（國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心，天津 300300）

摘要：“雙碳”背景下，藻類固碳技術(shù)成為當(dāng)前最重要、最有效的綠色固碳手段之一，其中藻類培養(yǎng)工藝是其核心技術(shù)。以藻類培養(yǎng)工藝專利技術(shù)為研究對(duì)象，對(duì)該領(lǐng)域?qū)＠M(jìn)行分析。研究有助于了解藻類培養(yǎng)工藝在生物固碳方面的專利布局，并為藻類在固碳方面的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：藻類;固碳;培養(yǎng)工藝;專利分析

藻類等光合固碳生物通過光合作用的暗反應(yīng)（卡爾文循環(huán)）可以將無機(jī)碳化合物轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳化合物。微藻是高效的光合固碳生物，在微藻生物質(zhì)中碳約占50%，1 t微藻可固定CO2約1.83 t。因此，藻類固碳技術(shù)被認(rèn)為是目前最重要、最有效的生物固碳方法之一。同時(shí)微藻自身或者代謝產(chǎn)物具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，所以藻類在廢水處理、生產(chǎn)保健食品、藥物等方面有著廣泛的應(yīng)用。隨著大規(guī)模生產(chǎn)生物柴油的出現(xiàn)，藻類因其在不利生長條件下可以大量積累脂質(zhì)的能力而備受關(guān)注，而藻類培養(yǎng)工藝是影響藻類生長的重要因素。

1數(shù)據(jù)來源

本文以incopat作為專利檢索數(shù)據(jù)庫，結(jié)合藻類培養(yǎng)、固碳相關(guān)概念確定分類號(hào)和關(guān)鍵詞，對(duì)2024年4月30日前公開的專利申請(qǐng)進(jìn)行了檢索，去噪后獲得1 181篇專利（簡(jiǎn)單同族以一篇專利為代表），隨后對(duì)藻類固碳技術(shù)專利情況進(jìn)行了分析。由于專利從申請(qǐng)到公開有18個(gè)月的滯后期，檢索日期前18個(gè)月的數(shù)據(jù)并非完整的全年數(shù)據(jù)，僅供參考。

2專利申請(qǐng)態(tài)勢(shì)

2.1整體情況

從藻類培養(yǎng)工藝的全球?qū)＠暾?qǐng)總體趨勢(shì)來看，2008年之前處于研發(fā)初期，盡管數(shù)量較少，但每年都會(huì)保持著相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值。自2008年以后，受到能源危機(jī)和環(huán)保壓力的影響，作為生物固碳的主要技術(shù)分支，藻類培養(yǎng)工藝專利的發(fā)展進(jìn)入了發(fā)展黃金期，專利數(shù)量呈階梯式快速增長。受疫情影響，2019—2022年發(fā)展?jié)u緩，2023年后出現(xiàn)一個(gè)明顯的回升趨勢(shì)。

2.2申請(qǐng)國別分布和申請(qǐng)人分析

從專利申請(qǐng)量的國別分布數(shù)據(jù)（中國53%，美國12%，韓國9%，日本9%，巴西3%，德國2%，澳大利亞2%，其他10%）可以看出，藻類培養(yǎng)工藝的申請(qǐng)以國內(nèi)申請(qǐng)為主，占比達(dá)53%，申請(qǐng)量較高的國家為美國、日本和韓國。但同時(shí)需要注意，與其他多數(shù)技術(shù)領(lǐng)域有所不同，我國固碳領(lǐng)域藻類培養(yǎng)工藝專利在數(shù)量上并未占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，國外相關(guān)的研發(fā)也占據(jù)了較高的份額，除幾大國外，其他國家仍占有高達(dá)17%的比例，說明在全球，利用藻類進(jìn)行生物固碳都是研究熱點(diǎn)。國內(nèi)主要申請(qǐng)人為中國科學(xué)院、中國石油化工有限公司、新奧科技發(fā)展有限公司，其中，中國石化科學(xué)研究院微藻生物技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)微藻高值化利用的方向開展了深入研究，開發(fā)了涉及優(yōu)良藻種選育、微藻規(guī)模養(yǎng)殖、采收加工到微藻生物質(zhì)利用的全產(chǎn)業(yè)鏈成套技術(shù)。國內(nèi)其他申請(qǐng)量較高的申請(qǐng)人以高校為主，集中于藻類培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)室研究階段［1］。

3藻類固碳培養(yǎng)工藝專利情況

對(duì)藻類培養(yǎng)工藝專利進(jìn)行人工閱讀標(biāo)引后可以看出，我國藻類培養(yǎng)工藝方面的研究熱點(diǎn)集中于通過營養(yǎng)供給的手段縮短藻類生長周期以及提高藻類產(chǎn)品附加值，簡(jiǎn)化工藝方面的研究內(nèi)容較少。但是，相關(guān)專利申請(qǐng)數(shù)量多于其他國家，并且在如何簡(jiǎn)化工藝方面的專利申請(qǐng)優(yōu)勢(shì)明顯，其余方面專利申請(qǐng)數(shù)量差別不大。

3.1營養(yǎng)供給

適當(dāng)濃度的氮、磷、鉀、微量元素以及調(diào)節(jié)各營養(yǎng)物質(zhì)的最佳比例能夠促進(jìn)藻類的快速生長和CO2的高效固定。因此，技術(shù)研究重點(diǎn)多集中于確定培養(yǎng)液的最佳組成。例如，羅蓋特公司提供了一種微藻的無菌培養(yǎng)方法，向培養(yǎng)基中添加適量磷酸鉀鹽、硫酸銨鹽、鎂鹽、鈣鹽、鐵鹽以及有機(jī)碳源，在鼓入空氣條件下進(jìn)行培養(yǎng)，以此加快藻類生長繁殖。青島科技大學(xué)提供了一種原多甲藻的培養(yǎng)基與培養(yǎng)方法，該方法給出了原多甲藻培養(yǎng)基的最適營養(yǎng)鹽配方，可提高原多甲藻毒素產(chǎn)量并降低養(yǎng)殖成本。同時(shí)，為了進(jìn)一步降低成本，部分專利申請(qǐng)將諸如污水、煙氣、農(nóng)業(yè)廢棄物等含有微藻生長的大部分營養(yǎng)元素物質(zhì)作為微藻生長的營養(yǎng)來源。清華大學(xué)提供了一種利用秸稈纖維水解液培養(yǎng)微藻的方法，其以農(nóng)業(yè)秸稈纖維水解液為基質(zhì)，用于培養(yǎng)具備異養(yǎng)能力的蛋白核小球藻和普通小球藻，該方法所得藻液濃度高、藻細(xì)胞生長速度快，可為微藻生物質(zhì)產(chǎn)品的生產(chǎn)提供廉價(jià)的生物質(zhì)原料，降低生產(chǎn)成本，產(chǎn)出的微藻生物質(zhì)滿足不同用途的使用要求，且實(shí)現(xiàn)了對(duì)秸稈廢棄物資源的有效回收利用。

3.2CO2利用策略

由于CO2利用策略會(huì)影響CO2在藻液中的溶解量，從而影響微藻的生長及CO2固定效率，進(jìn)而影響到藻類培養(yǎng)的生產(chǎn)成本，因此，研究重點(diǎn)多在如何提高CO2的溶解量上。例如，Mehran Parsheh等提供一種藻類培養(yǎng)池，如CO2擴(kuò)散器，該擴(kuò)散器可以設(shè)置為類似文丘里管的結(jié)構(gòu)，以此將CO2與藻體培養(yǎng)液充分混合，提高CO2的溶解量，使其更易被微藻吸收，以此提高了微藻生長速度和微藻固碳效果;北海生巴達(dá)生物科技有限公司提供了一種增加微藻培養(yǎng)用水CO2溶解度的方法，其采用抽水泵將微藻培養(yǎng)槽中的污水抽入高濃度氣體溶解裝置中，同時(shí)向高濃度氣體溶解裝置中通入CO2，通過控制所述高濃度氣體溶解裝置使CO2均勻溶解于污水中獲得高CO2水，然后通過所述高濃度氣體溶解裝置的排水孔將高CO2回放至微藻培養(yǎng)槽中。上述方法能提高水中無機(jī)CO2濃度，降低原生動(dòng)物污染機(jī)會(huì)，抑制氨氮病原菌，降低微藻死亡率，促進(jìn)微藻生長，增加微藻產(chǎn)量，提高微藻品質(zhì)，CO2溶于水的過程為無氣泡溶解，避免損傷藻類，提高微藻培養(yǎng)純度，降低微藻培養(yǎng)成本。

3.3光管理

光是影響藻類生長的最重要因素，它不僅為藻類生長提供能量，還作為信號(hào)分子調(diào)控細(xì)胞中多種代謝產(chǎn)物的生物合成。因此，光照強(qiáng)度和光質(zhì)選擇始終是研究熱點(diǎn)。例如，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)提供了一種利用深色度沼液培養(yǎng)微藻的方法。該方法基于光衰減模型確定光生物反應(yīng)器內(nèi)平均光強(qiáng)與入射光強(qiáng)的變化關(guān)系，依據(jù)上述變化關(guān)系在培養(yǎng)微藻過程中動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)入射光強(qiáng)，以保證所述平均光強(qiáng)滿足微藻生長需求。該方法使平均光強(qiáng)維持在微藻生長的適宜范圍內(nèi)，從而促進(jìn)微藻的生長。Richard Redpath提供了一種用于刺激藻類生長的方法，該方法階段性調(diào)整激光燈波長的比率和類型，在藻類的萌發(fā)初期使用單個(gè)藍(lán)色激光燈，接著使用兩個(gè)激光燈，一個(gè)藍(lán)色，一個(gè)紅色，以這種方式減少激光燈的布置面積，刺激藻類生長，消耗更少的能量來生產(chǎn)生物制品。

3.4營養(yǎng)方式優(yōu)化

藻類的營養(yǎng)方式主要包括光自養(yǎng)、混養(yǎng)和異養(yǎng)。其中，藻類在光自養(yǎng)和混養(yǎng)時(shí)可以進(jìn)行光合作用，從而將CO2固定下來產(chǎn)生藻油等生物制品。但是藻類在這兩種培養(yǎng)模式下很難實(shí)現(xiàn)超高細(xì)胞密度生長（生物量超過200 g/L），而異養(yǎng)則需要利用有機(jī)碳源進(jìn)行發(fā)酵，并在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的細(xì)胞密度。因此，如何結(jié)合3者的優(yōu)點(diǎn)是培養(yǎng)方式優(yōu)化的主要研究內(nèi)容。例如William McCaffrey等提供了一種生產(chǎn)藻類產(chǎn)品的方法，包括在第一異養(yǎng)或光異養(yǎng)生長條件下生長藻類，以增加藻類細(xì)胞分裂的速率和藻類細(xì)胞數(shù)，之后在第二自養(yǎng)生長條件下吸收CO2以產(chǎn)生藻類產(chǎn)物，其中在第二生長條件下藻細(xì)胞數(shù)沒有顯著變化。高麗大學(xué)校產(chǎn)學(xué)協(xié)力團(tuán)提供了一種通過自養(yǎng)和異養(yǎng)培養(yǎng)容器連接培養(yǎng)的方法。在自養(yǎng)模式下，培養(yǎng)基為TAPC培養(yǎng)基；在異養(yǎng)模式和混合營養(yǎng)模式下，將葡萄糖或乙酸以5 g/L加入TAPC中以用作有機(jī)碳源。自養(yǎng)模式下，微藻產(chǎn)生氧氣供給至異養(yǎng)模式產(chǎn)生的CO2，異養(yǎng)模式下則相反，上述氣體交換在增加生物產(chǎn)量方面起到了重要作用［2］。

4核心專利分析

對(duì)綜合藻類培養(yǎng)工藝技術(shù)進(jìn)行路線分析，結(jié)合專利被引用次數(shù)、法律狀態(tài)，篩選出需要注意規(guī)避知識(shí)產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn)的國外來華專利、已失效的可參考專利和現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)專利，得到核心專利7篇，分別為有效專利US20080155890A1、FR2924126A1、CN103805514A、CN102154110A，失效專利US20130040380A1、US3468057A、US3444647A。

在上述核心專利中，探究其多級(jí)引證關(guān)系，能夠進(jìn)一步獲得相關(guān)技術(shù)發(fā)展路徑。以被引證次數(shù)最高、維持年限較長的US20080155890A1為例，其提供了一種藻類培養(yǎng)裝置，通過設(shè)置不同透光度的蓋板，實(shí)現(xiàn)藻類培養(yǎng)液在不同光照條件下生長;一級(jí)引證文獻(xiàn)US20090126265A1同樣涉及一種藻類培養(yǎng)裝置及培養(yǎng)方法，在前述藻類培養(yǎng)裝置的基礎(chǔ)上測(cè)量光照強(qiáng)度，通過實(shí)際光照強(qiáng)度調(diào)整通入的二氧化碳量;二級(jí)引證文獻(xiàn)US20100183744A1則是在前述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)進(jìn)水鹽度和溫度以保持優(yōu)勢(shì)藻種的最佳生長條件;三級(jí)引證文獻(xiàn)US8752329B2利用循環(huán)跑道式藻類培養(yǎng)池進(jìn)一步提高二氧化碳利用率;四級(jí)引證文獻(xiàn)US20150250113A1屬于自動(dòng)化控制領(lǐng)域，通過采集藻類培養(yǎng)過程中的環(huán)境因素進(jìn)而自動(dòng)化控制進(jìn)水營養(yǎng)成分和二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度等因素。通過對(duì)相關(guān)專利文獻(xiàn)的引用關(guān)系梳理，可以獲悉相關(guān)技術(shù)發(fā)展路徑，為下一步研發(fā)提供基礎(chǔ)。

整體而言，藻類固碳培養(yǎng)工藝路線較為成熟，中外企業(yè)、科研院校等對(duì)其工藝全流程各步驟的工藝都已進(jìn)行了較為深入的研究。我國由于起步較晚，對(duì)于國內(nèi)各創(chuàng)新主體而言，在規(guī)避知識(shí)產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，可結(jié)合重點(diǎn)專利技術(shù)和核心專利技術(shù)，積極參考借鑒成熟技術(shù)，探索進(jìn)一步的發(fā)展［3］。

5總結(jié)與建議

藻類在生物固碳領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，而藻類培養(yǎng)工藝是藻類實(shí)現(xiàn)高效固碳的核心技術(shù)。對(duì)藻類固碳培養(yǎng)工藝專利申請(qǐng)發(fā)展趨勢(shì)、申請(qǐng)區(qū)域分布情況等進(jìn)行了整體分析，介紹了營養(yǎng)供給、CO2利用策略、光管理和營養(yǎng)方式優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)手段的專利情況?；谏鲜龇治鰞?nèi)容，提出如下幾點(diǎn)建議：

（1） 國內(nèi)創(chuàng)新主體可持續(xù)關(guān)注藻類固碳培養(yǎng)工藝的研究熱點(diǎn)（縮短生長周期、提高產(chǎn)品附加值），進(jìn)一步推進(jìn)在營養(yǎng)供給方面的已有研究，并積極探索在CO2利用策略、光管理、培養(yǎng)方式優(yōu)化方面的相關(guān)技術(shù)。

（2） 由于國外藻類培養(yǎng)工藝在如何簡(jiǎn)化工藝方面專利布局程度不足，我國創(chuàng)新主體可結(jié)合自身技術(shù)優(yōu)勢(shì)，積極研究如何簡(jiǎn)化工藝并針對(duì)此方面進(jìn)行全球?qū)＠季?在縮短生長周期和提高產(chǎn)品附加值方面，國外研發(fā)路徑和專利數(shù)量與我國大體相同，我國創(chuàng)新主體向海外布局時(shí)，需注意規(guī)避美國、韓國、日本相關(guān)技術(shù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn)。

（3） 利用廢水、廢氣培養(yǎng)藻類從而實(shí)現(xiàn)廢物資源化在國外起步較早，技術(shù)工藝較為成熟，我國申請(qǐng)主體可以參考已有技術(shù)，在規(guī)避知識(shí)產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合重點(diǎn)專利技術(shù)和核心專利技術(shù)，梳理各關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展路徑，探索進(jìn)一步發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

［1］王磊，吳海燕，李清云，等.原多甲藻的培養(yǎng)基與培養(yǎng)方法：中國，106635815A［P］.20170510.

［2］張瑋瑲，薛命雄，李玉芬，等.一種增加微藻培養(yǎng)用水CO2溶解度的方法：中國，109355191A［P］.20190219.

［3］盧海鳳，陳朝睿，趙芮晗，等.一種利用深色度沼液培養(yǎng)微藻的方法：中國，114045220A［P］.20220215.

作者簡(jiǎn)介：張艷穩(wěn)，女，河北唐山人，副研究員，碩士，研究方向：專利審查和知識(shí)產(chǎn)權(quán)服務(wù)。