李禎祺 蘇 燕 王 玥 徐 萍

（中國科學(xué)院上海生命科學(xué)信息中心，上海 200031）

微藻生物質(zhì)能源專利發(fā)展態(tài)勢分析

李禎祺 蘇 燕 王 玥 徐 萍

（中國科學(xué)院上海生命科學(xué)信息中心，上海 200031）

隨著全球石油資源日漸匱乏和生態(tài)環(huán)境不斷惡化，環(huán)境友好型的生物能源技術(shù)日益獲得人們的青睞，而微藻由于生長速率快、儲存能量高、適應(yīng)范圍廣等特征，被公認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ牡谌锬茉丛?。以Thomson Innovation數(shù)據(jù)庫中收錄的微藻生物質(zhì)能源專利為數(shù)據(jù)，利用Thomson Data Analyzer和Innography等工具對其發(fā)展態(tài)勢進(jìn)行了分析。

李禎祺，碩士，館員，主要從事生命科學(xué)與生物技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)科情報及戰(zhàn)略情報研究工作。

E-mail:lizhenqi@sibs.ac.cn

近年來，隨著全球人口的不斷增長與世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，化石燃料的消耗正在日益加劇。由此帶來的能源短缺和環(huán)境污染等問題正在凸顯。由于微藻生物質(zhì)能源不僅具有光能利用率高、生長速度快、生長環(huán)境要求低及儲能物質(zhì)含量高等優(yōu)點1，而且其大規(guī)模培養(yǎng)與現(xiàn)有農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不沖突，兼具廢水廢氣的綜合利用能力，被公認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ牡谌锬茉丛稀?/p>

微藻是一種介于微生物與高等植物細(xì)胞之間的單細(xì)胞生物，能夠通過光合作用有效地利用太陽能，將水、CO2和無機(jī)鹽轉(zhuǎn)化為有機(jī)物2。且其固碳效率可以達(dá)到普通植物的10倍以上，從而解決CO2的點源排放問題3。此外，微藻在生長過程還需要大量的N/P等營養(yǎng)元素，可以應(yīng)對廢水中N/P富營養(yǎng)化等問題4。以微藻為原料的生物質(zhì)能源技術(shù)是以微藻生物學(xué)為基礎(chǔ)，利用生物學(xué)和工程學(xué)原理，研究微藻藻種選育、細(xì)胞培養(yǎng)及其裝備、采收及水的循環(huán)利用與處理、藻細(xì)胞的深加工及其應(yīng)用等的生物技術(shù)5。

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1 專利發(fā)展概況

文中的專利數(shù)據(jù)以T h o m s o n Innovation（TI）數(shù)據(jù)庫中收錄的發(fā)明專利（以下簡稱“專利”）為數(shù)據(jù)源，以微藻通用名稱的不同表述方式與目前已有的生物質(zhì)能源類型作為主題檢索依據(jù)，以TI數(shù)據(jù)庫首次收錄專利的公開年為年度劃分依據(jù)，輔以Thomson Data Analyzer（TDA）和Innography等軟件工具展開分析。數(shù)據(jù)檢索日期為2016年4月15日，由于專利申請審批周期及專利數(shù)據(jù)庫錄入遲滯等原因，2014～2015年數(shù)據(jù)可能尚未完全收錄，僅供參考。

圖1 微藻生物質(zhì)能源專利年度發(fā)展趨勢

截至2015年，全球微藻生物質(zhì)能源專利數(shù)量累計2931件，總體呈不斷上升趨勢（圖1）。在各國對生物燃料技術(shù)關(guān)注與碳減排行動的推動下，盡管專利數(shù)量在1982～2005年間不斷波動，但整體呈平穩(wěn)上升趨勢。2006～2008年，由于石油價格持續(xù)大幅上漲，面向微藻能源的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研發(fā)開始突飛猛進(jìn)，微藻生物質(zhì)能源專利數(shù)量迅速上升，于2014年達(dá)到峰值（543件）。以50件專利為閾值，可將微藻生物質(zhì)能源技術(shù)的發(fā)展分為萌芽期（1982～2007年）和發(fā)展期（2008年至今）。

將相關(guān)專利導(dǎo)入Innography中進(jìn)行聚類分析（圖2），從2242件專利的題目與摘要的專業(yè)術(shù)語中形成264個具有層級關(guān)系的文本聚類，主要形成了藻類（ALGAE）、脂肪酸（FATTY ACID）、光生物反應(yīng)器（PHOTO BIOREACTOR）、二氧化碳（CARBON DIOXIDE）、后續(xù)步驟（FOLLOWING STEPS）和低成本（LOW COST）6個與微藻生物質(zhì)能源相關(guān)的一級文本聚類。

圖 2 微藻生物質(zhì)能源專利文本聚類分析

圖3 微藻生物質(zhì)能源專利前10 IPC分類⑦

2 技術(shù)發(fā)展態(tài)勢

微藻生物質(zhì)能源技術(shù)涵蓋多個環(huán)節(jié)，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。其主要包括藻種選育技術(shù)、基因工程改造技術(shù)、大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)、生物質(zhì)采收技術(shù)、油脂提取技術(shù)與產(chǎn)品制備技術(shù)等。

從微藻生物質(zhì)能源專利前10 IPC分類（圖3）可以發(fā)現(xiàn)，相關(guān)專利多分布在藻類（C12N-0001/12、C12R-0001/89）、基因工程改造（C12N-0001/13）、微生物學(xué)裝置（C12M-0001/00、C12M-0001/04、C12M-0003/00）、燃料生產(chǎn)技術(shù)（C12P-0007/64、C11B-0001/10、C10G-0003/00）及燃料產(chǎn)品類型（C10L-0001/02）相對應(yīng)的IPC分類號。這些技術(shù)分類覆蓋了從原料到技術(shù)、再到產(chǎn)品的全技術(shù)鏈。

通過對不同技術(shù)類型的專利年度數(shù)量（圖4）進(jìn)行統(tǒng)計分析，微藻生物質(zhì)能源技術(shù)在近年來發(fā)展迅速，尤其是研發(fā)階段開始較早的藻種選育技術(shù)、發(fā)酵或酶法合成技術(shù)及微生物學(xué)裝置。2008年前后，以萃取法生產(chǎn)技術(shù)、利用氣體導(dǎo)入方法的微生物學(xué)裝置、藻類培養(yǎng)裝置及基因工程改造技術(shù)為代表的專利數(shù)量開始快速增長。

從已存在技術(shù)類型與新技術(shù)類型的年度趨勢對比（圖5）可以看出，在微藻生物質(zhì)能源技術(shù)研發(fā)的萌芽期，除了2001年與2005年基本沒有出現(xiàn)新技術(shù)類型外，每年均有新技術(shù)產(chǎn)生。在發(fā)展期的初始階段（2008～2010年），新技術(shù)的產(chǎn)出比例達(dá)到45%以上。近五年，新技術(shù)產(chǎn)出比例占26%～40%。在近三年首次出現(xiàn)的技術(shù)類型中，既有涉及微藻油脂處理的化學(xué)或物理方法及其有關(guān)設(shè)備，也有利用好氧工藝進(jìn)行廢水、污水或污泥的處理技術(shù)。

圖4 不同技術(shù)類型的專利年度發(fā)展趨勢

圖5 已 存在技術(shù)類型與新出現(xiàn)技術(shù)類型的年度趨勢對比

3 全球競爭態(tài)勢

除了世界知識產(chǎn)權(quán)組織與歐洲專利組織這兩個區(qū)域性專利組織外，從優(yōu)先權(quán)國家/地區(qū)/組織分布情況來看（圖6），美國擁有1211件微藻生物質(zhì)能源專利，為全球首位，占據(jù)技術(shù)研發(fā)的主導(dǎo)地位。中國在該領(lǐng)域研發(fā)能力僅次于美國，排在全球第2位，專利數(shù)量為663件；韓國為371件，位列第3名。法國、日本、澳大利亞、德國和印度等國家相繼排在第4～8位，基本位于同一個數(shù)量級水平。

不僅各國的專利數(shù)量有所差異，而且重點發(fā)展的技術(shù)類型也各有側(cè)重（圖7）。美國主要對原料、生物學(xué)裝置與生產(chǎn)技術(shù)展開研究，并對微藻的基因工程改造進(jìn)行技術(shù)布局；中國與韓國的研發(fā)重點類似，主要集中在原料利用方面，相關(guān)專利數(shù)量占比約為50%；法國與日本在微藻原料方面的技術(shù)研發(fā)布局均超過了60%；澳大利亞和德國對萃取法與氣體導(dǎo)入法等技術(shù)具有頗深的積淀，后者在生物學(xué)裝置方面重點展開布局。

從不同國家/組織的專利年度發(fā)展趨勢能夠發(fā)現(xiàn)，各國都在積極推動微藻生物質(zhì)能源技術(shù)的發(fā)展（圖8）。美國能源部始于1976年的“水生生物物種計劃”6為該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展帶來積極影響，尤其是產(chǎn)油微藻的大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)開始獲得關(guān)注。該研究領(lǐng)域最早的專利出現(xiàn)在1982年。隨著時間的推移，韓國、日本、英國、法國與澳大利亞等國家相繼將微藻能源技術(shù)列入重大研究計劃，進(jìn)一步推動相關(guān)專利的發(fā)展，并在全球碳減排一致行動的助力下掀起了該領(lǐng)域的研究熱潮。

圖6 微藻 生物質(zhì)能源專利優(yōu)先權(quán)國家/地區(qū)/組織分布情況

圖7 不同國家/組織的重點研發(fā)技術(shù)類型占比情況

自美國于2007年針對微藻能源推出“微型曼哈頓計劃”后，美國總統(tǒng)候選人奧巴馬在2008年競選中對推廣生物燃料做出進(jìn)一步承諾，并于2010年發(fā)布美國《國家藻類生物燃料技術(shù)路線圖》7，這些行動直接促進(jìn)了美國相關(guān)專利數(shù)量的指數(shù)型增長。我國在該領(lǐng)域研究的支持方面起步也較早。在“十五”期間，我國科學(xué)技術(shù)部就啟動了與微藻能源相關(guān)的重點項目，并予以持續(xù)性的大力資助，在《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（2014～2020年）》中重點部署，這些政策扶持與國家資助推動了我國微藻生物質(zhì)能源專利的迅速增長。

從近三年的微藻專利研發(fā)數(shù)量占總體比例可以發(fā)現(xiàn)，中國（63%）與韓國（70%）的研發(fā)勢頭迅猛，日本（55%）、法國（50%）和澳大利亞（49%）維持良好的發(fā)展態(tài)勢，美國（39%）在較高基數(shù)的前提下仍以較快的研發(fā)速度穩(wěn)步增長，德國（18%）增速漸緩。

4 機(jī)構(gòu)競爭態(tài)勢

以微藻生物質(zhì)能源專利權(quán)人所擁有的專利數(shù)量進(jìn)行排名，美國太陽酵素公司（Solazyme）擁有280件專利，以遠(yuǎn)超其他機(jī)構(gòu)的專利數(shù)量排名第1位；美國藍(lán)寶石能源公司（Sapphire Energy）以65件的專利數(shù)量位列第2名；美國馬泰克生物科學(xué)公司（Martek Biosciences，該公司于2011年被荷蘭皇家帝斯曼集團(tuán)收購）與韓國生物科學(xué)與生物技術(shù)研究所（51件）并列第3名；我國清華大學(xué)（44件）與新奧科技發(fā)展有限公司（39件）分別排在第6位與第8位（圖9）。從該領(lǐng)域的主要專利權(quán)人可以看出，美國機(jī)構(gòu)擁有堅實的技術(shù)基礎(chǔ)和絕對的話語權(quán)，技術(shù)開發(fā)以企業(yè)為主，兼具高校與科研院所的成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化；韓國機(jī)構(gòu)的研發(fā)力量也不容小覷，以科研院所為主要研發(fā)力量；而中國機(jī)構(gòu)已取得一些成果，具備較大的發(fā)展?jié)摿?，正在進(jìn)行“產(chǎn)學(xué)研”研發(fā)管線的優(yōu)化配置與合理布局。

圖8 不同國家/組織的專利年度發(fā)展趨勢

圖9 微藻生物質(zhì)能 源主要專利權(quán)人

從近三年微藻生物質(zhì)能源專利的主要專利權(quán)人的專利數(shù)量（表1）來看，美國Solazyme公司仍位列第1，韓國生物科學(xué)與生物技術(shù)研究所、韓國能源研究所、美國Sapphire Energy公司與韓國仁荷大學(xué)產(chǎn)業(yè)伙伴研究院這4家機(jī)構(gòu)在近三年同樣位居前10。以印度科學(xué)與產(chǎn)業(yè)研究理事會、中國石油化工集團(tuán)公司和南非科學(xué)與產(chǎn)業(yè)研究理事會為代表的亞非機(jī)構(gòu)，以美國Microvi生物技術(shù)公司為代表的美洲機(jī)構(gòu)，以芬蘭耐思特石油（Neste Oil）公司為代表的歐洲機(jī)構(gòu)在近三年研發(fā)的專利成果頗為顯著。其中，美國Microvi生物技術(shù)公司與中國石油化工集團(tuán)公司是近三年首次出現(xiàn)的研發(fā)機(jī)構(gòu)，屬于該領(lǐng)域的新興優(yōu)秀企業(yè)。

4.1 美國Solazyme公司

美國Solazyme公司自2003年成立以來，專注于微藻衍生品（如生物柴油、化學(xué)原料）的生產(chǎn)，目前已經(jīng)成為藻類燃料產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)廠商，并與巴斯夫（BASF）、聯(lián)合利華等公司展開深度合作。該公司擁有眾多微藻生物質(zhì)能源專利，其開發(fā)的一種從微藻發(fā)酵中提取專用原料油的工藝被授予2014年美國總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎中的綠色合成路線獎。

排名 主要專利權(quán)人 專利數(shù)量/件1美國Solazyme公司 135 2韓國生物科學(xué)與生物技術(shù)研究所 36 3韓國能源研究所 29 4印度科學(xué)與產(chǎn)業(yè)研究理事會 28 5美國Microvi生物技術(shù)公司 27 6美國藍(lán)寶石能源公司 25 7韓國仁荷大學(xué)產(chǎn)業(yè)伙伴研究院 23 8中國石油化工集團(tuán)公司 20 8南非科學(xué)與產(chǎn)業(yè)研究理事會 20 10 芬蘭Neste Oil公司 18

美國Solazyme公司的主要專利布局在美國本土，并向全球化發(fā)展。2007～2015年，該公司以Franklin、Scott和Somanchi為核心的專家團(tuán)隊進(jìn)行了280件微藻生物質(zhì)能源專利研發(fā)，近三年研發(fā)專利數(shù)量占總數(shù)量比例達(dá)48%，并在藻類選育、發(fā)酵合成技術(shù)與基因工程改造方面具備技術(shù)優(yōu)勢。

4.2 美國Sapphire Energy公司

美國Sapphire Energy公司創(chuàng)立于2007年，致力于以藻類生產(chǎn)環(huán)境友好的可再生能源，并與美國能源部、美國農(nóng)業(yè)部建立了良好的關(guān)系。該公司不僅建立了面積高達(dá)2200英畝（1英畝約合4046.8平方米）的世界首個“綠色原油農(nóng)場”，而且已經(jīng)將從微藻中提煉出來的航空煤油在中國航空公司和日本航空公司的兩條航線上進(jìn)行了試用，其生產(chǎn)的汽油與柴油也成功通過了汽車測試。

美國Sapphire Energy公司的專利主要在美國本土布局，兼顧全球化發(fā)展模式。該公司于2008～2015年研發(fā)了65件微藻生物質(zhì)能源專利，近三年研發(fā)專利數(shù)量約占總數(shù)量的38%，并在酶或微生物的測定或檢驗方法、微生物的基因工程改造技術(shù)方面具備優(yōu)勢。

4.3 清華大學(xué)

清華大學(xué)是我國較早進(jìn)入微藻生物質(zhì)能源專利研發(fā)的科研機(jī)構(gòu)之一，在微藻生物學(xué)及敞開式培養(yǎng)等方面展開系列研究。清華大學(xué)在該領(lǐng)域研發(fā)專利的申請主要集中在本土，在世界知識產(chǎn)權(quán)組織申請的專利相對較少。2003～2015年，該機(jī)構(gòu)研發(fā)微藻生物質(zhì)能源專利44件，近三年研發(fā)專利數(shù)量占總數(shù)量的41%，在發(fā)酵合成技術(shù)、油脂制備技術(shù)等方面開展了較多研究。

4.4 新奧科技發(fā)展有限公司

新奧科技發(fā)展有限公司致力于利用微藻固定CO2并生產(chǎn)生物能源的可持續(xù)發(fā)展途徑，擁有國家級微藻生物能源產(chǎn)業(yè)化示范項目，并獲得“863”計劃的專項支持。

新奧科技發(fā)展有限公司的研發(fā)專利全部在本土申請。2009～ 2015年，該公司開展了39件微藻生物質(zhì)能源專利的研發(fā)工作，近三年研發(fā)專利數(shù)量占總比例達(dá)33%，技術(shù)布局主要集中在以微藻為原料的發(fā)酵合成方面。

［致謝：本項目得到國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（“863”計劃）項目（2014AA021503）的支持。］

10.3969/j.issn.1674-0319.2016.03.008