吳 崢

(國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100160)

世界各國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，車用乙醇汽油正式投入使用。2018年12月29日，國家發(fā)改委等七部委聯(lián)合發(fā)布公告，2019年1月1日起，全國全面供應(yīng)符合第六階段強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)VIA車用汽油(含E10乙醇汽油)、VI車用柴油(含B5生物柴油)。

根據(jù)所發(fā)酵的生物質(zhì)種類，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，近年來市場重心已經(jīng)逐步向纖維素乙醇轉(zhuǎn)移。而新生代藻類乙醇又開拓了新的原料領(lǐng)域，藻類物質(zhì)具有生長速度快，產(chǎn)量高，不依賴農(nóng)業(yè)化肥農(nóng)藥和耕種土地等優(yōu)勢，并且藻類物質(zhì)中難以處理的木質(zhì)素很少，同時纖維素類型不同、氫鍵較弱，在燃料乙醇領(lǐng)域是最理想不過的原料。

1 專利概況

1.1 申請趨勢

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

圖1 關(guān)于藻類燃料乙醇相關(guān)專利申請

1.2 創(chuàng)新與市場

如圖2，從申請人國別上看，美國占據(jù)領(lǐng)先的地位，中國、韓國、日本在該領(lǐng)域也積累了相當(dāng)多的技術(shù)。從申請進(jìn)入的國家看，在中國(CN)、美國(US)、日本(JP)、韓國(KR)和歐洲(EP)申請的專利較多，一定程度上反應(yīng)了各大公司的布局。中國的申請量暫時落后美國，而進(jìn)入中國的專利已經(jīng)排名第一，可見中國藻類燃料乙醇的市場潛力較大，得到各大經(jīng)濟(jì)體的重視。此外，可以看出美國和韓國申請了較多的PCT國際申請(WO)，在本國之外也提交了較多申請，相對來說更為重視海外市場。

圖2 申請人國別

1.3 主要申請人

該領(lǐng)域?qū)＠暾埩颗琶谝坏娜匀皇侨剂弦掖夹袠I(yè)龍頭美國希樂克(XYLECO)公司，申請了33件，美國奧奇能(ALGENOL)生物能源公司/生物技術(shù)公司申請了29件，日本三菱重工申請了18件(集中于20世紀(jì)90年代，大部分已經(jīng)超過保護(hù)期限失效了)。中國申請人中，上海海洋大學(xué)等26所高校申請了33件，中國科學(xué)院廣州能源所等7個中科院研究所申請了14件；中糧集團(tuán)有限公司申請了5件，在企業(yè)中領(lǐng)先。與國外相比，我國的申請人更加分散，未形成明顯的匯聚趨勢。

1.4 技術(shù)領(lǐng)域

除去核心分類號C12P7/06(生物化學(xué)制備非飲用乙醇)C12P7/08(C12P7/06的下級分類號，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的下級分類號，含纖維素材料的基質(zhì))，該領(lǐng)域的專利還存在以下主分類號：C12N1/12，單細(xì)胞藻類本身；C12P7/16，生物化學(xué)制備丁醇；C12P7/64，生物化學(xué)制備脂類；C12P5/02，生物化學(xué)制備無環(huán)烴；C12P7/16，生物化學(xué)制備丁醇，等。即除了對藻類本身的研究，在發(fā)酵中聯(lián)產(chǎn)其他有機(jī)物也是研究的重點(diǎn)。

對該領(lǐng)域?qū)＠乃杏⑽恼龈哳l關(guān)鍵詞的共現(xiàn)分析(參見圖3)，可以直觀看出申請人的研究中，原料集中于海藻(seaweed/marine algae)、藍(lán)藻(cyanobacterium)、微藻(microalga/microalgae)和紅藻(red algae)，對各種藻類品種(strain)進(jìn)行篩選。研究發(fā)酵過程的重點(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爭某些形式的磷，以在非無菌條件培養(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)粒或基因組上整合有木醋桿菌的7個纖維素合成相關(guān)基因，該工程菌纖維素含量占細(xì)胞壁干重的13%左右，同時生長周期短，不存在木材中的木質(zhì)素的污染問題，其提取和純化過程可以大大簡化，減少排放(CN102242065B)。

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

中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所公開了一種對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，不需要通過離心處理、過濾處理等來濃縮或回收藻體的工序，簡化了設(shè)備(CN109844094A)。

2.2 酶與酵母研究

韓國生產(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制備乙醇的突變體菌株的卡斯特酒香酵母(WO2011087336A2)。

中國科學(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)。

丹尼斯科美國公司公開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，通過這種“淬火”過程改變原料的結(jié)構(gòu)，例如減小原料的平均分子量、改變原料的晶體結(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)纖維素在水解過程中的產(chǎn)率(WO2009134764A2)。同時還提出了通過常規(guī)電滲析、反向電滲析和/或雙極性膜電滲析包含藻類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)處理和糖化藻類生物質(zhì)的方法，包括脫水、切割和糖化步驟(US20100209976A1，KR1020100093253A)。

中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所公開了一種利用自由基預(yù)處理藻類的方法，將藻類進(jìn)行干燥、粉碎、過篩、稱重、醋酸～醋酸鈉緩沖液浸泡以及向藻類浸泡液中加入硫酸亞鐵溶液和過氧化氫溶液，用時短、能耗低、操作簡單、無抑制物、無腐蝕性物質(zhì)、環(huán)境友好、對預(yù)處理設(shè)備要求低，適用于藻類物質(zhì)的大規(guī)模預(yù)處理(CN103555792B)。

中國科學(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，簡單環(huán)保，微藻易得且生長快速、細(xì)胞內(nèi)纖維素氫鍵較弱，更易被降解為單糖(CN104073524A)。

中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所公開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)酵微生物對海藻生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率，同時發(fā)酵液乙醇濃度也得到了大幅提高(CN102220380B)。

韓國海洋設(shè)計研究院提供了一種方法，以水或油為介質(zhì)，對海藻提取物進(jìn)行高壓力液化，從而縮短發(fā)酵時間，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)。

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

藻類生物過程有限責(zé)任公司公開了使用微藻底物同時糖化和發(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)。

埃克森美孚研究工程公司提供用于增強(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，允許增加來源于可再生來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生長的光生物反應(yīng)器，低沉本、高產(chǎn)率和易操作(WO2011034567A2)。

3 結(jié)語

通過以上專利概況和具體技術(shù)的分析，可以看到藻類燃料乙醇技術(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)，從基因工程對藻種的篩選，對發(fā)酵過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，成為市場關(guān)注的重點(diǎn)。分析中發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)做出相關(guān)研究的機(jī)構(gòu)很多，研究方向覆蓋也很全，但是在申請時對專利布局不夠重視，僅申請核心專利，缺乏外圍專利的構(gòu)筑，容易在技術(shù)實(shí)施時被規(guī)避；同時，可能是由于經(jīng)濟(jì)或難度的限制，國內(nèi)申請人并未積極在國外其他主要市場的國家申請專利，這將造成權(quán)利的損失。因此，在繼續(xù)做好藻類燃料乙醇基礎(chǔ)技術(shù)研究的同時，國內(nèi)申請人需要在專利的申請上更加主動，加大布局力度，合理保護(hù)自身的利益。