kāi)展計(jì)量學(xué)、過(guò)程特征及動(dòng)力學(xué)研究；進(jìn)一步開(kāi)展能源微藻培養(yǎng)體系 CO2吸收與培養(yǎng)過(guò)程耦合規(guī)律研究；初步探討能源微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)過(guò)程優(yōu)化方法；進(jìn)行室外微藻擴(kuò)大培養(yǎng)。 6. 研究用于微藻細(xì)胞壁的不同的生物催化反應(yīng)過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。 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(duì)藻渣煤漿性能的影響 。 10. 逐步馴化沼氣生產(chǎn)菌種對(duì)藻渣等營(yíng)養(yǎng)的利用，并對(duì)其培養(yǎng)條件進(jìn)行優(yōu)化 。 12. 初步建立面向我國(guó)能源微藻規(guī)?；苽涞娜芷诜治鰯?shù)據(jù)庫(kù) 。 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。 10. 完成對(duì)產(chǎn)甲烷癥的馴化及 我國(guó)能源微藻規(guī)?；苽涞娜芷诜治鰯?shù)據(jù)庫(kù)的建立 。 16 16 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 三 年 1. 完善能源微藻庫(kù)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(cè)試優(yōu)良藻株抗逆性和戶外培養(yǎng)測(cè)試其粗油脂含量。 3. 采用 PIV、 LDA 測(cè)試技術(shù)，對(duì)氣 —液 — 固三 相的平板式、管道式光生物反應(yīng)器進(jìn)行流動(dòng)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。 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(cè)試 24株優(yōu)良藻株的抗逆能力和戶外實(shí)際油脂得率 。 3. 測(cè)試獲得跑道池、園池 中的湍動(dòng)能、上下混合、流場(chǎng)等混合特性并與計(jì)算結(jié)果相對(duì)照以修正 CFD計(jì)算；確定敏感性混合及光分布特性參數(shù)。 5. 確定能源微藻不同油脂組成特征對(duì)甲酯化過(guò)程的影響規(guī)律并解析其機(jī)制 。 6. 研究水代法、有機(jī)溶劑萃取法等油脂提取工藝。 8. 研究藻渣與煤共氣化時(shí)對(duì)煤氣化動(dòng)力學(xué)的影響規(guī)律；研究藻渣與煤 共氣化過(guò)程中對(duì)煤灰熔點(diǎn)影響的規(guī)律；初步研究藻渣與煤共氣化過(guò)程中氮、磷元素的遷移、轉(zhuǎn)化規(guī)律； 研究能源微藻非油脂組分的組成對(duì)厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣過(guò)程的影響規(guī)律 。 10. 根據(jù)來(lái)自實(shí)驗(yàn)室和工廠規(guī)模的數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型。 7. 掌握藻渣與煤共氣化時(shí)對(duì)煤氣化動(dòng)力學(xué)的影響以及煤灰熔點(diǎn)影響，確定合適的氣化工藝條件。 9. 完成 能源微藻非油脂組分的組成對(duì)厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣過(guò)程的影響規(guī)律 。 10. 在 SCI 和 EI 期刊上發(fā)表論文3446； 申請(qǐng)專利 914 項(xiàng) ； 培養(yǎng)12 名博士研究生和 1213 名碩士研究生 。 2. 基于能源微藻的代謝網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)，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)模化制備體系相關(guān)的生物學(xué)特征。 3. 提出基于微藻代謝的過(guò)程優(yōu)化控制方法，形成技術(shù)方案；開(kāi)始進(jìn)行規(guī)模培養(yǎng)示范；并對(duì)優(yōu)化反應(yīng)器進(jìn)行逐級(jí)放大并通過(guò)自養(yǎng)培養(yǎng)驗(yàn)證，得到放大規(guī)律。 3. 能源微藻的代謝規(guī)律及代謝流的動(dòng)態(tài)變化研究，基于代謝的過(guò)程優(yōu)化控制方法及光 生物反應(yīng)器的放大規(guī)律研究。 5. 研究能源微藻的高效低成本、易放大采收、破壁及油脂提取工藝優(yōu)化原理 。 7. 開(kāi)發(fā)同時(shí)獲取高值產(chǎn)品和油脂的分離技術(shù) 。 9. 在熱態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)上開(kāi)展藻渣煤漿中氮、磷元素的遷移規(guī)律研究 。 11. 形成非油脂組分制備大宗能源揭示戶外環(huán)境因子誘導(dǎo)微藻中脂類過(guò)量合成與響應(yīng)機(jī)制；全面闡明能源微藻培養(yǎng)體系 CO2吸收過(guò)程的放大規(guī)律；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(guò)程優(yōu)化與放大 方法；在規(guī)模培養(yǎng)系統(tǒng)中，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1015%以上，并測(cè)算出培養(yǎng)過(guò)程的成本，提出大規(guī)模培養(yǎng)工藝設(shè)計(jì)方案。 6. 初步完成獲取高值產(chǎn)品和油脂的分離技術(shù) 。 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(yíng)養(yǎng)化元素的遷移規(guī)律研究。 10. 建立能源微藻規(guī)?；苽涞娜嬷芷诜治銎脚_(tái) 。 19 19 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 產(chǎn)品的法體系，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（所采用的技術(shù)路線一定要具有易放大、高效率、低成本及低能耗等產(chǎn)業(yè)化必備的特征） 。 2. 整合能源微藻光合固碳和油脂積累系統(tǒng)生物學(xué)研究全面開(kāi)展構(gòu)建高油脂合成、高光效的轉(zhuǎn)基因株系，探索能源微藻工程藻株應(yīng)用的可行性。完成進(jìn)行能源微藻培養(yǎng)的經(jīng)濟(jì)分析。 2. 構(gòu)建 57 株生長(zhǎng)快速、高效積累油脂的轉(zhuǎn)基因株系，轉(zhuǎn)基因株系至少要在戶外小試水平上提高10%以上。 3. 提出全新的高效低成本光反應(yīng)器的設(shè)計(jì)原理、培養(yǎng)過(guò)程優(yōu)化控制方法；及基于光分布特性參數(shù)的放大規(guī)律。 5. 確定高值產(chǎn)品的理化特性和可能的應(yīng)用市場(chǎng) 。 戶外規(guī)模光自養(yǎng)過(guò)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(cè)算出培養(yǎng)過(guò)程的成本，提出大規(guī)模培養(yǎng)工藝設(shè)計(jì)方案 ， 以及培養(yǎng)研究生工作。 6. 完成課題驗(yàn)收工作。對(duì)所篩選藻株 經(jīng)理化誘變、環(huán)境脅迫、高通量篩選和批量評(píng)價(jià) ，獲得具有規(guī)?；囵B(yǎng)性能的優(yōu)良藻株。通過(guò)比較基因組學(xué)研究，解析可工業(yè)規(guī)模培養(yǎng)藻種優(yōu)良株系優(yōu)良性狀的遺傳基礎(chǔ)。通過(guò)生物數(shù)據(jù)信息挖掘， 建立基于規(guī)?；阅芴卣鳎ㄋ偕L(zhǎng)、高抗逆、高含油）的藻種綜合評(píng)價(jià)體系。結(jié)合公共基因組序列和代謝途徑數(shù)據(jù)庫(kù)，重構(gòu)全基因組代謝網(wǎng)絡(luò)模型，甄別能源微藻光合固碳和油脂合成與積累的調(diào)控因子 。基于重構(gòu)的全基因組代謝網(wǎng)絡(luò)模型，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，構(gòu)建高產(chǎn)油、高光效的轉(zhuǎn)基因株系，以期為規(guī)模化培養(yǎng)提供優(yōu)良藻株以及為規(guī)?；庾责B(yǎng)培養(yǎng)工藝優(yōu)化提供指導(dǎo)。采用 PIV 和 LDA 等測(cè)試技術(shù)，進(jìn)行混合特性模擬結(jié)果的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與模擬方法的修正。對(duì)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(duì)不同類型的光生物反應(yīng)器的培養(yǎng)效率進(jìn)行評(píng)價(jià)。 4. 采用恒化培養(yǎng)和同位素 13C 標(biāo)記等方法研究典型能源微藻（如小球藻等）不同環(huán)境條件 （光強(qiáng)與細(xì)胞密度、 CO2 濃度與 pH、溫度、 N 等營(yíng)養(yǎng)物）下的光自養(yǎng) 培養(yǎng)過(guò)程以 及生長(zhǎng)模式轉(zhuǎn)變（如異養(yǎng)轉(zhuǎn)光自養(yǎng)）時(shí)基因組、轉(zhuǎn)錄組和脂組等的差異 和變化規(guī)律； 采用組學(xué)及 13C 標(biāo)記等手段，結(jié)合所構(gòu)建的微藻全基因組代謝網(wǎng)絡(luò)模型，研究重要環(huán)境影響因子條件下的碳代謝和油脂累積的規(guī)律，闡