973项目申报书-微藻能源规模化制备的科学基础

973项目申报书-微藻能源规模化制备的科学基础内容摘要：

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。 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3446； 申请专利 914 项 ； 培养12 名博士研究生和 1213 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1. 提供 23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 510 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 12 种高效的能源微藻基因组规模突变方法，获得 35 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 23 个的鉴定，全面18 18 研究内容 预期目标 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1015%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2834； 申请专利 711 项 ； 培养23 名博士研究生和 68 名硕士研究生。 19 19 研究内容 预期目标 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）。 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 57 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20 20 研究内容 预期目标 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。 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 1525%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1518 篇 ； 申请专利 46 项。 6. 完成课题验收工作。 21 21 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进行评价。 基于获得的光照方向的混合特性及光分布特性方面的敏感参数，利用 CFD 对合适类型的22 22 光生物反应器的结构进行系统优化，结合 CFD 模拟计算结果与逐级放大试验，挖掘 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 ，为规模化光生物反应器的设计提供依据。 4. 采用恒化培养和同位素 13C 标记等方法研究典型能源微藻（如小球藻等）不同环境条件 （光强与细胞密度、 CO2 浓度与 pH、温度、 N 等营养物）下的光自养 培养过程以 及生长模式转变（如异养转光自养）时基因组、转录组和脂组等的差异 和变化规律； 采用组学及 13C 标记等手段，结合所构建的微藻全基因组代谢网络模型，研究重要环境影响因子条件下的碳代谢和油脂累积的规律，阐析环境优化及胁迫条件下的代谢过程特征和细胞与环境相互作用机制；采用恒化培养或批培养方法开展不同环境条件下的细胞宏观代谢流研究，获得细胞生长与油脂累积过程动力学模型；研究既是碳源又是酸度平衡调节物的 CO2 的吸收规律及其与培养过程的耦合调控方法；采用恒化培养或批培养方法， 对 微藻 光自养 培养过程 的 在线参数 （如 pH、温度、 CO2 浓度等）、在线生理参数 （ 如 在线 CO2 固定速率、 O2 释放速率、 细胞呼吸强度等）、离线参数 （ 如细胞密度、油脂含量等 ） 进行相关性分析，形成多尺度参数分析方法；在 重构全基因组代谢网络模型的基础上结合宏观代谢流多尺度分析方法，建立适于微藻细胞培养过程优化的新方法；研究基于 微 藻细胞生理、光照方向混合及光衰减特性相结合的光自养培养过程放大方法，为规模化能源微藻光自养培养过程放大提供理论基础。 5. 针对能源微藻规模化培养过程中细胞特性的多样化，引入细胞大小、细胞形态、细胞膜组成、细胞膜电荷、细胞膜表面极性等参数，对能源微藻规模化培养过程中细胞特性进行表征，建立能源微藻细胞特性表征 的方法；以此为依据，考察不同藻种、不同培养工艺等 情况 下微藻细胞特性的变化规律，为后续加工工艺的优化与建立提供理论依据；研究 藻细胞密度、藻细胞形态及其易变性、大小、表面电荷等不同的物理特性 ，对各种方法的采收效率的影响规律及其机制，建立高效低成本、易放大采收工艺优化方法；研究细胞膜强度及 水含量，对各种方法破壁效率的影响规律，建立 高效低成本、易放大的破壁工艺优化方法 ；研究油脂组成对各种方法提取效率的影响规律，建立 高效低成本、易放大的油脂提取工艺优化方法 ；设计并构建 油脂 到生物柴油的反应 /分离耦合过程，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，包括三甘酯的转化，单甘酯、二甘酯和甲酯的变化规律及反应动力学，研究生物柴油转化过程中甘油的产生规律，达到甘油在线分离，实现生物柴油合成和甘油分离耦合的集成，为高效 、 低成本、易放大 的微藻 生物柴油 制备 工艺 的建立 奠定基础。 6. 解析能源微藻非油脂组分的多元特性，建立其表征方法，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组成的影响规律，根据能源微藻非油脂组分的多元组成特性，建立相应的微藻非油脂组分的高值化和能源化利23 23 用方法，实现能源微藻资源的综合利用。 在此基 础上，通过建立微藻能源生产过程各单元 的 优化放大工艺，然后构建微藻能源规模化系统，建立其系统集成与优化方法，以实现各个单。