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1 生 物 工 程 学 报 Chinese Journal of Biotechnology DOI: /j.cjb 杨 晓 秋 等 / 基 于 文 献 计 量 学 的 微 藻 生 物 技 术 发 展 趋 势 October 25, 2015, 31(10): Chin J Biotech, All rights reserved 综 述 1415 基 于 文 献 计 量 学 的 微 藻 生 物 技 术 发 展 趋 势 杨 晓 秋 1, 吴 寅 嵩 2, 闫 金 定 1, 宋 海 刚 1, 范 建 华 2, 李 元 广 1 科 学 技 术 部 基 础 研 究 管 理 中 心, 北 京 华 东 理 工 大 学 生 物 反 应 器 工 程 国 家 重 点 实 验 室, 上 海 杨 晓 秋, 吴 寅 嵩, 闫 金 定, 等. 基 于 文 献 计 量 学 的 微 藻 生 物 技 术 发 展 趋 势. 生 物 工 程 学 报, 2015, 31(10): Yang XQ, Wu YS, Yan JD, et al. Trends of microalgal biotechnology: a view from bibliometrics. Chin J Biotech, 2015, 31(10): 摘 要 : 微 藻 作 为 一 类 单 细 胞 光 合 生 物, 具 有 光 能 利 用 率 高 生 长 速 度 快 生 物 活 性 成 分 和 储 能 物 质 含 量 高 等 特 点, 在 食 品 饲 料 生 物 能 源 碳 减 排 和 废 水 处 理 等 领 域 具 有 广 阔 的 应 用 前 景 本 文 系 统 查 阅 了 近 年 来 国 内 外 微 藻 领 域 发 表 的 相 关 文 献 和 专 利, 藉 此 对 微 藻 生 物 技 术 领 域 的 研 究 进 展 及 存 在 问 题 进 行 了 梳 理 和 分 析, 并 对 我 国 微 藻 生 物 技 术 的 科 技 布 局 重 要 成 果 及 发 展 瓶 颈 进 行 了 概 述, 最 后 对 微 藻 生 物 技 术 的 发 展 趋 势 予 以 展 望 关 键 词 : 微 藻, 生 物 技 术, 微 藻 能 源, 微 藻 固 碳, 废 水 处 理, 发 展 趋 势 Trends of microalgal biotechnology: a view from bibliometrics Xiaoqiu Yang 1, Yinsong Wu 2, Jinding Yan 1, Haigang Song 1, Jianhua Fan 2, and Yuanguang Li 2 1 Basic Research Management Center, Ministry of Science and Technology, Beijing , China 2 State Key Laboratory of Bioreactor Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai , China Abstract: Microalgae is a single-cell organism with the characteristics of high light energy utilization rate, fast growth rate, high-value bioactive components and high energy material content. Therefore, microalgae has broad application prospects in food, feed, bioenergy, carbon sequestration, wastewater treatment and other fields. In this article, the microalgae biotechnology development in recent years were fully consulted, through analysis from the literature and patent. The progress of microalgal biotechnology at home and abroad is compared and discussed. Furthermore, the project layout, important achievements and development bottlenecks of microalgae biotechnology in our country were also summarized. At last, future development directions of microalgae biotechnology were discussed. Received: July 6, 2015; Accepted: September 6, 2015 Corresponding author: Yuanguang Li. Tel/Fax: ; [email protected]

2 1416 ISSN CN /Q Chin J Biotech October 25, 2015 Vol.31 No.10 Keywords: microalgae, biotechnology, microalgae energy, microalgae carbon biofixation, wastewater treatment, development tendency 微 藻 是 一 类 介 于 微 生 物 与 高 等 植 物 细 胞 之 间 的 单 细 胞 生 物, 可 以 进 行 光 合 作 用, 能 有 效 利 用 太 阳 能 将 水 CO 2 和 无 机 盐 转 化 为 有 机 物 [1] 微 藻 具 有 对 光 能 的 利 用 率 高 生 长 速 度 快 对 生 长 环 境 要 求 低 及 储 能 物 质 ( 油 脂 烃 ) 含 量 高 等 优 点, 被 公 认 为 最 具 发 展 潜 力 的 第 三 代 生 物 能 源 原 料 [2-3] 此 外, 微 藻 的 固 碳 效 率 是 植 物 的 10 倍 以 上, 可 解 决 CO 2 的 点 源 排 放 问 题, 是 国 内 外 生 物 固 碳 之 首 选 [4-5] ; 微 藻 生 长 过 程 需 要 大 量 的 N/P 等 营 养, 是 净 化 富 含 N/P 废 水 的 有 效 途 径 [6-7] ; 除 储 能 物 质 外, 微 藻 还 含 有 大 量 蛋 白 质 多 糖 色 素 多 不 饱 和 脂 肪 酸 等 生 物 活 性 成 分, 其 应 用 面 广 价 值 高 [8] 微 藻 生 长 所 需 要 的 阳 光 取 之 不 竭, 所 需 碳 源 正 是 人 类 亟 待 大 量 固 定 的 CO 2, 所 需 营 养 正 是 造 成 我 国 水 体 大 面 积 富 营 养 化 的 N/P, 而 利 用 微 藻 为 原 料 加 工 而 成 的 能 源 水 产 饵 料 及 饲 料 添 加 剂 营 养 补 充 剂 及 新 资 源 食 品 等 大 健 康 产 业 产 品 的 市 场 需 求 量 极 大 由 此 可 见, 微 藻 培 养 所 用 原 料 来 源 极 其 丰 富 且 多 为 严 重 污 染 环 境 的 废 物, 量 大 面 广, 而 微 藻 产 品 的 市 场 需 求 量 也 极 其 巨 大, 二 者 之 间 正 好 可 以 匹 配, 因 此 微 藻 生 物 技 术 这 一 战 略 性 新 兴 产 业 可 以 被 培 育 为 一 个 应 用 面 很 广 的 大 产 业, 其 发 展 趋 势 非 常 值 得 探 究 [9] 自 然 界 中 微 藻 的 种 类 数 以 万 计, 形 态 各 异, 细 胞 生 长 迅 速, 并 能 够 适 应 不 同 的 光 强 温 度 湿 度 和 营 养 生 境, 是 人 类 尚 未 充 分 开 发 利 用 的 重 要 生 物 资 源 但 是, 迄 今 为 止, 仅 有 少 数 几 种 微 藻 ( 如 螺 旋 藻 小 球 藻 盐 藻 及 雨 生 红 球 藻 等 ) 实 现 产 业 化 [10-12], 而 且 整 体 产 业 规 模 仍 然 较 小 [13], 全 球 微 藻 藻 粉 的 年 产 量 约 为 数 万 吨, 远 远 没 有 发 挥 微 藻 资 源 的 开 发 价 值 [14] 微 藻 生 物 技 术 是 以 微 藻 生 物 学 为 基 础, 利 用 生 物 学 和 工 程 学 原 理, 研 究 微 藻 藻 种 选 育 细 胞 培 养 及 其 装 备 采 收 及 水 的 循 环 利 用 与 处 理 藻 细 胞 的 深 加 工 及 其 应 用 等 的 生 物 技 术 我 国 微 藻 生 物 学 研 究 自 20 世 纪 50 年 代 开 始, 近 年 来 得 到 了 迅 猛 的 发 展 本 文 首 次 对 近 9 年 来 国 内 外 已 发 表 的 有 关 微 藻 方 面 的 论 文 及 专 利 进 行 系 统 梳 理 与 分 析, 藉 此 来 探 究 微 藻 生 物 技 术 的 发 展 趋 势, 为 该 领 域 的 科 技 工 作 者 的 研 究 方 向 把 握 及 相 关 政 府 部 门 的 决 策 提 供 参 考 1 论 文 数 据 来 源 及 分 析 本 文 以 Web of Science 的 SCI-Expanded 数 据 库 为 数 据 源 进 行 检 索, 选 择 主 题 词 为 microalgae, 时 间 跨 度 为 2006 年 1 月 1 日 至 2014 年 12 月 31 日 检 索 时 间 :2015 年 4 月 10 日 检 索 微 藻 主 题 词 的 相 关 研 究 文 献, 共 检 索 到 篇 文 献 主 要 从 以 下 几 个 方 面 予 以 分 析 1.1 年 度 分 布 分 析 年, 微 藻 相 关 研 究 论 文 发 表 量 总 体 呈 现 上 升 趋 势, 尤 其 是 年 增 长 显 著 ( 表 1, 图 1), 年 增 长 率 均 超 过 25% 2014 年 微 藻 领 域 相 关 研 究 论 文 发 表 量 较 2013 年 增 长 了 11%, 截 止 至 本 文 检 索 时 间, 数 据 库 中 2014 年 研 究 论 文 数 据 仍 在 持 续 更 新, 论 文 数 量 增 长 率 仍 有 可 能 进 一 步 提 高

3 杨 晓 秋 等 / 基 于 文 献 计 量 学 的 微 藻 生 物 技 术 发 展 趋 势 国 家 或 地 区 分 布 分 析 年 期 间, 共 有 超 过 100 个 国 家 或 地 区 发 表 了 有 关 微 藻 方 面 研 究 的 论 文, 其 中 有 24 个 国 家 或 地 区 发 文 量 超 过 100 篇 美 国 发 表 了 篇 论 文, 占 总 发 文 量 的 近 20%, 排 名 位 居 第 一 紧 随 其 后 的 依 次 是 中 国 西 班 牙 法 国 澳 大 利 亚 从 论 文 的 平 均 被 引 频 次 来 看, 发 文 量 前 十 的 国 家 中, 德 国 最 高, 平 均 被 引 频 次 为 次, 其 次 为 美 国 和 澳 大 利 亚, 平 均 被 引 频 次 超 过 15 次 中 国 韩 国 和 日 本 的 论 文 平 均 被 引 频 次 相 对 较 低, 说 明 我 国 微 藻 领 域 发 表 论 文 的 质 量 还 有 待 提 高 2011 年 以 来 我 国 在 微 藻 领 域 的 发 文 量 增 长 迅 速, 发 文 量 仅 次 于 美 国, 远 远 高 于 其 他 国 家 或 地 区 ( 图 2), 这 与 近 年 来 中 美 等 国 家 在 微 藻 生 物 技 术 领 域 的 大 量 投 入 是 密 不 可 分 的 1.3 主 要 研 究 机 构 分 布 分 析 发 表 论 文 的 主 要 研 究 机 构 结 果 表 明, 发 文 量 大 于 100 篇 的 共 有 6 个 机 构, 由 高 到 低 依 次 是 法 国 科 学 研 究 中 心 中 国 科 学 院 法 国 发 展 研 究 所 美 国 加 州 大 学 西 班 牙 国 家 科 学 研 究 理 事 会 和 美 国 能 源 部 其 中, 法 国 科 学 研 究 中 心 发 表 论 文 数 量 最 多, 为 316 篇 ; 美 国 能 源 部 论 文 平 均 被 引 频 次 最 高, 为 表 1 SCI-Expanded 数 据 库 检 索 到 的 每 年 以 microalgae 为 主 题 词 的 论 文 数 量 Table 1 The annual quantity of published papers searched from SCI-Expanded database with the topic word microalgae Years Quantity of published papers 图 1 SCI-Expanded 数 据 库 检 索 到 的 以 microalgae 为 主 题 词 的 论 文 数 量 及 年 增 长 率 变 化 Fig. 1 The annual quantity and growth rate of published papers searched from SCI-Expanded database with the topic word microalgae. [email protected]

4 1418 ISSN CN /Q Chin J Biotech October 25, 2015 Vol.31 No.10 表 年 微 藻 领 域 研 究 发 文 量 位 居 前 20 位 的 国 家 或 地 区 Table 2 The published papers information of top 20 counties/regions in No. Country/region Published papers Proportion in total published papers (%) Total number of Average number of 1 USA China Spain France Australian Germany South Korea Indian Japan Italy Brazil UK Canada Portugal Netherlands Mexico Taiwan, China Belgium Malaysia Turkey H-index 图 年 主 要 国 家 或 地 区 微 藻 领 域 论 文 发 表 情 况 Fig. 2 Annual quantity of published papers of main counties/regions in

5 杨 晓 秋 等 / 基 于 文 献 计 量 学 的 微 藻 生 物 技 术 发 展 趋 势 1419 表 年 微 藻 领 域 研 究 发 文 量 位 居 前 10 位 的 机 构 Table 3 Top 10 microalgae research institution in published papers quantity in No. Research institution Quantity of published papers Total number of Average number of 1 Centre National de la Recherche Scientifique Chinese Academy of Sciences Institut De Recherche Pour Le Developpement (Ird) H-index University of California System Consejo Superior de Investigaciones Cientificas (CSIC) United States Department of Energy (DOE) Ifremer Wageningen University Research Center Russian Academy of Sciences University of Nantes Angers Le Mans 表 年 微 藻 领 域 研 究 发 文 量 位 居 前 10 位 的 国 内 机 构 Table 4 Top 10 domestic microalgae research institutions in published papers quantity in No. Research institution Quantity of published papers Total number of Average number of 1 Chinese Academy of Sciences Ocean University of China H-index 3 University of Chinese academy of sciences Zhejiang University Tsinghua University Jinan University South China University of Technology Xiamen University University of Hong Kong Chinese Academy of Fishery Sciences 中 国 科 学 院 发 表 论 文 301 篇, 仅 次 于 法 国 科 学 研 究 中 心, 位 居 第 二 中 国 科 学 院 包 括 的 研 究 单 位 较 多, 主 要 有 青 岛 生 物 能 源 与 过 程 研 究 所 海 洋 研 究 所 大 连 化 学 物 理 研 究 所 武 汉 水 生 生 物 研 究 所 广 州 能 源 研 究 所 等 多 个 机 构, 但 论 文 的 平 均 被 引 频 次 和 H- 指 数 在 前 6 位 机 构 中 均 最 低 国 内 机 构 中, 在 微 藻 领 域 发 文 量 较 多 的 有 中 国 科 学 院 ( 含 中 国 科 学 院 大 学 ) 中 国 海 洋 大 学 浙 江 大 学 清 华 大 学 暨 南 大 学 和 香 港 大 学 等 其 中, 文 章 平 均 引 用 频 次 最 高 的 是 香 港 大 学 [email protected]

6 1420 ISSN CN /Q Chin J Biotech October 25, 2015 Vol.31 No 主 要 研 究 方 向 年 微 藻 领 域 相 关 论 文 的 研 究 方 向 主 要 集 中 在 生 物 技 术 和 应 用 微 生 物 学 (Biotechnology & Applied Microbiology) 水 生 生 物 学 (Marine & Freshwater Biology) 能 源 与 燃 料 (Energy & Fuels) 环 境 科 学 与 生 态 学 (Environmental Science & Ecology) 以 及 农 学 (Agriculture) 等 ( 表 5) 分 析 年 微 藻 生 物 技 术 领 域 各 研 究 方 向 每 年 论 文 发 表 情 况, 发 现 生 物 技 术 和 应 用 微 生 物 学 能 源 与 燃 料 环 境 科 学 与 生 态 学 以 及 农 学 4 个 研 究 方 向 增 长 十 分 明 显 ( 图 3) 尤 其 是 能 源 与 燃 料 研 究 方 向,2006 年 仅 发 表 6 篇 论 文, 到 2014 年 则 增 长 到 452 篇, 这 也 说 明 了 近 年 来 微 藻 能 源 的 开 发 已 逐 渐 成 为 全 球 的 研 究 热 点 表 年 微 藻 领 域 主 要 研 究 方 向 研 究 论 文 分 布 情 况 Table 5 The distribution of microalgae research papers in main research direction in No. Main research direction Numbers of published papers Proportion in total published papers (%) 1 Biotechnology & Applied Microbiology Marine & Freshwater Biology Energy & Fuels Environmental Science & Ecology Agriculture Engineering Chemistry Plant Sciences Biochemistry & Molecular Biology Oceanography 图 年 微 藻 领 域 主 要 研 究 方 向 发 表 论 文 的 时 间 分 布 Fig. 3 Distribution of microalgae research papers in time in

7 杨 晓 秋 等 / 基 于 文 献 计 量 学 的 微 藻 生 物 技 术 发 展 趋 势 高 频 文 章 分 析 通 过 对 年 微 藻 领 域 相 关 论 文 的 研 究 发 现, 论 文 总 引 用 次 数 超 过 200 次 的 有 15 篇, 其 中 Rodolfi 等 2009 年 在 Biotechnology and Bioengineering 上 发 表 的 论 文 Microalgae for oil: strain selection, induction of lipid synthesis and outdoor mass cultivation in a low-cost photobioreactor [31] 的 引 用 总 次 数 及 年 平 均 引 用 次 数 均 最 高 ( 表 6) 在 引 用 次 数 前 20 篇 的 研 究 论 文 中, 有 18 篇 论 文 与 微 藻 能 源 相 关, 研 究 内 容 包 括 高 产 油 藻 种 的 筛 选 微 藻 培 养 油 脂 提 取 全 生 命 周 期 分 析 及 油 脂 代 谢 调 控 等 ( 表 6) 由 此 可 见, 微 藻 能 源 是 近 年 来 微 藻 生 物 技 术 领 域 中 的 研 究 热 点 表 年 微 藻 生 物 技 术 领 域 引 用 次 数 前 20 的 研 究 论 文 Table 6 The information of top 20 microalgae research papers in in No. Title of research papers References Journal name Year Total number of Annual on average Microalgae for oil: strain selection, 1 induction of lipid synthesis and outdoor Biotechnology and [31] mass cultivation in a low-cost Bioengineering photobioreactor Second generation biofuels: 2 high-efficiency microalgae for biodiesel [32] Bioenergy Research production 3 Life-cycle assessment of biodiesel Environmental Science [33] 2009 production from microalgae & Technology Microalgae as a raw material for biofuels production Lipid productivity as a key characteristic for choosing algal species for biodiesel production Environmental life cycle comparison of algae to other bioenergy feedstocks Toxicity of nanoparticles of CuO, ZnO and TiO 2 to microalgae Pseudokirchneriella subcapitata [34] [35] [36] [37] Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology Journal of Applied Phycology Environmental Science & Technology Science of the Total Environment Biofuels from microalgae [38] Biotechnology Progress Effects of nitrogen sources on cell growth and lipid Effect of temperature and nitrogen concentration on the growth and lipid content of Nannochloropsis oculata and Chlorella vulgaris for biodiesel production Biodiesel production by microalgal biotechnology [39] [40] Applied Microbiology and Biotechnology Chemical Engineering and Processing [41] Applied Energy [email protected]

8 1422 ISSN CN /Q Chin J Biotech October 25, 2015 Vol.31 No Effect of iron on growth and lipid accumulation in Chlorella A high throughput Nile red method for quantitative measurement of neutral lipids in microalgae Biosorption of lead from aqueous solutions by green algae Spirogyra species: Kinetics and equilibrium studies The potential of sustainable algal biofuel production using wastewater resource Biomass and lipid productivities of Chlorella vulgaris under autotrophic, heterotrophic and mixotrophic growth conditions Comparison of several methods for effective lipid extraction from microalgae Lipid accumulation and CO(2) utilization of Nannochloropsis oculata in response to CO(2) aeration Micro and macroalgal biomass: A renewable source for bioethanol The promise and challenges of microalgal-derived biofuels [42] [43] [44] [45] Bioresource Technology Microbiological Methods Journal of Hazardous Materials Bioresource Technology [46] Biotechnology Letters [47] [48] [49] [50] Bioresource Technology Bioresource Technology Bioresource Technology Biofuels Bioproducts & Biorefining-biofpr 续 表 6 2 专 利 数 据 来 源 及 其 分 析 德 温 特 创 新 索 引 (Derwent innovations index, 缩 写 为 DII) 是 世 界 上 最 全 面 的 国 际 专 利 信 息 数 据 库, 收 录 来 自 全 球 40 多 个 专 利 机 构 ( 涵 盖 100 多 个 国 家 ) 的 多 万 条 基 本 发 明 专 利 采 用 德 温 特 创 新 索 引 数 据 库, 以 microalgae 为 主 题 词 进 行 检 索, 检 索 时 间 段 为 年 检 索 时 间 2015 年 4 月 10 日, 共 检 索 到 个 专 利 族 其 中, 有 条 专 利 公 开 年 为 年 2.1 专 利 公 开 年 分 布 从 专 利 的 公 开 年 份 数 据 来 看, 近 年 来 微 藻 领 域 相 关 专 利 数 量 增 长 较 快 ( 图 4) 考 虑 到 专 利 公 开 有 一 定 的 滞 后,2014 年 微 藻 相 关 专 利 数 量 仍 会 有 大 幅 增 加 图 年 微 藻 生 物 技 术 相 关 专 利 公 开 年 分 布 Fig. 4 Distribution of microalgae biotechnology patents in year in 专 利 优 先 权 国 家 及 地 区 分 布 分 析 年 微 藻 领 域 相 关 专 利 的 优 先 权 国 家 或 地 区 分 布 ( 图 5), 中 国 专 利 数 量 最 多 为 项, 紧 随 其 后 的 是 韩 国 (468 项 ) 美

9 杨 晓 秋 等 / 基 于 文 献 计 量 学 的 微 藻 生 物 技 术 发 展 趋 势 1423 国 (445 项 ) 仅 中 美 韩 三 国 的 专 利 就 占 总 专 利 数 的 67%, 说 明 微 藻 生 物 技 术 的 开 发 和 知 识 产 权 保 护 在 这 3 个 国 家 较 为 重 视 2009 年 以 来, 我 国 微 藻 领 域 相 关 专 利 增 长 迅 速, 远 远 超 过 其 他 国 家 ( 图 6), 表 明 近 年 来 微 藻 相 关 产 品 及 技 术 开 发 在 我 国 企 业 界 和 学 术 界 受 到 重 视, 预 计 未 来 会 有 很 广 阔 的 市 场 开 发 前 景 2.3 专 利 分 类 代 码 分 布 年 微 藻 领 域 相 关 专 利 的 德 温 特 手 工 代 码 主 要 集 中 在 B04-F08A ( 藻 类 ) D05-A03 ( 发 酵 装 置 ) D05-H08 ( 细 胞 及 组 织 培 养 ) 和 D05-H02 ( 培 养 装 置 ) ( 表 7), 这 些 专 利 主 要 涵 盖 藻 种 培 养 工 艺 及 生 物 反 应 器 相 关 技 术, 说 明 开 发 高 效 的 培 养 工 艺 和 生 物 反 应 器 装 置 所 涉 及 的 相 关 技 术 均 是 目 前 微 藻 领 域 的 研 究 热 点 图 年 微 藻 生 物 技 术 相 关 专 利 优 先 权 国 家 及 地 区 分 布 Fig. 5 Distribution of patents in countries or regions in 图 年 主 要 国 家 微 藻 相 关 专 利 公 开 年 分 布 Fig. 6 Distribution of patents of main countries or regions in [email protected]

10 1424 ISSN CN /Q Chin J Biotech October 25, 2015 Vol.31 No.10 表 年 微 藻 相 关 专 利 德 温 特 手 工 代 码 分 布 Table 7 Distribution of microalgae biotechnology patents in Derwent Manual Code Derwent manual code Fields of technology Quantity of patent family Proportion in total patent families (%) B04-F08A Algae D05-A03 Fermentation apparatus [general] D05-H08 Cell or tissue culture D05-H02 Culture apparatus A12-W11L (Immobilised) enzymes or microorganisms, microbiology (polymer use) D05-C Chemicals by fermentation (biosynthesis) [others; general.] B11-C06 Containers, packing, preserving apparatus, storage tanks, transporting apparatus [general] B11-A04 Fermentation apparatus 主 要 技 术 的 文 献 及 专 利 分 析 3.1 研 究 的 主 要 微 藻 种 类 分 布 对 近 年 来 藻 类 生 物 技 术 研 究 领 域 涉 及 的 主 要 微 藻 种 类 进 行 检 索, 在 检 索 的 7 种 微 藻 种 类 中, 与 小 球 藻 Chlorella 相 关 的 论 文 数 量 最 多, 达 篇, 远 高 于 其 他 藻 类 ( 表 8) 同 时, 与 Chlorella 相 关 研 究 论 文 数 量 呈 逐 年 增 加 ( 图 7), 研 究 方 向 主 要 集 中 在 生 物 技 术 和 应 用 微 生 物 学 (Biotechnology & Applied Microbiology) 能 源 与 燃 料 (Energy & Fuels) 农 业 (Agriculture) 工 程 学 (Engineering) 以 及 环 境 科 学 与 生 态 学 (Environmental Science & Ecology) 等 几 个 方 向 年 衣 藻 Chlamydomonas 微 拟 球 藻 Nannochloropsis 三 角 褐 指 藻 Phaeodactylum 和 雨 生 红 球 藻 Haematococcus 相 关 研 究 论 文 数 量 均 呈 逐 年 上 升 趋 势, 但 螺 旋 藻 Spirulina 和 杜 氏 藻 Dunaliella 相 关 研 究 论 文 的 发 表 数 量 在 2014 年 有 所 下 降 由 此 可 见,Chlorella 是 目 前 微 藻 生 物 技 术 研 究 中 最 为 广 泛 的 微 藻 种 类 表 年 微 藻 生 物 技 术 领 域 主 要 微 藻 种 类 发 表 论 文 情 况 Table 8 Distribution of published papers in main microalgae species in No. Topic words Quantity of published papers Total number of Average number of H-index 1 Microalgae & Chlorella Microalgae & Chlamydomonas Microalgae & Nannochloropsis Microalgae & Dunaliella Microalgae & Spirulina Microalgae & Phaeodactylum Microalgae & Haematococcus

11 杨 晓 秋 等 / 基 于 文 献 计 量 学 的 微 藻 生 物 技 术 发 展 趋 势 1425 域 涉 及 的 主 要 技 术 进 行 了 检 索, 包 括 藻 种 选 育 培 养 技 术 光 生 物 反 应 器 采 收 技 术 加 工 技 术 及 分 子 生 物 学 技 术 等 6 个 方 面 其 中 微 藻 培 养 技 术 相 关 研 究 论 文 数 量 最 多, 达 篇, 其 次 是 藻 种 ( 藻 株 ) 选 育 和 微 藻 加 工 技 术 ( 包 括 能 源 食 品 饲 料 加 工 技 术 等 ), 分 别 为 篇 和 篇 论 文 数 量 较 少 的 依 次 是 微 藻 采 收 图 年 小 球 藻 相 关 研 究 论 文 发 表 的 时 间 分 布 Fig. 7 Distribution of published Chlorella research papers in 在 年 微 藻 生 物 技 术 领 域 相 关 专 利 中, 对 7 种 主 要 微 藻 种 类 进 行 检 索 ( 表 9), 结 果 显 示 小 球 藻 Chlorella 相 关 专 利 数 量 最 多, 其 次 是 螺 旋 藻 Spirulina 和 杜 氏 藻 Dunaliella, 这 3 种 藻 均 是 目 前 已 经 实 现 大 规 模 产 业 化 的 主 要 藻 种 有 174 个 专 利 族, 包 括 358 项 公 开 专 利 与 小 球 藻 Chlorella 相 关, 远 高 于 其 他 藻 种, 说 明 小 球 藻 Chlorella 是 目 前 微 藻 生 物 技 术 研 发 及 产 业 化 中 涉 及 最 多 的 藻 种, 这 与 研 究 论 文 分 析 的 结 果 相 一 致 3.2 微 藻 研 究 涉 及 主 要 技 术 方 向 的 分 布 对 SCI-Expanded 数 据 库 中 近 年 来 藻 类 领 技 术 微 藻 分 子 生 物 学 技 术 及 光 生 物 反 应 器 3 个 研 究 方 向 ( 表 10), 论 文 数 量 分 别 为 521 篇 616 篇 和 781 篇 不 同 技 术 研 究 情 况 仍 存 在 一 些 差 距, 这 与 各 技 术 所 在 领 域 的 发 展 现 状 和 研 究 难 度 密 切 相 关 比 较 6 个 主 要 技 术 方 向 研 究 论 文 逐 年 的 发 表 情 况, 增 长 最 快 的 为 微 藻 采 收 技 术, 由 2006 年 的 5 篇, 增 长 到 2014 年 的 159 篇 此 外, 增 长 较 快 的 还 有 光 生 物 反 应 器 及 微 藻 加 工 技 术 相 关 研 究 论 文, 这 些 技 术 早 期 研 究 较 少, 研 究 基 础 较 差, 随 着 近 年 来 微 藻 能 源 和 微 藻 固 碳 等 战 略 性 新 兴 产 业 的 发 展 才 逐 渐 引 起 人 们 的 重 视, 进 而 成 为 全 球 的 研 究 热 点 ( 图 8) 中 美 目 前 是 微 藻 生 物 技 术 研 究 最 主 要 的 两 个 国 家, 比 较 两 国 在 6 个 主 要 技 术 研 究 方 向 的 论 文 发 表 情 况, 我 国 在 微 藻 采 收 及 加 工 技 术 上 表 年 微 藻 生 物 技 术 相 关 专 利 涉 及 主 要 藻 种 分 布 Table 9 Distribution of patents in main microalgae species in No. Microalgae species Topic keywords Numbers of patent families Numbers of patents 1 Chlorella Microalgae & Chlorella Spirulina Microalgae & Spirulina Dunaliella Microalgae & Dunaliella Nannochloropsis Microalgae & Nannochloropsis Chlamydomonas Microalgae & Chlamydomonas Haematococcus Microalgae & Haematococcus Phaeodactylum Microalgae & Phaeodactylum [email protected]

12 1426 ISSN CN /Q Chin J Biotech October 25, 2015 Vol.31 No.10 表 年 微 藻 领 域 研 究 论 文 主 要 研 究 方 向 分 布 情 况 Table 10 Distribution of published papers in main research directions in Research direction Microalgae strain selection Microalgae cultivation Microalgae collection Photobioreactor Microalgae processing Molecular biological technology Topic words Quantity of published papers Total number of Average number of H-index Microalgae and strains or species Microalgae and culture or cultivation or phototrophic or heterotrophic or mixtrophic Microalgae and harvest Microalgae and bioreactor or photobioreactor Microalgae and biodiesel processing or bioenergy processing feed processing or food processing or oil extraction or extraction Microalgae and gene or genetic or molecular biology or transgenosis 图 年 每 年 主 要 微 藻 技 术 方 向 研 究 论 文 发 表 情 况 Fig. 8 Annual quantity of published papers of main research directions in 的 研 究 与 美 国 差 距 较 大, 发 文 量 不 及 美 国 的 50% 但 是 我 国 在 微 藻 培 养 方 面 的 研 究 发 文 量 已 与 美 国 接 近, 这 与 我 国 微 藻 养 殖 行 业 发 展 较 早 产 品 已 广 泛 用 于 食 品 及 水 产 养 殖 等 行 业 微 藻 产 业 规 模 较 大 微 藻 培 养 技 术 研 究 较 早 等 因 素 有 关 对 德 温 特 创 新 索 引 中 6 个 主 要 技 术 方 向 相

13 杨 晓 秋 等 / 基 于 文 献 计 量 学 的 微 藻 生 物 技 术 发 展 趋 势 1427 关 的 专 利 进 行 检 索, 发 现 与 微 藻 培 养 技 术 相 关 的 专 利 最 多, 共 检 索 到 985 个 专 利 族, 远 高 于 其 他 技 术 其 次 是 光 生 物 反 应 器, 有 336 个 专 利 族 ( 图 9) 微 藻 高 效 培 养 工 艺 及 光 生 物 反 应 器 是 微 藻 培 养 的 核 心 技 术, 是 微 藻 生 物 技 术 产 业 化 过 程 中 最 关 键 的 环 节 3.3 微 藻 能 源 固 碳 及 废 水 处 理 研 究 的 分 布 近 年 来 由 于 全 球 能 源 及 环 境 问 题 的 日 益 严 重, 微 藻 能 源 微 藻 固 碳 及 废 水 处 理 成 为 了 微 藻 生 物 技 术 领 域 主 要 的 研 究 热 点 [15-16] 对 SCI-Expanded 数 据 库 中 近 年 来 微 藻 能 源 微 藻 固 碳 及 污 水 处 理 相 关 的 文 献 进 行 了 检 索 ( 表 11), 其 发 表 量 逐 年 递 增, 其 中, 微 藻 能 源 发 展 最 快 ( 图 10) 从 发 文 量 看, 中 美 在 微 藻 能 源 固 碳 及 污 水 处 理 3 个 研 究 方 向 较 其 他 国 家 和 地 区 均 处 于 领 先 地 位 但 无 论 是 发 文 量 还 是 论 文 的 影 响 力 我 国 与 美 国 仍 存 在 一 定 的 差 距 ( 表 12), 其 中 最 突 出 的 是 微 藻 固 碳 研 究 方 向, 发 文 量 仅 为 美 国 的 59.82%, 论 文 平 均 引 用 频 率 仅 为 美 国 的 39.71% 目 前, 中 国 科 学 院 在 微 藻 能 源 固 碳 及 污 水 处 理 3 个 方 向 研 究 论 文 的 发 表 量 均 高 于 国 内 外 其 他 研 究 机 构, 但 文 章 的 平 均 引 用 频 次 及 H- 指 数 与 国 际 上 其 他 研 究 机 构 还 有 差 距 ( 表 13) 微 藻 能 源 方 面, 发 文 量 前 五 位 的 机 构 中, 美 国 能 源 部 发 表 的 研 究 论 文 平 均 引 用 频 次 最 高, 得 益 于 美 国 能 源 部 在 微 藻 能 源 研 究 方 面 的 重 视 和 图 年 主 要 微 藻 技 术 方 向 的 专 利 分 布 Fig. 9 Distribution of patents in main microalgae technical direction in 表 11 微 藻 能 源 微 藻 固 碳 及 微 藻 污 水 处 理 相 关 的 文 献 检 索 关 键 词 Table 11 Topic words of microalgae energy, microalgae CO 2 fixation and microalgae wastewater treatment Research direction Microalgae energy Microalgae CO 2 fixation Microalgae wastewater treatment Topic words Microalgae and triacylglycerol or fuel or bioenergy or biofuel or biohydrogen or biodiesel or bioethanol or biohydrocarbon Microalgae and flue gas or carbon or CO 2 or carbon dioxide and sequestration or consolidation or fixation or conversion Microalgae and sewage or waste water or wastewater or waste or runoff or effluent and treat or treatment or disposal or purification [email protected]

14 1428 ISSN CN /Q Chin J Biotech October 25, 2015 Vol.31 No.10 藻 污 水 处 理 领 域, 我 国 已 成 为 最 大 的 专 利 国, 均 占 相 关 技 术 研 究 领 域 专 利 总 数 的 37% 左 右 ( 图 12) 4 微 藻 生 物 技 术 发 展 趋 势 分 析 通 过 对 年 微 藻 生 物 技 术 研 究 论 文 和 专 利 数 量 的 统 计 和 分 析, 可 以 看 出, 当 前 图 年 微 藻 能 源 微 藻 固 碳 及 废 水 处 理 研 究 相 关 论 文 发 表 的 时 间 分 布 Fig. 10 Distribution of microalgae energy, microalgae CO 2 fixation and microalgae wastewater treatment research papers in 支 持, 以 及 美 国 国 内 很 多 研 究 机 构 的 参 与 微 藻 固 碳 方 面, 西 班 牙 国 家 科 学 研 究 理 事 会 所 发 表 研 究 论 文 的 平 均 引 用 频 次 最 高, 达 37.27; 其 次 是 美 国 加 州 大 学, 平 均 引 用 频 次 为 微 藻 污 水 处 理 方 面, 美 国 明 尼 苏 达 州 大 学 所 发 表 论 文 的 质 量 较 高, 平 均 引 用 频 次 对 德 温 特 创 新 索 引 中 微 藻 能 源 微 藻 固 碳 及 污 水 处 理 相 关 的 专 利 进 行 检 索, 发 现 近 年 来 3 个 领 域 的 专 利 公 开 数 均 有 较 大 增 长 ( 图 11) 中 美 两 国 是 主 要 的 专 利 授 权 国, 在 微 藻 固 碳 及 微 微 藻 生 物 技 术 已 步 入 快 速 发 展 阶 段, 除 了 把 微 藻 开 发 成 传 统 意 义 上 的 新 食 品 原 料 功 能 食 品 外, 随 着 新 能 源 碳 减 排 和 环 保 等 方 面 的 迫 切 需 要, 微 藻 在 生 物 能 源 生 物 固 碳 富 含 N/P 废 水 动 物 饲 料 及 食 品 等 行 业 具 有 广 阔 的 应 用 前 景 [17] 尤 其 是 在 生 物 能 源 与 固 碳 减 排 方 面, 微 藻 具 有 无 可 比 拟 的 独 特 优 势 [18-19] 与 其 他 能 源 特 别 是 生 物 质 能 源 相 比, 微 藻 能 源 的 生 物 质 来 源 不 具 有 既 得 性 ( 其 他 能 源 的 原 料 可 由 其 他 领 域 提 供, 如 纤 维 素 乙 醇 的 原 料 由 农 业 部 门 提 供 [20] ), 微 藻 能 源 加 工 所 用 的 原 料 能 源 微 藻 细 胞 必 须 自 行 利 用 阳 光 碳 源 及 N/P 等 培 养 而 获 得 ; 此 外, 能 源 微 藻 是 从 悬 浮 于 低 密 度 大 体 积 的 水 相 状 态 中 采 收 而 获 得 且 水 含 量 很 高 [21], 这 与 能 源 作 物 及 其 他 能 源 原 料 完 全 不 同 再 者, 表 年 中 美 微 藻 能 源 微 藻 固 碳 及 废 水 处 理 相 关 研 究 论 文 发 表 情 况 比 较 Table 12 Microalgae energy, microalgae CO 2 fixation and microalgae wastewater treatment research papers of China and USA in Research direction Countries Numbers of published papers Proportion in total published paper (%) Total number of Average number of H-index Microalgae energy Microalgae CO 2 fixation Microalgae wastewater treatment USA China USA China USA China

15 杨 晓 秋 等 / 基 于 文 献 计 量 学 的 微 藻 生 物 技 术 发 展 趋 势 1429 表 年 微 藻 能 源 微 藻 固 碳 及 污 水 处 理 发 文 量 位 居 前 五 位 的 机 构 Table 13 Top 5 microalgae research institution in published microalgae energy, microalgae CO 2 fixation and microalgae wastewater treatment research papers quantity in Research direction Microalgae energy No. Research institution Quantity of published papers Total number of Average number of 1 Chinese Academy of Sciences United States Department of Energy DOE H-index University of California System Korea Advanced Institute of Science Technology KAIST National Cheng Kung University Chinese Academy of Sciences Microalgae CO 2 fixation Microalgae wastewater treatment 2 National Cheng Kung University Centre National de la Recherche Scientifique CNRS Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC University of California System Chinese Academy of Sciences Centre National de la Recherche Scientifique CNRS University of Minnesota University of California System Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC 图 年 微 藻 能 源 微 藻 固 碳 及 废 水 处 理 技 术 相 关 专 利 公 开 的 时 间 分 布 Fig. 11 Distribution of microalgae energy, microalgae CO 2 fixation and microalgae wastewater treatment technology patents in 利 用 高 效 的 光 合 作 用 所 获 得 的 微 藻, 其 细 胞 的 化 学 组 分 非 常 复 杂 ( 大 规 模 光 自 养 培 养 的 微 藻 细 胞 中 油 脂 或 烃 类 含 量 一 般 不 超 过 40%, 其 余 为 蛋 白 质 多 糖 及 色 素 等 生 物 活 性 物 质 ), 这 既 为 人 类 提 供 了 多 种 营 养 物 质 和 储 能 物 质, 也 对 从 微 藻 细 胞 中 同 时 分 离 提 取 营 养 物 质 和 储 能 物 质 的 技 术 提 出 了 挑 战, 因 此 微 藻 能 源 的 生 产 过 程, 必 然 伴 随 着 大 量 基 于 营 养 及 生 物 活 性 的 生 物 制 品 的 生 产, 这 两 类 产 品 的 耦 合 是 国 内 外 微 藻 生 物 技 术 产 业 化 发 展 的 必 经 之 路 [22-23] 当 前 国 际 微 藻 生 物 技 术 产 业 化 发 展 势 头 迅 [email protected]

16 1430 ISSN CN /Q Chin J Biotech October 25, 2015 Vol.31 No.10 猛, 以 微 藻 能 源 ( 固 碳 ) 为 例, 多 数 微 藻 能 源 公 司 和 研 究 机 构 纷 纷 转 向 开 发 耦 合 微 藻 能 源 碳 减 排 废 水 资 源 化 利 用 高 附 加 值 产 品 开 发 的 一 体 化 技 术, 在 追 求 高 产 的 同 时 均 采 用 了 多 联 产 策 略 以 缓 解 成 本 压 力, 并 大 力 推 进 成 果 转 化, 开 展 工 程 示 范 随 着 碳 减 排 的 迫 切 需 要, 微 藻 固 碳 技 术 将 得 到 各 界 的 纷 纷 关 注 例 如 美 国 政 府 将 发 布 由 美 国 环 境 保 护 署 拟 定 的 清 洁 能 源 计 划 [24], 阐 明 了 针 对 美 国 发 电 厂 的 环 保 条 例 及 法 规, 限 制 美 国 发 电 厂 的 碳 排 放 量, 并 要 求 到 2030 年 美 国 所 有 发 电 厂 的 碳 排 放 量 减 少 30%, 相 当 于 该 国 每 年 超 过 一 半 家 庭 的 碳 排 放 量, 这 一 法 规 的 出 台, 无 疑 将 推 动 微 藻 固 碳 技 术 的 发 展 和 应 用 此 外,2015 年 7 月, 美 国 能 源 部 又 资 助 了 6 项 关 于 微 藻 能 源 方 面 的 项 目, 总 资 助 金 额 高 达 万 美 元, 项 目 将 围 绕 微 藻 高 附 加 值 产 品 微 藻 固 碳 以 及 敌 害 生 物 防 治 等 方 面 展 开 重 点 研 究, 预 期 在 2019 年 把 微 藻 生 物 燃 料 的 成 本 降 低 图 年 微 藻 能 源 微 藻 固 碳 及 污 水 处 理 相 关 专 利 优 先 权 国 家 及 地 区 分 布 Fig. 12 Distribution of microalgae energy, microalgae CO 2 fixation and microalgae wastewater treatment technology patents in countries or regions. 到 5 美 元 / 加 仑 [25] 随 着 实 现 低 碳 经 济 和 节 能 减 排 的 迫 切 需 要, 相 信 制 约 微 藻 能 源 ( 固 碳 ) 产 业 化 的 高 成 本 这 一 瓶 颈 问 题 必 将 逐 步 得 以 解 决 短 期 内 的 成 本 问 题 可 以 通 过 以 下 几 个 方 面 的 集 成 来 平 衡 : 1) 持 续 的 技 术 研 发 提 高 效 率 ;2) CO 2 废 气 富 含 N/P 废 水 等 废 物 资 源 化 以 节 省 原 辅 材 料 消 耗 成 本 ;3) 非 油 脂 组 分 的 低 成 本 综 合 利 用 ( 需 建 立 严 格 的 质 量 标 准 体 系, 研 究 开 发 相 应 的 后 处 理 技 术, 避 免 废 物 资 源 化 利 用 后 对 藻 体 综 合 利 用 所 引 起 的 负 面 效 应 ) 按 照 上 述 思 路, 在 适 合 于 能 源 微 藻 终 年 培 养 且 具 有 CO 2 资 源 及 廉 价 的 N/P 资 源 的 我 国 部 分 地 区 ( 如 我 国 云 南 等 地 ), 微 藻 能 源 及 微 藻 固 碳 有 望 在 2020 年 前 后 实 现 小

17 杨 晓 秋 等 / 基 于 文 献 计 量 学 的 微 藻 生 物 技 术 发 展 趋 势 1431 规 模 产 业 化 前 文 对 文 献 与 微 藻 生 物 技 术 发 展 趋 势 进 行 了 分 析, 下 面 两 部 分 将 对 我 国 的 情 况 进 行 简 单 介 绍 与 展 望 5 我 国 目 前 微 藻 生 物 技 术 的 科 技 布 局 重 要 成 果 及 发 展 瓶 颈 多 年 来, 在 预 见 到 微 藻 能 源 在 未 来 国 民 经 济 和 科 技 实 力 竞 争 中 的 地 位 后, 科 技 部 和 有 关 部 门 先 后 启 动 了 一 系 列 相 关 研 究 计 划, 为 该 研 究 领 域 关 键 技 术 的 突 破 奠 定 了 很 好 的 基 础 如 科 技 部 的 十 五 863 计 划 项 目 富 含 EPA DHA 等 营 养 物 质 的 海 洋 微 藻 开 发 技 术 ( ) 重 大 基 础 研 究 前 期 研 究 专 项 微 绿 球 藻 Nannochloropsis sp. EPA 生 成 途 径 与 酶 系 表 达 生 态 调 控 研 究 ( ), 十 一 五 863 计 划 项 目 (2007AA09Z400) 海 洋 微 藻 合 成 PUFA 关 键 酶 基 因 研 究 技 术 产 能 海 洋 微 藻 的 分 离 筛 选 和 高 效 培 养 ( ) 重 点 项 目 CO 2 - 油 藻 - 生 物 柴 油 关 键 技 术 研 究 (2009 年 批 准 ) 十 一 五 科 技 支 撑 项 目 课 题 (2006BAD09A12) 海 洋 微 藻 高 效 培 养 工 程 化 技 术 集 成 与 示 范 ( ) 等 ; 中 国 科 学 院 2008 年 启 动 的 太 阳 能 计 划 中 国 - 俄 罗 斯 科 学 院 国 际 合 作 项 目 海 洋 产 能 微 生 物 采 集 与 筛 选 ( ) 等 十 二 五 期 间, 我 国 政 府 对 微 藻 能 源 和 微 藻 固 碳 及 废 物 资 源 化 利 用 等 方 面 给 予 了 高 度 重 视 科 技 部 在 973 计 划 863 计 划 和 科 技 支 撑 计 划 中 从 不 同 角 度 对 微 藻 能 源 和 微 藻 固 碳 及 废 物 资 源 化 利 用 予 以 大 力 支 持, 资 助 总 额 为 亿 元 人 民 币, 具 体 见 表 14 此 外, 中 国 石 化 国 家 海 洋 局 山 西 省 广 东 省 上 海 市 等 也 对 微 藻 能 源 和 微 藻 固 碳 等 给 予 了 大 力 支 持 我 国 在 微 藻 生 物 技 术 领 域 如 种 质 资 源 和 大 规 模 培 养 技 术 等 方 面 具 有 较 好 的 研 究 工 作 基 础, 且 微 藻 产 业 初 具 规 模, 如 螺 旋 藻 Spirulina 产 量 居 世 界 第 一 [16] 近 年 来, 我 国 发 展 微 藻 生 物 技 术 的 最 大 推 动 力 来 自 于 保 障 国 家 能 源 和 资 源 战 略 安 全 的 迫 切 需 求, 即 在 微 藻 能 源 ( 固 碳 ) 方 面 予 以 了 大 量 关 注 面 向 全 世 界 掀 起 的 微 藻 能 源 及 微 藻 固 碳 开 发 热 潮, 为 了 提 升 相 关 技 术 的 原 始 创 新 能 力, 我 国 许 多 大 学 和 研 究 机 构 开 展 了 大 量 研 究 工 作, 在 微 藻 优 良 藻 种 的 选 育 ( 如 中 国 科 学 院 水 生 生 物 学 研 究 所 中 国 海 洋 大 学 中 国 科 学 院 海 洋 所 暨 南 大 学 厦 门 大 学 等 ) 代 谢 调 控 与 基 因 工 程 ( 如 中 国 科 学 院 青 岛 能 源 所 清 华 大 学 中 国 科 学 院 遗 传 与 发 育 生 物 学 研 究 所 中 国 科 学 院 水 生 生 物 学 研 究 所 华 南 理 工 大 学 中 国 科 学 院 海 洋 研 究 所 中 国 科 学 院 烟 台 海 岸 带 研 究 所 北 京 大 学 华 东 理 工 大 学 等 ) 微 藻 规 模 培 养 ( 如 华 东 理 工 大 学 中 国 科 学 院 过 程 工 程 研 究 所 新 奥 集 团 中 国 科 学 院 广 州 能 源 所 中 国 科 学 院 海 洋 研 究 所 中 国 科 学 院 青 岛 能 源 所 中 国 科 学 院 大 连 化 学 物 理 研 究 所 浙 江 大 学 等 ) 高 效 光 生 物 反 应 器 研 制 ( 如 华 东 理 工 大 学 中 国 科 学 院 过 程 工 程 研 究 所 中 国 科 学 院 青 岛 能 源 所 等 ) 藻 体 高 效 采 收 ( 如 中 国 科 学 院 过 程 工 程 研 究 所 中 国 科 学 院 天 津 工 业 生 物 技 术 研 究 所 等 ) 油 脂 提 取 与 生 物 柴 油 制 备 ( 如 北 京 化 工 大 学 中 国 科 学 院 广 州 能 源 所 上 海 交 通 大 学 等 ) 藻 体 其 他 成 分 综 合 利 用 ( 如 南 京 工 业 大 学 中 国 石 油 大 学 ( 北 京 ) 等 ) 等 方 面, 已 取 得 许 多 可 喜 结 果, 例 如 我 国 在 微 藻 [email protected]

18 1432 ISSN CN /Q Chin J Biotech October 25, 2015 Vol.31 No.10 表 14 十 二 五 期 间 科 技 部 对 微 藻 能 源 和 微 藻 固 碳 及 废 物 资 源 化 利 用 等 领 域 的 科 研 投 入 Table 14 R&D input by MOST in the field of microalgae energy and CO 2 fixation as well as waste resource utilization during 资 助 额 度 项 目 ( 课 题 ) 项 目 类 别 立 项 部 门 起 止 年 限 项 目 ( 课 题 ) 名 称 ( 万 元 ) 负 责 人 973 计 划 能 源 领 域 基 础 司 微 藻 能 源 规 模 化 制 备 的 科 学 基 础 李 元 广 国 家 科 技 支 撑 计 划 农 村 司 计 划 能 源 领 域 ( 固 碳 ) 高 新 司 计 划 基 础 司 能 源 微 藻 育 种 与 高 效 生 产 关 键 技 术 研 究 与 示 范 燃 煤 烟 气 CCUS 关 键 技 术 中 的 课 题 CO 2 生 物 转 化 应 用 技 术 高 效 绿 色 炼 油 技 术 的 化 学 和 工 程 基 础 中 的 课 题 微 藻 用 于 炼 油 过 程 NOx 减 排 的 工 程 基 础 吴 庆 余 程 军 荣 峻 峰 863 计 划 能 源 领 域 高 新 司 新 型 能 源 藻 培 养 与 能 源 产 品 转 化 技 术 胥 维 昌 863 计 划 资 环 领 域 社 发 司 利 用 微 藻 清 洁 制 备 生 物 燃 料 关 键 技 术 张 成 武 863 计 划 生 物 医 药 领 域 ( 固 碳 ) 社 发 司 微 藻 生 物 固 碳 关 键 技 术 与 产 品 开 发 宋 立 荣 培 养 领 域 开 发 了 异 养 - 稀 释 - 光 诱 导 串 联 培 养 [26] [27] 异 养 细 胞 作 为 种 子 的 光 自 养 培 养 等 新 模 式, 在 光 生 物 反 应 器 研 制 方 面 获 得 敏 感 性 参 数 可 用 于 指 导 光 生 物 反 应 器 的 优 化 等 [28-30] 把 握 时 机, 加 大 发 展 力 度, 我 国 在 该 领 域 将 有 望 很 快 赶 超 国 际 先 进 水 平 众 所 周 知, 微 藻 大 规 模 开 发 利 用 的 首 要 问 题 是 要 解 决 微 藻 规 模 化 培 养 问 题 结 合 国 内 外 微 藻 生 物 技 术 发 展 现 状 及 我 国 国 情, 当 前 微 藻 生 物 技 术 产 业 化 在 技 术 层 面 主 要 在 以 下 几 个 方 面 需 要 集 中 攻 克 :1) 光 生 物 反 应 器 及 微 藻 培 养 工 艺 的 优 化 与 放 大 ;2) 微 藻 高 效 光 合 固 碳 和 生 长 代 谢 网 络 的 认 识 与 改 造 ;3) 碳 源 选 择 CO 2 的 高 效 吸 收 及 其 与 微 藻 光 自 养 培 养 过 程 的 耦 合 ;4) 微 藻 养 殖 用 水 的 循 环 利 用 及 处 理 ;5) 微 藻 光 自 养 培 养 过 程 敌 害 生 物 的 有 效 防 治 ;6) 微 藻 生 产 系 统 的 原 料 过 程 产 物 检 测 方 法 与 标 准 ;7) 微 藻 采 收, 色 素 蛋 白 油 脂 等 有 效 成 分 提 取 及 产 品 加 工 与 应 用 ;8) 集 微 藻 能 源 微 藻 固 碳 高 附 加 值 产 品 一 体 化 技 术 的 集 成 优 化 与 示 范 其 中 如 何 开 发 高 效 低 成 本 的 大 规 模 培 养 技 术 及 系 统 建 立 适 合 于 我 国 国 情 的 微 藻 产 业 统 一 的 技 术 标 准 体 系 等, 则 是 当 前 促 进 我 国 微 藻 生 物 技 术 产 业 快 速 发 展 中 亟 待 解 决 的 瓶 颈 问 题 之 一 6 相 关 发 展 建 议 在 大 众 创 业 万 众 创 新, 科 技 驱 动 型 发 展 的 背 景 下, 缓 解 能 源 短 缺 压 力 发 展 低 碳 经 济 实 现 新 型 循 环 经 济, 保 护 环 境 与 改 善 生 态 解 决 三 农 问 题 建 设 节 约 型 社 会, 都 呼 唤 微 藻 生 物 技 术 这 一 战 略 性 新 兴 产 业 的 快 速 发 展 系 统 的 基 础 研 究 和 技 术 优 化 集 成 方 面 的 研 究 不 足, 导 致 了 成 本 高 效 率 低, 从 而 制 约 了 我 国 微 藻

19 杨 晓 秋 等 / 基 于 文 献 计 量 学 的 微 藻 生 物 技 术 发 展 趋 势 1433 生 物 技 术 产 业 的 发 展 6.1 技 术 研 发 层 面 藻 种 方 面 : 继 续 开 展 新 的 藻 种 资 源, 特 别 是 具 工 业 应 用 性 状 高 附 加 值 产 品 联 产 性 状 的 特 色 藻 种 的 发 掘 及 筛 选 ; 加 大 现 代 生 物 技 术 进 行 微 藻 藻 种 的 改 良 与 构 建, 推 动 可 工 业 化 应 用 的 新 型 燃 料 分 子 合 成 与 固 碳 的 基 因 工 程 藻 株 的 构 建 生 物 质 规 模 化 获 得 方 面 : 建 立 低 成 本 高 密 度 低 能 耗 低 水 耗 的 微 藻 创 新 培 养 方 法 ; 发 展 低 成 本 易 放 大 少 维 护 和 高 光 效 的 微 藻 培 养 装 备 技 术 ; 建 立 基 于 富 含 N/P 废 水 CO 2 废 气 等 资 源 化 利 用 的 微 藻 培 养 技 术 体 系, 建 立 连 续 或 半 连 续 的 高 效 培 养 工 艺 ; 解 决 户 外 大 规 模 培 养 过 程 中 的 敌 害 生 物 防 治 问 题 产 业 技 术 模 式 方 面 : 突 出 微 藻 高 值 化 产 品 耦 联 及 与 碳 减 排 耦 联 的 微 藻 能 源 生 产 技 术 模 式 的 创 立 与 示 范 ; 加 强 微 藻 生 物 炼 制 技 术 的 研 发, 以 大 幅 降 低 微 藻 生 物 能 源 的 综 合 成 本, 促 进 微 藻 能 源 ( 固 碳 ) 产 业 的 形 成 6.2 政 策 方 面 十 二 五 期 间 科 技 部 在 微 藻 能 源 与 微 藻 固 碳 方 面 相 继 布 置 了 包 括 973 支 撑 计 划 及 多 个 863 项 目, 但 项 目 支 持 较 分 散 且 部 分 关 键 技 术 的 研 究 内 容 重 叠, 不 利 于 真 正 实 现 重 大 创 新 关 键 突 破 与 系 统 集 成, 建 议 在 十 三 五 期 间 能 够 集 中 优 势 单 位 通 过 链 条 式 分 解, 以 微 藻 生 物 技 术 专 项 形 式 予 以 重 点 支 持 其 立 题 的 指 导 思 想 应 该 调 整 为 市 场 质 量 成 本, 围 绕 此 开 展 技 术 集 成 关 键 技 术 研 发 及 相 关 重 大 基 础 研 究 由 于 目 前 微 藻 能 源 和 微 藻 固 碳 的 商 业 化 应 用 的 经 济 性 尚 无 市 场 竞 争 力, 因 此 应 加 强 支 持 以 关 键 单 元 技 术 突 破 与 单 元 技 术 中 试 放 大 为 核 心 的 研 究, 加 快 推 进 微 藻 能 源 与 微 藻 固 碳 研 究 平 台 的 构 建 系 统 集 成 优 化 与 产 业 化 示 范 鼓 励 与 支 持 微 藻 能 源 与 微 藻 固 碳 及 废 物 资 源 化 利 用 产 业 化 技 术 的 开 发 和 现 有 微 藻 生 物 技 术 产 业 相 结 合 ; 着 重 微 藻 高 值 化 产 品 生 产 技 术 的 研 发 中 试 与 产 业 化 应 用, 为 微 藻 能 源 与 微 藻 固 碳 及 富 含 氮 / 磷 资 源 有 效 利 用 的 战 略 性 新 兴 产 业 的 形 成 奠 定 技 术 和 工 程 方 面 的 基 础 加 强 官 产 学 研 用 紧 密 结 合, 大 力 推 动 具 备 产 业 化 条 件 的 地 方 政 府 企 业 及 国 际 合 作, 同 时 要 大 力 支 持 微 藻 生 物 技 术 方 面 的 人 才 培 养, 特 别 是 工 程 方 面 人 才 亟 待 培 养 ; 尽 快 成 立 中 国 微 藻 产 业 联 盟 与 国 家 级 微 藻 生 物 技 术 工 程 研 究 中 心 及 微 藻 生 物 技 术 国 家 重 点 实 验 室, 聚 集 我 国 微 藻 生 物 技 术 领 域 的 核 心 力 量, 突 破 体 制 及 机 制 约 束, 实 现 真 正 的 优 势 力 量 整 合, 形 成 合 力, 结 合 我 国 的 资 源 特 点 尽 快 形 成 微 藻 能 源 与 微 藻 固 碳 及 富 含 氮 / 磷 资 源 有 效 利 用 这 一 战 略 性 新 兴 产 业, 为 我 国 的 经 济 发 展 做 出 应 有 的 贡 献 目 前, 我 国 与 发 达 国 家 处 在 相 近 的 起 跑 线 上, 面 对 微 藻 生 物 技 术 大 发 展 的 极 好 机 遇, 我 国 应 全 局 性 战 略 性 地 选 择 重 大 科 技 方 向, 聚 焦 既 可 固 碳 产 油 又 能 高 产 蛋 白 色 素 等 高 附 加 值 的 全 能 藻 种, 发 挥 我 国 现 有 的 技 术 和 资 源 优 势, 在 微 藻 生 物 技 术 这 一 领 域 的 国 际 竞 争 中 取 得 领 先 地 位, 这 既 是 微 藻 生 物 技 术 本 身 发 展 的 迫 切 需 要, 也 是 我 国 微 藻 能 源 ( 固 碳 ) 及 富 含 氮 / 磷 资 源 有 效 利 用 这 一 战 略 性 新 兴 产 业 培 育 和 发 展 的 现 实 需 要, 同 时 也 是 对 我 国 大 健 康 产 业 发 展 的 一 种 有 力 支 撑 REFERENCES [1] Hu Q, Sommerfeld M, Jarvis E, et al. Microalgal [email protected]

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