吳 崢

(國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局專(zhuān)利審查協(xié)作北京中心，北京 100160)

世界各國(guó)一直在尋找石油能源的替代品，在燃料領(lǐng)域，以生物質(zhì)發(fā)酵制備燃料乙醇是研究的熱點(diǎn)。燃料乙醇具備辛烷值高、抗爆性好、大氣污染低的優(yōu)點(diǎn)，與汽油混合可形成不同標(biāo)準(zhǔn)的乙醇汽油。2018年8月25日起，天津市內(nèi)有10座加油站率先進(jìn)行汽油置換，車(chē)用乙醇汽油正式投入使用。2018年12月29日，國(guó)家發(fā)改委等七部委聯(lián)合發(fā)布公告，2019年1月1日起，全國(guó)全面供應(yīng)符合第六階段強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)VIA車(chē)用汽油(含E10乙醇汽油)、VI車(chē)用柴油(含B5生物柴油)。

根據(jù)所發(fā)酵的生物質(zhì)種類(lèi)，燃料乙醇可分為：第一代，以糖(如甘蔗)或淀粉(如玉米)為原料的“糖-淀粉”乙醇，第二代以農(nóng)業(yè)廢棄物(如秸稈、玉米芯等)為原料的纖維素乙醇，以及第三代，以藻類(lèi)為原料的乙醇[1]。其中“糖-淀粉”乙醇缺點(diǎn)在于使用糧食作物作為原料，近年來(lái)市場(chǎng)重心已經(jīng)逐步向纖維素乙醇轉(zhuǎn)移。而新生代藻類(lèi)乙醇又開(kāi)拓了新的原料領(lǐng)域，藻類(lèi)物質(zhì)具有生長(zhǎng)速度快，產(chǎn)量高，不依賴(lài)農(nóng)業(yè)化肥農(nóng)藥和耕種土地等優(yōu)勢(shì)，并且藻類(lèi)物質(zhì)中難以處理的木質(zhì)素很少，同時(shí)纖維素類(lèi)型不同、氫鍵較弱，在燃料乙醇領(lǐng)域是最理想不過(guò)的原料。

1 專(zhuān)利概況

1.1 申請(qǐng)趨勢(shì)

在中外文專(zhuān)利數(shù)據(jù)庫(kù)中，檢索到關(guān)于藻類(lèi)燃料乙醇相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)652條(截止2019年6月12日)，如圖1，其中大部分是在2007年之后申請(qǐng)的，屬于典型的新興技術(shù)領(lǐng)域，由于專(zhuān)利從申請(qǐng)到公開(kāi)有一定時(shí)限，2017年年底至今申請(qǐng)的專(zhuān)利只公開(kāi)了一部分。

圖1 關(guān)于藻類(lèi)燃料乙醇相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)

1.2 創(chuàng)新與市場(chǎng)

如圖2，從申請(qǐng)人國(guó)別上看，美國(guó)占據(jù)領(lǐng)先的地位，中國(guó)、韓國(guó)、日本在該領(lǐng)域也積累了相當(dāng)多的技術(shù)。從申請(qǐng)進(jìn)入的國(guó)家看，在中國(guó)(CN)、美國(guó)(US)、日本(JP)、韓國(guó)(KR)和歐洲(EP)申請(qǐng)的專(zhuān)利較多，一定程度上反應(yīng)了各大公司的布局。中國(guó)的申請(qǐng)量暫時(shí)落后美國(guó)，而進(jìn)入中國(guó)的專(zhuān)利已經(jīng)排名第一，可見(jiàn)中國(guó)藻類(lèi)燃料乙醇的市場(chǎng)潛力較大，得到各大經(jīng)濟(jì)體的重視。此外，可以看出美國(guó)和韓國(guó)申請(qǐng)了較多的PCT國(guó)際申請(qǐng)(WO)，在本國(guó)之外也提交了較多申請(qǐng)，相對(duì)來(lái)說(shuō)更為重視海外市場(chǎng)。

圖2 申請(qǐng)人國(guó)別

1.3 主要申請(qǐng)人

該領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量排名第一的仍然是燃料乙醇行業(yè)龍頭美國(guó)希樂(lè)克(XYLECO)公司，申請(qǐng)了33件，美國(guó)奧奇能(ALGENOL)生物能源公司/生物技術(shù)公司申請(qǐng)了29件，日本三菱重工申請(qǐng)了18件(集中于20世紀(jì)90年代，大部分已經(jīng)超過(guò)保護(hù)期限失效了)。中國(guó)申請(qǐng)人中，上海海洋大學(xué)等26所高校申請(qǐng)了33件，中國(guó)科學(xué)院廣州能源所等7個(gè)中科院研究所申請(qǐng)了14件；中糧集團(tuán)有限公司申請(qǐng)了5件，在企業(yè)中領(lǐng)先。與國(guó)外相比，我國(guó)的申請(qǐng)人更加分散，未形成明顯的匯聚趨勢(shì)。

1.4 技術(shù)領(lǐng)域

除去核心分類(lèi)號(hào)C12P7/06(生物化學(xué)制備非飲用乙醇)C12P7/08(C12P7/06的下級(jí)分類(lèi)號(hào)，作為副產(chǎn)品或從廢物或纖維素材料基質(zhì)中制得)和C12P7/10(C12P7/08的下級(jí)分類(lèi)號(hào)，含纖維素材料的基質(zhì))，該領(lǐng)域的專(zhuān)利還存在以下主分類(lèi)號(hào)：C12N1/12，單細(xì)胞藻類(lèi)本身；C12P7/16，生物化學(xué)制備丁醇；C12P7/64，生物化學(xué)制備脂類(lèi)；C12P5/02，生物化學(xué)制備無(wú)環(huán)烴；C12P7/16，生物化學(xué)制備丁醇，等。即除了對(duì)藻類(lèi)本身的研究，在發(fā)酵中聯(lián)產(chǎn)其他有機(jī)物也是研究的重點(diǎn)。

對(duì)該領(lǐng)域?qū)＠乃杏⑽恼龈哳l關(guān)鍵詞的共現(xiàn)分析(參見(jiàn)圖3)，可以直觀看出申請(qǐng)人的研究中，原料集中于海藻(seaweed/marine algae)、藍(lán)藻(cyanobacterium)、微藻(microalga/microalgae)和紅藻(red algae)，對(duì)各種藻類(lèi)品種(strain)進(jìn)行篩選。研究發(fā)酵過(guò)程的重點(diǎn)在于酶(enzyme)，其中乙醇脫氫酶(Adh，alcohol dehydrogenase enzyme)和丙酮酸脫羧酶(Pdc，pyruvate decarboxylase enzyme)研究較多。

圖3 該領(lǐng)域?qū)＠乃杏⑽恼哳l關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

2 具體專(zhuān)利技術(shù)

2.1 藻種篩選

奧奇能生物能源公司/生物技術(shù)公司研究了基因增強(qiáng)代謝的、通過(guò)丙酮酸脫羧酶和醇脫氫酶途徑直接生物產(chǎn)出乙醇的藍(lán)藻(US9862974B2，US9765364B2，US9493794B2)；提供了轉(zhuǎn)基因藍(lán)藻細(xì)胞(US20180112225A1，US20170175148A1)，其能夠利用亞磷酸根作為主要磷源，并且能夠更有效地與污染物生物競(jìng)爭(zhēng)某些形式的磷，以在非無(wú)菌條件培養(yǎng)的情況下抑制污染。

新奧科技發(fā)展有限公司提供了具有生長(zhǎng)速度快、油脂積累快、含油量高、能夠有效去除水中的含氮化合物，并且含有適合部分有益的色素等優(yōu)點(diǎn)的柵藻藻株，可用于生物柴油生產(chǎn)(CN102911872B，CN102943044B，CN102978114B)，一種環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，高溫耐受能力強(qiáng)，油脂尤其是二十碳五烯酸含量高，對(duì)CO2的處理能力強(qiáng)，可高溫養(yǎng)殖的擬微綠球藻突變株(CN103468577B)。

埃諾(Enol)能源公司也在多篇專(zhuān)利中提供了用于生產(chǎn)乙醇的基因修飾的藍(lán)藻，其構(gòu)建體和方法(US6699696B2，AU779434B2)。

北京大學(xué)公開(kāi)了一種藍(lán)藻工程菌及其制備方法和應(yīng)用，該藍(lán)藻工程菌為cesA基因缺失的藍(lán)藻突變體，質(zhì)?；蚧蚪M上整合有木醋桿菌的7個(gè)纖維素合成相關(guān)基因，該工程菌纖維素含量占細(xì)胞壁干重的13%左右，同時(shí)生長(zhǎng)周期短，不存在木材中的木質(zhì)素的污染問(wèn)題，其提取和純化過(guò)程可以大大簡(jiǎn)化，減少排放(CN102242065B)。

華南理工大學(xué)公開(kāi)了一種提高集胞藻PCC6803乙醇耐受性中的方法，通過(guò)同源重組的方法對(duì)集胞藻PCC6803中的sll0528、sll0687基因進(jìn)行敲除和過(guò)表達(dá)，得到對(duì)乙醇耐受性顯著提高集胞藻PCC6803藻株(CN109706104A、CN106399114A)。

中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所公開(kāi)了一種對(duì)乙醇耐受性顯著提高的集胞藻PCC6803突變株，乙醇耐受相關(guān)基因?yàn)閟lr0599，在1.5%(v/v)的乙醇脅迫下，該藻株的生長(zhǎng)狀態(tài)明顯優(yōu)于野生型藻株(CN107400673A)。

浙江齊成碳能科技有限公司提供了一種利用光合作用生產(chǎn)乙醇的基因工程藍(lán)藻，其含有整合到染色體上的外源丙酮酸脫羧酶基因和外源乙醇脫氫酶，以及制備該藍(lán)藻的載體和方法，和使用該藍(lán)藻生產(chǎn)乙醇的方法(CN102732426B)。

本田公司公開(kāi)了一種微細(xì)藻，屬于衣藻屬，該微細(xì)藻是在黑暗厭氧條件下具有乙醇產(chǎn)生能力、且獲得了一邊凝集一邊增殖的能力的突變株，不需要通過(guò)離心處理、過(guò)濾處理等來(lái)濃縮或回收藻體的工序，簡(jiǎn)化了設(shè)備(CN109844094A)。

2.2 酶與酵母研究

韓國(guó)生產(chǎn)技術(shù)學(xué)院提供了利用紅藻生產(chǎn)生物燃料的方法，通過(guò)用水解酶和/或水解催化劑處理，從紅藻或從紅藻提取的多糖中產(chǎn)生單糖，使用微生物發(fā)酵單糖以產(chǎn)生生物燃料(US20140315268A1，US8795994B2)，一種適用于從紅藻等半乳糖含量高的藻類(lèi)制備乙醇的突變體菌株的卡斯特酒香酵母(WO2011087336A2)。

中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所提供了一株海洋酵母，能夠在巨藻處理液中生長(zhǎng)并應(yīng)用于乙醇生產(chǎn)，適應(yīng)海藻中褐藻多酚等物質(zhì)的抑制作用，并耐受海藻處理液中較高的鹽度，而且能夠利用海藻中多種碳水化合物作為碳源，達(dá)到乙醇的高效產(chǎn)出(CN105543115A)。

華南理工大學(xué)公開(kāi)了一種經(jīng)優(yōu)化的高溫酸性海藻糖酶TreMT1及其編碼基因與應(yīng)用，穩(wěn)定性好，在高溫酸性條件下也能將二糖水解成單糖，降低淀粉液化后的冷卻耗能和提高淀粉質(zhì)原料的利用率，減少資源浪費(fèi)，提高生物能源的利用效率，降低生產(chǎn)成本(CN109652394A)。

上海海洋大學(xué)公開(kāi)了一種曲霉菌F菌株，可分泌纖維素酶，利用馬尾藻粉作為纖維素底物誘導(dǎo)產(chǎn)酶，直接將該菌株的酶解系統(tǒng)與馬尾藻藻體纖維素直接作用，能有效酶解馬尾藻中的纖維素物質(zhì)，將其降解為還原糖等單糖物質(zhì)，為生物乙醇的發(fā)酵直接提供發(fā)酵底物(CN105820957A)。

丹尼斯科美國(guó)公司公開(kāi)了使用海藻糖酶改善發(fā)酵產(chǎn)物包括乙醇的收率，改善酵母健康狀態(tài)，尤其是減小發(fā)酵結(jié)束DP2水平的方法(CN105722989A)。

2.3 預(yù)處理與生產(chǎn)工藝

希樂(lè)克公司提出，使用一定的加速電子輻射處理纖維素/木質(zhì)纖維素原料，通過(guò)這種“淬火”過(guò)程改變?cè)系慕Y(jié)構(gòu)，例如減小原料的平均分子量、改變?cè)系木w結(jié)構(gòu)和/或增加原料的表面積和/或孔隙率，從而增加纖維素/木質(zhì)纖維素在水解過(guò)程中的產(chǎn)率(WO2009134764A2)。同時(shí)還提出了通過(guò)常規(guī)電滲析、反向電滲析和/或雙極性膜電滲析包含藻類(lèi)原料處理得到的生物質(zhì)液體中除去不想要的組分，如鹽(例如離子)和酸(例如，有機(jī)酸)的方法和系統(tǒng)(WO2014138594A1)。

三星電子公司提供了一種用于預(yù)處理和糖化藻類(lèi)生物質(zhì)的方法，包括脫水、切割和糖化步驟(US20100209976A1，KR1020100093253A)。

中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所公開(kāi)了一種利用自由基預(yù)處理藻類(lèi)的方法，將藻類(lèi)進(jìn)行干燥、粉碎、過(guò)篩、稱(chēng)重、醋酸～醋酸鈉緩沖液浸泡以及向藻類(lèi)浸泡液中加入硫酸亞鐵溶液和過(guò)氧化氫溶液，用時(shí)短、能耗低、操作簡(jiǎn)單、無(wú)抑制物、無(wú)腐蝕性物質(zhì)、環(huán)境友好、對(duì)預(yù)處理設(shè)備要求低，適用于藻類(lèi)物質(zhì)的大規(guī)模預(yù)處理(CN103555792B)。

中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所提供了一種富碳微藻固體酸糖化發(fā)酵制備燃料乙醇的方法，以富含碳水化合物微藻為原料，在固體酸作為催化劑的條件下，將經(jīng)過(guò)離心濃縮的微藻培養(yǎng)液置用高溫液體水方法處理，然后發(fā)酵制備生產(chǎn)乙醇，簡(jiǎn)單環(huán)保，微藻易得且生長(zhǎng)快速、細(xì)胞內(nèi)纖維素氫鍵較弱，更易被降解為單糖(CN104073524A)。

中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所公開(kāi)了一種以大型海藻生物質(zhì)為原料高效生產(chǎn)燃料乙醇的方法，將大型海藻生物質(zhì)進(jìn)行清洗，破碎，添加水解催化劑得到醪液，進(jìn)行脫毒處理、滅菌處理，添加氮源物質(zhì)，接種發(fā)酵菌株發(fā)酵得到乙醇，大幅提高了發(fā)酵微生物對(duì)海藻生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率，同時(shí)發(fā)酵液乙醇濃度也得到了大幅提高(CN102220380B)。

韓國(guó)海洋設(shè)計(jì)研究院提供了一種方法，以水或油為介質(zhì)，對(duì)海藻提取物進(jìn)行高壓力液化，從而縮短發(fā)酵時(shí)間，提高乙醇的產(chǎn)率(WO2013157688A1，AU2008360491B2，KR100908425B1)。

青島博研達(dá)工業(yè)技術(shù)研究所公開(kāi)了一種滸苔高值化提取方法，以蛋白酶、果膠酶、纖維素酶制成復(fù)合酶，對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理，提高海藻酸鈉的提取率，制備燃料乙醇、滸苔有機(jī)肥，實(shí)現(xiàn)了滸苔的高值化綜合利用(CN104341535B)。

華東師范大學(xué)公開(kāi)了一種以水華藍(lán)藻為原料制備生物乙醇的方法，采用再培養(yǎng)的方法，使得水華藍(lán)藻中糖含量顯著和生物可利用性上升，大大提高生物乙醇的產(chǎn)率，為水華藍(lán)藻提供了有效的資源化途徑(CN109628502A)。

韓國(guó)生產(chǎn)技術(shù)學(xué)院公開(kāi)了用于從海藻類(lèi)原料連續(xù)制備糖化液的工藝和裝置(KR101096183B1)。

藻類(lèi)生物過(guò)程有限責(zé)任公司公開(kāi)了使用微藻底物同時(shí)糖化和發(fā)酵的工藝，調(diào)節(jié)培養(yǎng)液混合物的溫度和pH以減緩葡萄糖轉(zhuǎn)化速率并匹配微藻的葡萄糖代謝速率(CN107109442A)。

?？松梨谘芯抗こ坦咎峁┯糜谠鰪?qiáng)從藻源生物質(zhì)回收產(chǎn)物的工藝集成的系統(tǒng)和方法，允許增加來(lái)源于可再生來(lái)源的輸入料流及其它試劑的使用，增加了從所述藻源生物質(zhì)中提取的產(chǎn)物的總體可再生特性(CN103998583B)。

奧奇能生物能源公司/生物技術(shù)公司提供了用于接種藍(lán)藻的并聯(lián)連接的多個(gè)封閉的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)和生產(chǎn)方法(US20160024458A1)。

拜爾公司提供了一種用于藻類(lèi)生長(zhǎng)的光生物反應(yīng)器，低沉本、高產(chǎn)率和易操作(WO2011034567A2)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上專(zhuān)利概況和具體技術(shù)的分析，可以看到藻類(lèi)燃料乙醇技術(shù)已經(jīng)成為世界各研究機(jī)構(gòu)、能源科技公司研究的熱點(diǎn)，從基因工程對(duì)藻種的篩選，對(duì)發(fā)酵過(guò)程中酶和酵母的改進(jìn)，到預(yù)處理和生產(chǎn)工藝，全流程都已經(jīng)積累了很多技術(shù)創(chuàng)新，規(guī)?；诩?，將替代現(xiàn)有的部分燃料乙醇制造工藝，成為市場(chǎng)關(guān)注的重點(diǎn)。分析中發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)做出相關(guān)研究的機(jī)構(gòu)很多，研究方向覆蓋也很全，但是在申請(qǐng)時(shí)對(duì)專(zhuān)利布局不夠重視，僅申請(qǐng)核心專(zhuān)利，缺乏外圍專(zhuān)利的構(gòu)筑，容易在技術(shù)實(shí)施時(shí)被規(guī)避；同時(shí)，可能是由于經(jīng)濟(jì)或難度的限制，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人并未積極在國(guó)外其他主要市場(chǎng)的國(guó)家申請(qǐng)專(zhuān)利，這將造成權(quán)利的損失。因此，在繼續(xù)做好藻類(lèi)燃料乙醇基礎(chǔ)技術(shù)研究的同時(shí)，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人需要在專(zhuān)利的申請(qǐng)上更加主動(dòng)，加大布局力度，合理保護(hù)自身的利益。