国家重点基础研究发展计划（973计划）项目申报书-微藻能源规模化制备的科学基础

项目名称：微藻能源规模化制备的科学基础首席科学家：李元广 华东理工大学起止年限：2011.1至2015.8依托部门：上海市科委二、预期目标1. 总体目标实现微藻能源规模化制备中的关键科学问题的重大突破，挖掘能源微藻优良藻种（株）选育原理，建立能源微藻藻种综合评价体系及适合于我国国情的可规模化培养的能源微藻藻种资源库；揭示能源微藻光能转化、光合固碳及油脂高效合成的机制；阐明光生物反应器设计、优化与放大原理，以及能源微藻光自养培养工艺优化及放大原理；阐明能源微藻细胞特性对能源微藻加工过程的影响规律以及加工工艺优化原理；构建微藻能源规模化制备的集成系统，并对其进行系统优化，明晰微藻能源规模化过程中的关键环节和具体的技术瓶颈，同时为技术瓶颈的突破提供创新的源泉，推进我国微藻能源的规模化进程。2. 五年预期目标（1）阐明优良种（株）的选育原理；建立可在户外进行规模化光自养培养的能源微藻藻种的综合评价体系；建立适合于我国不同地域、不同季节以及不同CO2气源与氮磷废水资源光自养培养且具有我国自主知识产权的能源微藻种（株）库和共享信息平台。（2）以可规模化培养的典型能源微藻为对象，阐明光合作用、固碳、油脂合成与积累的主要机制及其调控原理，建立能源微藻全基因组代谢网络模型；实现能源微藻光合、固碳油脂合成与积累网络的改造，提高能源微藻光合、固碳和油脂积累效率；发掘3-5个关键调控因子，获得5-10个生长快、高产油脂的转基因株系。 （3）建立不同类型光生物反应器的混合特性及光分布特性参数的CFD模拟方法；确定能源微藻在光生物反应器中培养的混合特性及光分布特性方面的敏感性参数；建立不同类型光生物反应器的评价方法，确定适合于能源微藻规模培养的光生物反应器类型；建立基于光照方向混合及光衰减特性的光生物反应器优化方法以及光生物反应器的放大准则。（4）揭示环境因子诱导微藻中油脂过量积累与环境响应机制；建立基于重构全基因组代谢网络模型与多尺度分析方法相结合的能源微藻光自养培养过程优化与放大方法。（5）建立不同能源微藻细胞特性的表征方法；确定能源微藻细胞特性对不同采收、破壁、油脂提取及生物柴油制备方法与效率的影响规律；针对不同能源微藻细胞特征及油脂组成，建立采收、破壁、油脂提取与生物柴油制备系统的集成与优化方法。（6）构建微藻能源规模化制备系统的研究平台（生物柴油年生产能力达到10吨级），建立微藻能源规模化制备系统的集成与优化方法，为我国微藻能源的产业化提供科学理论和技术基础。（7）发表论文200篇左右，其中SCI和EI收录论文100篇以上；申请发明专利25-35项，其中国际专利3-5项；出版专著1-2部。（8）培养40-60名博士研究生，100名左右硕士研究生，形成一支在国际微藻能源这一快速发展领域得到同行认可并产生重要影响的研究团队。三、研究方案1. 学术思路微藻能源生产过程所涉及的技术，具有学科交叉性强、技术面广、不成熟、单元复杂等特点，其外在表象是成本高。制约微藻能源形成规模化的根本原因是，微藻细胞生物学规律的基本科学问题和规模化过程所涉及的培养与能源产品加工及系统集成优化方面的工程科学问题，未得到深入系统的阐明。为此，本项目以推动微藻能源规模化制备中核心技术的重大突破为目标，以能源微藻户外大规模培养的实际条件为背景，以提高微藻能源规模化系统中各单元的效率为主线，研究从藻种选育到微藻能源规模化制备系统构建过程亟待解决的生物学及工程学方面的3个关键科学问题。本项目的具体学术思路：从胞内代谢认知、规模培养、能源产品加工及系统集成优化三个层面进行深入研究，如图2所示。第一个层面主要以藻种选育及细胞本身基础代谢规律与调控机制发现为主要研究内容。首先从户外规模培养对藻种性能的要求出发，选育出可在不同条件下规模化培养的能源微藻藻种（株），阐明能源微藻的藻种选育原理并建立综合评价体系；然后以具有规模化培养前景的能源微藻（如小球藻等）为对象，开展其代谢网络及系统生物学研究，阐明微藻细胞代谢规律，以期为通过环境条件调控及分子生物学改造等手段进一步提高能源微藻的效率提供理论和实验依据。第二个层面主要从规模培养系统的过程工程角度研究微藻细胞对环境响应与调控机制和过程优化原理及放大方法。以组学技术研究藻细胞培养过程环境组学变化规律，揭示不同环境条件下的藻细胞表型规律和内在响应机制；进一步从生物反应器工程及细胞培养过程工程角度，开展光生物反应器设计及能源微藻光自养培养过程优化与放大研究，揭示规模化培养过程物质与能量转化的基本规律，以期为能源微藻的高密度高油脂产率规模化培养提供理论依据。第三个层面主要从藻细胞采收、油脂提取、生物柴油制备、非油脂组分综合利用等能源微藻加工及培养与加工系统集成优化角度，挖掘提高效率的原理和方法。图2 本项目的学术思路2技术途径本项目所涉及的技术途径如图3所示。以微藻能源规模化制备过程从微观到宏观的优化放大为主线，由实验分析手段结合模拟计算，完成微藻能源规模化制备过程中所涉及的生物学和工程学方面的关键科学问题的认识与研究。利用物理及化学方法对藻种进行诱变，利用高通量筛选技术获得优良藻种（株）；利用系统生物学技术及13C标记技术研究能源微藻胞内光合固碳、油脂合成与积累机制，利用分子生物学对代谢网络进行改造；利用CFD模拟、PIV测定技术结合热模实验研究光生物反应器设计与放大原理；利用恒化培养、环境组学及多尺度分析技术研究能源微藻光自养培养过程环境响应、优化及放大方法；利用细胞表面物理特性指导采收工艺的优化、利用细胞壁结构特性指导破壁工艺的优化、利用油脂组成指导甲酯化工艺的优化、利用非油脂组分的组成指导藻体残渣综合利用技术的优化；利用全生命周期分析技术对微藻能源规模化制备系统进行集成与优化。图3 本项目涉及到的技术途径3. 主要创新点与特色3.1 主要创新点（1）新思路：基于全基因组尺度认知与重构可规模化培养能源微藻的代谢网络，从源头上推进微藻能源规模化进程优良藻种是微藻能源规模化制备的源头。对于通过诱变筛选等方法所确定的可规模化培养的能源微藻藻种，其效率的进一步提高，依赖于对其胞内代谢网络的认知与重构。能源微藻胞内代谢及油脂合成与积累机理的揭示，是深入认识其胞内物质与能量转换关系的科学基础，也是能源微藻代谢途径改造及培养工艺优化的关键所在。现有基于单一因子或单一分支学科的“剖分系统面向细节”的研究思路，难以全面认识能源微藻的代谢规律、提高能源微藻的效率。近年来发展起来的系统生物学研究证明，必须从系统水平考察出发细胞特性，才能设计出最佳的代谢工程策略。本项目拟采用系统生物学思路重构可规模化培养、且全基因组序列明晰的能源微藻全基因组代谢网络模型，通过干试验（dry experiment，即模型计算与代谢网络重构）和湿实验（wet experiment，即具体实验验证）相结合，从以往的假设驱动（hypothesis-driven）研究模式转变为数据驱动（data-driven）模式，从而可高效系统地研究光合固碳、油脂合成与积累等能源微藻关键代谢途径及其变化规律，为甄别关键调控因子并通过基因改造显著提高能源微藻产油率奠定重要的理论基础，也可为微藻规模化培养过程中的物质与能量代谢调控提供理论指导。这种研究新思路不仅有望进一步提高可规模化培养的藻种性能，而且可为工艺优化提供重要的理论依据，从源头上推进微藻能源规模化进程。（2）新策略：基于微藻能量和物质代谢特征的高效光生物反应器设计及培养工艺优化放大微藻的低成本、大规模培养是实现微藻能源产业化的关键环节。能源微藻规模化光自养培养过程，面临着复杂多变的外部环境，光生物反应器内的光分布具有时空非线性变化特性，且微藻细胞之间也存在着一定的相互作用。因此，能源微藻代谢网络对外部环境及光生物反应器内的流场特性（特别是光照方向的混合特性）的应答机制极其复杂，使得目前的光生物反应器设计及微藻光自养培养工艺优化放大仍以经验为主，缺乏理论指导。为此，本项目拟运用各类组学技术，揭示能源微藻规模化光自养培养系统中物质和能量转化及环境应答机制，以微藻胞内的能量和物质代谢效率为着眼点和评价标准，辅以CFD模拟、重构全基因组代谢网络与宏观代谢流多尺度分析等手段，建立基于微藻细胞关键生理特性、光照方向混合及光衰减特性相结合的光生物反应器设计与培养过程优化放大策略。这种基于微藻能量和物质代谢特征的高效光生物反应器设计及培养工艺优化与放大新策略，有别于基于经验的光生物反应器设计和工艺优化放大的传统方法，可为能源微藻低成本规模化培养系统及培养技术瓶颈的突破奠定重要基础。（3）新方法：以湿藻为原料的高效低能耗微藻能源绿色制备方法目前利用微藻制备生物能源的研究多以干藻为原料，但由于微藻细胞中水含量高（80%以上），干燥过程的能耗高、微藻胞内活性成分损失多、加工过程效率低，显著降低了微藻能源的经济效益。从文献报道看，目前还没有湿藻油脂生物柴油工艺过程的报道。因而系统地研究以湿藻为原料的高效低能耗微藻能源绿色制备方法，对于微藻能源规模化制备十分重要。本项目拟采用湿藻为微藻能源加工的原料。首先对湿细胞进行破壁，然后利用油水二相比重的差异实现油脂及非油脂组分的分离，以分离出的微藻油脂为原料利用固定化酶促转化法实现生物柴油的绿色制备。针对非油脂组分含水量高这一特点，对于活性成分含量低的，分别采用厌氧发酵、水相热解、与煤混合形成水煤浆直接气化等方法实现其能源化利用；对于活性成分含量高的，则通过生物分离提取方法实现其高值化利用。该方法不仅可实现微藻能源的高效、低能耗绿色加工，而且可明显提高微藻能源规模化制备的经济性。3.2 特色（1）鲜明的生物学与工程学交叉特色：微藻能源规模化应用涉及的主要问题是典型的生物与化工相结合的生物产品工程问题，涉及多个学科，尤其是与工业生物技术相关的工程类学科，本项目通过生物化学、分子生物学、物理学、化学工程等基础学科领域的交叉，对微藻能源生产过程中所涉及的生命过程、工程科学以及系统科学进行理解与深化，解决微藻能源规模化过程中的关键基础科学问题，可加速微藻能源产业化进程。（2）基础研究、应用基础研究与技术应用密切结合的特色：微藻是一类低等植物，通过对其生命过程的解析，从功能基因与蛋白、网络、调控、适应等不同的角度进行研究，将促进对微藻生命过程的理解、认识与应用；同时，在对微藻培养过程中的一些工程科学问题的深入研究，也将进一步促进过程工程科学的进步；以微藻加工后形成的包括液体燃料微藻生物柴油在内的系列产品为研究对象，对其中的一些过程工程科学问题的解决，将更直接地将科学知识转化为应用技术，项目本身的知识产出将直接贡献给生物柴油、生物燃气等能源产品的生产；此外，通过本项目所产生新的科学思想、技术平台和产品体系，将直接贡献给微藻能源产业化技术的系统开发研究。. 取得重大突破的可行性分析（1）具备了开展微藻能源研究的先进技术平台。在能源微藻优良藻种选育与综合评价，能源微藻光合固碳和油脂积累的代谢机理，规模化光自养培养过程的环境响应与优化，光生物反应器设计与放大，细胞采收、油脂提取及生物柴油制备，非油脂组分资源化利用及微藻能源规模化系统集成等方面都具有了很好的研究条件和坚实的系统生物学研究基础。（2）研究内容重点突出，研究对象明确，目标切实可行。紧紧围绕微藻生物能源规模化制备过程中所面临的困境，提出了3个关键科学问题及6个研究课题。所针对的研究对象是微藻能源规模化制备过程中的关键点，这些关键点的突破有助于为本项目的研究提供基础参数。反之，本课题研究出的新方法和优化原理也将用于指导微藻能源的规模化生产实践，同时发现新问题，提出新策略，使本项目的研究结果更具有实际意义，能够实现有限目标的重点突破，从而推进我国微藻能源的规模化进程。（3）研究队伍强，工作基础好。组织了国内从事微藻能源研究的优势单位，主要研究人员在能源微藻藻种的选育、光合固碳及油脂代谢、光合生物全基因组模型构建、光生物反应器、微藻规模化光自养培养、细胞采收、油脂分离与转化、过程耦合和集成、系统优化等方面已经具有丰富的研究积累，学科交叉特色鲜明。拥有7个开展该领域相关的国家重点实验室、4个国家级研究中心和9个国家重点学科，先后获得6项国家技术发明及科技进步奖及国家自然科学奖2项，在国际上已经取得一定影响；这支研究队伍和我国微藻能源的产业界已经形成良好的产学研合作关系，通过基础研究获得的研究成果将直接应用于产业化技术开发。3030课题设置各课题间相互关系以推动微藻能源的低成本、规模化制备中核心技术的重大突破为目标，以能源微藻户外大规模培养的实际条件为背景，以提高微藻能源规模化制备系统中各单元的效率及整体效率为主线，从解决微藻能源规模化制备过程中亟待解决的生物学及工程学方面的3个关键科学问题角度设置如下6个研究课题： 课题1. 能源微藻优良藻种（株）选育原理与综合评价体系课题2. 能源微藻光合固碳和油脂积累的代谢网络及系统生物学研究课题3. 基于光照方向混合及光衰减特性的光生物反应器设计与放大原理课题4. 能源微藻规模化光自养培养过程的环境响应、优化及放大原理课题5. 能源微藻采收、油脂提取及生物柴油制备原理与方法课题6. 非油脂组分资源化利用优化及微藻能源规模化系统集成各课题相互之间的关系及课题与所需解决科学问题之间的关系如图4所示。各课题通过拟解决的3个科学问题实现有机关联，通过各自的研究目标形成了微藻能源规模化制备的理论基础与技术体系。课题1为课题2、课题3及课题4提供优良藻种及其表型；课题2为课题4的工艺优化提供生物学基础及可能的工程藻株、同时为课题3中有关光照方向的混合研究提供理论基础；课题3不仅为课题4提供培养用光生物反应器、同时为课题4中与光照相关的户外规模培养工艺条件优化及过程放大提供基础；课题4在规模培养基础上不仅为课题5提供了原料而且为课题2进一步实施基因改造提供实验反馈依据；通过课题5的实施获得本项目的主要能源产品生物柴油，其非油脂组分在课题6中进行资源化利用研究；课题6不仅对能源微藻加工系统进行放大而且对课题3、课题4及课题5进行集成，同时构建了微藻能源规模化制备系统。图4 各课题相互关系及各课题对解决科学问题的贡献四、年度计划研究内容预期目标第一年1. 藻种库藻种筛选及野外藻种采集，构建微藻筛选基础库；进行富油细胞高通量筛选、高通量培养与快速系统评价的方法学研究，通过比较分析，确定项目统一的能源微藻评价体系；筛选和评价能源微藻。2. 对已完成测序的小球藻和微拟球藻等优质能源微藻基因组进行生物信息学分析，进行能源微藻代谢网络模型的重构。基于重构模型并结合组学分析，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；微藻培养系统和环境条件对光的吸收和光合作用效率的影响；高效光的传递和吸收系统的关键途径等。研究小球藻和微拟球藻的遗传操作系统。3. 采用CFD技术，对气液固三相的跑道池、园池进行CFD大涡模拟，及能源微藻的闪光效应、光谱特性研究。4. 初步进行主要环境因子对能源微藻光自养培养过程的调控与响应规律研究；进行能源微藻光自养培养过程计量学、过程特征及动力学研究方法；初步探讨能源微藻培养体系内CO2传递规律；进行室外微藻培养。5. 对能源微藻规模化培养过程中细胞特性进行表征。6. 研究几种采收方法对藻细胞采收效率的影响规律及其影响机制。7. 建立细胞不同组分（如蛋白质、多糖、色素、维生素等）、不同时期、不同微藻对应的表征方法，在此基础上系统考察不同的油脂提取方法对能源微藻非油脂组分的影响规律；研究影响细胞组分的因素（培养基、培养条件等），寻求各因素与组分之间的相关规律。8. 改造现有热态实验平台和制浆平台，包括现有平台的取样与测试系统；并进行微藻预处理装置平台的设计、搭建和调试。9. 探索藻渣预处理改性方法，初步建立利用藻渣发酵生产沼气的平台。10. 建立高通量的分析系统对所选藻种包含的高值副产品进行分析。11. 针对微藻能源生产过程的每一个关键组件和过程开发过程模型。1. 制定统一的能源微藻筛选和评价体系与标准；筛选基础粗油脂含量高于20%的能源微藻150株以上，其中15株以上油脂含量高于40%，且比生长率高于0.05h-1。2. 完成1-2种优质能源微藻的代谢网络模型的重构；发现若干个可能与能源微藻光合固碳相关的调控基因；建立和完善能源微藻的遗传操作系统。3. 计算获得跑道池、园池中的湍动能、上下混合、流场等混合特性。4. 发现并鉴定主要环境因子作用下的脂代谢标志物2-3个，初步了解环境因子诱导微藻中脂类过量合成机制；初步建立能源微藻规模化光自养过程培养过程动力学模型；掌握CO2基本传递过程。5. 建立能源微藻细胞特性表征的方法。6. 确定能源微藻细胞特性对不同采收方法与效率的影响规律并解析其机制。7. 明确本课题各研究内容的研究方案，完善技术路线。8. 完成藻渣样品的初步表征与预处理方法初步调研，获得预处理方法的理论基础。9. 完成热模实验平台以及取样与测试平台的改造、搭建与测试。10. 发表SCI或EI收录论文1318篇，申请专利2-4项。培养博士生1名，硕士生2-3名。第二年1. 完善藻种库的建设，继续筛选能源微藻，选育粗油脂含量高于40%的能源微藻，建立高于60%的能源改良藻株；获得可规模培养的性能优良藻株，建立能源微藻遗传改良原理和方法体系。2. 基于重构模型并结合组学分析，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机制和特性；环境条件对二氧化碳的吸收和利用的影响等。探索油脂及其他储存性化合物合成机制及调控：包括微藻光合作用所获取的能量及碳硫的分配；微藻中不同类油脂的合成途径及增加油脂合成的策略；淀粉等储存性化合物合成机制及与油脂合成的关系；微藻细胞内油脂和储存性化合物的调控机制等；阐述培养条件及环境因素对细胞生长和油脂合成的影响：包括营养条件影响细胞生长和油脂合成的分子作用机理；微藻培养系统中理化条件对细胞生长和油脂合成的影响等。进一步研究小球藻和微拟球藻的遗传操作系统，获得新型有自有知识产权的遗传操作系统。3. 采用CFD技术，对气液固三相的平板式、管道式光生物反应器进行CFD大涡模拟、同时采用PIV、LDA测试技术，对气液固三相的跑道池、园池进行流动特性研究；结合CFD计算、LDA测试对光反应器结构优化，对原反应器进行评价。4. 继续研究环境因子对能源微藻光自养培养过程的调控与响应规律；开展计量学、过程特征及动力学研究；进一步开展能源微藻培养体系CO2吸收与培养过程耦合规律研究；初步探讨能源微藻光自养培养过程优化方法；进行室外微藻扩大培养。5. 综合考察藻种及培养工艺对微藻细胞特性变化的影响规律。6. 研究用于微藻细胞壁的不同的生物催化反应过程和化学反应过程。7. 研究培养条件对高值产品在藻细胞中含量的影响。8. 以神府煤为基础，添加合适的添加剂，研究藻渣掺入比例对藻渣煤浆性能的影响。9. 并完成藻渣煤浆雾化性能的测试。10. 逐步驯化沼气生产菌种对藻渣等营养的利用，并对其培养条件进行优化。11. 整合微藻生产油脂系统的各关键过程，并开发系统模型，进行质量平衡和能量平衡计算。12. 初步建立面向我国能源微藻规模化制备的全生命周期分析数据库。1. 筛选基础粗油脂含量高于20%的能源微藻50株，其中5株油脂含量高于40%，且比生长率高于0.05h-1，获得1-2个油脂含量高于60%藻株。2. 发现若干个可能与能源微藻光合固碳和油脂合成与积累相关的调控基因；进一步完善能源微藻的遗传操作系统。3. 计算获得平板式、管道式光生物反应器中的湍动能、上下混合、流场等混合特性；测试获得跑道池、园池中的湍动能、上下混合、流场等混合特性并与计算结果相对照以修正CFD计算。结合CFD、LDA结果及闪光效应，提出新型优化光反应器结构和设计原理，并通过自养培养对原反应器进行评价。4. 在上年基础上，再发现并鉴定出主要环境因子作用下的脂代谢标志物2-3个，基本掌握户外规模化培养过程环境因子诱导微藻中脂类过量合成与响应机制；完善建立能源微藻规模化光自养过程培养过程动力学模型；基本阐明能源微藻培养体系CO2吸收过程的放大规律。5. 确定不同能源微藻藻种及其培养工艺对细胞特性的影响规律。6. 确定能源微藻细胞特性对不同破壁方法与效率的影响规律并解析其机制。7. 明确培养条件对高值产品在藻细胞中含量的影响。8. 改善藻渣煤浆的浆体性能，获得适合于工业应用的高浓度藻渣煤浆。9. 获得藻渣添加比例等对水煤浆固含率、流变性、稳定性和雾化性能影响规律。10. 完成对产甲烷症的驯化及我国能源微藻规模化制备的全生命周期分析数据库的建立。11. 在SCI和EI期刊上发表论文22-32；申请专利9-13项；培养3-6名博士研究生和11-12名硕士研究生。第三年1. 完善能源微藻库的信息量，获得可规模化培养的能源微藻种（如三角褐指藻等）的遗传纯系，提高能源微藻种遗传稳定性和生产性能；测试优良藻株抗逆性和户外培养测试其粗油脂含量。2. 以光能和CO2等为限制性基质开展藻细胞生理特性的化学计量学和动力学研究，并结合转录物组学、代谢组学等技术，研究高光效突变体光合途径的网络调控机制，循环光合磷酸化及光合放氧机理，并阐析光合电子传递、光化学与非光化学淬灭等生理过程的分子基础；研究CO2加富对CO2固定效率的影响、固碳关联酶与碳酸盐系统变化，阐明碳固定、浓缩及利用分子机制及环境胁迫下的固碳过程的分子基础。3. 采用PIV、LDA测试技术，对气液固三相的平板式、管道式光生物反应器进行流动特性研究，能源微藻光自养培养，光生物反应器结构的系统优化。4. 基本完成环境因子对能源微藻光自养培养过程的调控与响应规律研究；完成能源微藻培养体系CO2吸收与培养过程耦合规律；基本完成能源微藻光自养培养过程优化方法；进行室外微藻规模化培养和中试论证。5. 研究油水共存条件下高效转化微藻油脂合成生物柴油的作用规律。6. 研究水代法、有机溶剂萃取法等油脂提取工艺。7. 对藻高值副产品例如多糖和蛋白的结构, 热敏性和稳定性进行分析。8. 研究藻渣与煤共气化时对煤气化动力学的影响规律；研究藻渣与煤共气化过程中对煤灰熔点影响的规律；初步研究藻渣与煤共气化过程中氮、磷元素的迁移、转化规律；研究能源微藻非油脂组分的组成对厌氧发酵生产沼气过程的影响规律。9. 全生命周期相关模型和软件的设计。10. 根据来自实验室和工厂规模的数据验证模型。1. 测试2-4株优良藻株的抗逆能力和户外实际油脂得率。2. 解析能源微藻高效光能转化机制，阐明最优光能利用与光合固碳关联模式，发现若干个可能与能源微藻光合固碳、生长生理、油脂合成和环境及营养条件响应相关的调控基因，初步形成能源微藻影响光合固碳和油脂积累的代谢调控网络。3. 测试获得跑道池、园池中的湍动能、上下混合、流场等混合特性并与计算结果相对照以修正CFD计算；确定敏感性混合及光分布特性参数。4. 进一步发现并鉴定2-4个重要环境因子作用下的脂代谢标志物，揭示环境因子诱导微藻中脂类过量合成与响应机制；完成规模化光自养过程培养过程动力学建模实验；基本阐明能源微藻培养体系CO2吸收放大规律；初步建立基于重构全基因组代谢网络模型与多尺度分析方法相结合的能源微藻户外规模光自养过程优化与放大方法；开展规模培养产油微藻，单位油脂能耗及经济成本基本不增加的前提下，油脂产率提高15-25%以上，初步测算成本，提出大规模培养工艺设计。5. 确定能源微藻不同油脂组成特征对甲酯化过程的影响规律并解析其机制。6. 确定能源微藻细胞特性对不同油脂提取方法与效率的影响规律并解析其机制。7. 掌握藻渣与煤共气化时对煤气化动力学的影响以及煤灰熔点影响，确定合适的气化工艺条件。8. 初步完成藻渣与煤共气化过程中氮、磷元素的迁移规律。9. 完成能源微藻非油脂组分的组成对厌氧发酵生产沼气过程的影响规律。完成全生命周期相关模型和软的设计。10. 在SCI和EI期刊上发表论文34-46；申请专利9-14项；培养1-2名博士研究生和12-13名硕士研究生。第四年1. 对小球藻、三角褐指藻等优良藻株进行比较基因组学研究，通过基因组再测序并与参考序列比较，甄别可规模化培养的优良能源微藻藻株及其改良藻株的遗传差异，阐明优良生产性状遗传基础，为基因工程改造提供基础。2. 基于能源微藻的代谢网络模型预测，结合组学技术，甄别和改造可工业规模培养的能源微藻的碳流分配规律和油脂合成积累的调控基因及高效光能利用和固碳的调控基因或因子，初步进行构建高油脂合成、高光效的转基因株系，探索能源微藻工程藻株应用的可行性。3. 能源微藻的代谢规律及代谢流的动态变化研究，基于代谢的过程优化控制方法及光生物反应器的放大规律研究。4. 完成环境因子对能源微藻光自养培养过程的调控与响应规律研究；完成能源微藻培养体系CO2吸收规律及其与培养过程的耦合；全面开展能源微藻光自养培养过程优化方法；进行能源微藻光自养培养过程放大规律研究；进行室外微藻规模培养，初步进行能源微藻培养经济分析。5. 研究能源微藻的高效低成本、易放大采收、破壁及油脂提取工艺优化原理。6. 研究能源微藻高效低成本、易放大转化生物柴油工艺优化原理。7. 开发同时获取高值产品和油脂的分离技术。8. 在多喷嘴对置式水煤浆气流床气化热态试验平台（500公斤煤/天）上开展藻渣煤浆的气化性能测试。9. 在热态试验平台上开展藻渣煤浆中氮、磷元素的迁移规律研究。10. 针对模型进行技术经济性分析的适应性优化；为生命周期分析提供基础模型和数据库，并建立能源微藻规模化制备的全面周期分析平台。11. 形成非油脂组分制备大宗能源产品的法体系，建立与年产10吨生物柴油相配套的非油脂组分能源化利用的设备与工艺（所采用的技术路线一定要具有易放大、高效率、低成本及低能耗等产业化必备的特征）。1. 提供2-3种能源微藻与规模化制备体系相关的生物学特征。2. 建立纯化转基因能源微藻藻落的技术体系，发掘5-10个影响能源微藻脂肪酸合成及油脂积累的关键调控因子，建立1-2种高效的能源微藻基因组规模突变方法，获得3-5株生长快，高产油脂的突变能源微藻藻种。3. 提出基于微藻代谢的过程优化控制方法，形成技术方案；开始进行规模培养示范；并对优化反应器进行逐级放大并通过自养培养验证，得到放大规律。4. 完成主要环境因子作用下的脂代谢标志物2-3个的鉴定，全面揭示户外环境因子诱导微藻中脂类过量合成与响应机制；全面阐明能源微藻培养体系CO2吸收过程的放大规律；建立基于重构全基因组代谢网络模型与多尺度分析方法相结合的能源微藻户外规模光自养过程优化与放大方法；在规模培养系统中，单位油脂能耗及经济成本基本不增加的前提下，油脂产率提高10-15%以上，并测算出培养过程的成本，提出大规模培养工艺设计方案。5. 建立采收、破壁、油脂提取与生物柴油制备系统的集成与优化方法。6. 初步完成获取高值产品和油脂的分离技术。7. 获得藻渣加入比例对气化性能影响规律。8. 完成藻渣煤浆气化条件下藻中氮、磷等易导致水体环境富营养化元素的迁移规律研究。9. 建立与年产10吨生物柴油相配套的非油脂组分能源化利用的设备与工艺。10. 建立能源微藻规模化制备的全面周期分析平台。11. 在SCI和EI期刊上发表论文28-34；申请专利7-11项；培养2-3名博士研究生和6-8名硕士研究生。第五年1. 建立适合于不同气候、不同培养体系和不同条件、抗生物污染能力强、性状优良、生产性能稳定的能源微藻藻种和优良株系库，进一步完善藻种库和信息库的建设。2. 整合能源微藻光合固碳和油脂积累系统生物学研究全面开展构建高油脂合成、高光效的转基因株系，探索能源微藻工程藻株应用的可行性。3. 全面完成环境因子对能源微藻光自养培养过程的调控与响应规律；完成能源微藻光自养培养过程计量学、过程特征及动力学的研究；全面能源微藻培养体系CO2吸收规律及其与培养过程的耦合任务；建立能源微藻光自养培养过程优化方法；能源微藻光自养培养过程放大规律。完成进行能源微藻培养的经济分析。4. 全面完成课题任务，总结课题研究成果，编写总结报告，进行课题验收工作。5. 确定高值产品的理化特性和可能的应用市场。6. 构建微藻能源规模化制备系统的研究平台和示范装置（生物柴油年生产能力达到10吨级），建立基于全生命周期分析的微藻能源规模化制备系统的集成与优化方法。1. 形成具有完备信息（如形态特征、生理特性、遗传信息等）基础、能共享、具有我国自主知识产权的能源微藻藻种（株）库和信息平台。2. 构建5-7株生长快速、高效积累油脂的转基因株系，转基因株系至少要在户外小试水平上提高10%以上。3. 提出全新的高效低成本光反应器的设计原理、培养过程优化控制方法；及基于光分布特性参数的放大规律。4. 全面完成关键环境因子作用下的脂代谢标志物，揭示环境因子诱导微藻中脂类过量合成与响应机制；给出能源微藻规模化光自养过程培养过程动力学模型；阐明能源微藻培养体系CO2吸收过程的放大规律；建立基于重构全基因组代谢网络模型与多尺度分析方法相结合的能源微藻户外规模光自养过程优化与放大方法；在单位油脂能耗及经济成本基本不增加的前提下，油脂产率提高15-25%以上，并测算出培养过程的成本，提出大规模培养工艺设计方案，以及培养研究生工作。5. 在SCI和EI期刊上发表论文15-18篇；申请专利4-6项。6. 完成课题验收工作。一、研究内容1. 采用组合流式细胞仪分选和高通量筛选或组合混合富集培养、细胞分选和高通量筛选等组合方法，从自然环境和已有藻种资源分离筛选出具有速生长、高含油、适应不同气候、不同培养体系、不同CO2气源、耐低pH、高效利用氮磷废水等多样化特征的优良藻种。对所筛选藻株经理化诱变、环境胁迫、高通量筛选和批量评价，获得具有规模化培养性能的优良藻株。通过连续分离纯化获得遗传纯系，研究其繁殖方式及其环境影响机制，建立能源微藻遗传改良原理和方法体系。通过比较基因组学研究，解析可工业规模培养藻种优良株系优良性状的遗传基础。基于以上结果与信息，建立适用不同气候、不同培养体系和不同工艺、性状优良、生产性能稳定的能源微藻藻种和优良株系库，形成具有完备信息基础、能共享、具有自主知识产权的能源微藻藻种（株）库和信息平台。通过生物数据信息挖掘，建立基于规模化性能特征（速生长、高抗逆、高含油）的藻种综合评价体系。2. 开展基因组、转录组、代谢组等组学研究，并结合13C标记法解析不同条件下小球藻等可工业规模培养的能源微藻的碳代谢途径，阐明代谢流迁移变化规律。结合公共基因组序列和代谢途径数据库，重构全基因组代谢网络模型，甄别能源微藻光合固碳和油脂合成与积累的调控因子。以光和CO2等为限制因子开展微藻细胞生理特性稳定的计量化学和动力学研究，结合转录物组学、代谢组学等技术，研究能源微藻高光效突变体光合途径的网络调控机制，为提高微藻细胞光吸收、传递和利用效率提供基础。基于重构的全基因组代谢网络模型，甄别和改造可工业规模培养的能源微藻的碳流分配规律和油脂合成积累的调控基因及高效光能利用和固碳的调控基因，构建高产油、高光效的转基因株系，以期为规模化培养提供优良藻株以及为规模化光自养培养工艺优化提供指导。3. 采用CFD多尺度模拟技术和多尺度离散化超级并行计算机群系统，对不同类型光生物反应器（如敞开式跑道池及圆池、封闭式平板光生物反应器及管道式光生物反应器等）内部气-液-固三相体系的混合特性等进行模拟计算，获得不同混合条件下的流体混合特性参数。采用PIV和LDA等测试技术，进行混合特性模拟结果的实验验证与模拟方法的修正。结合光衰减模型，通过数学分析方法（如傅里叶分析和小波分析等）获得藻细胞在光生物反应器内的光暗循环频率、光区停留时间占循环时间比例和时间平均光强等光分布特性参数。对三角褐指藻、小球藻等在不同类型光生物反应器内进行培养，确定影响能源微藻高效率培养的敏感性参数，并对不同类型的光生物反应器的培养效率