藻類燃料乙醇生產技術專利分析

吳 崢

(國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心，北京 100160)

世界各國一直在尋找石油能源的替代品，在燃料領域，以生物質發酵制備燃料乙醇是研究的熱點。燃料乙醇具備辛烷值高、抗爆性好、大氣污染低的優點，與汽油混合可形成不同標準的乙醇汽油。2018年8月25日起，天津市內有10座加油站率先進行汽油置換，車用乙醇汽油正式投入使用。2018年12月29日，國家發改委等七部委聯合發布公告，2019年1月1日起，全國全面供應符合第六階段強制性國家標準VIA車用汽油(含E10乙醇汽油)、VI車用柴油(含B5生物柴油)。

根據所發酵的生物質種類，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，第二代以農業廢棄物(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”乙醇缺點在于使用糧食作物作為原料，近年來市場重心已經逐步向纖維素乙醇轉移。而新生代藻類乙醇又開拓了新的原料領域，藻類物質具有生長速度快，產量高，不依賴農業化肥農藥和耕種土地等優勢，并且藻類物質中難以處理的木質素很少，同時纖維素類型不同、氫鍵較弱，在燃料乙醇領域是最理想不過的原料。

1 專利概況

1.1 申請趨勢

在中外文專利數據庫中，檢索到關于藻類燃料乙醇相關專利申請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領域，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 關于藻類燃料乙醇相關專利申請

1.2 創新與市場

如圖2，從申請人國別上看，美國占據領先的地位，中國、韓國、日本在該領域也積累了相當多的技術。從申請進入的國家看，在中國(CN)、美國(US)、日本(JP)、韓國(KR)和歐洲(EP)申請的專利較多，一定程度上反應了各大公司的布局。中國的申請量暫時落后美國，而進入中國的專利已經排名第一，可見中國藻類燃料乙醇的市場潛力較大，得到各大經濟體的重視。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

該領域專利申請量排名第一的仍然是燃料乙醇行業龍頭美國希樂克(XYLECO)公司，申請了33件，美國奧奇能(ALGENOL)生物能源公司/生物技術公司申請了29件，日本三菱重工申請了18件(集中于20世紀90年代，大部分已經超過保護期限失效了)。中國申請人中，上海海洋大學等26所高校申請了33件，中國科學院廣州能源所等7個中科院研究所申請了14件；中糧集團有限公司申請了5件，在企業中領先。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 技術領域

除去核心分類號C12P7/06(生物化學制備非飲用乙醇)C12P7/08(C12P7/06的下級分類號，作為副產品或從廢物或纖維素材料基質中制得)和C12P7/10(C12P7/08的下級分類號，含纖維素材料的基質)，該領域的專利還存在以下主分類號：C12N1/12，單細胞藻類本身；C12P7/16，生物化學制備丁醇；C12P7/64，生物化學制備脂類；C12P5/02，生物化學制備無環烴；C12P7/16，生物化學制備丁醇，等。即除了對藻類本身的研究，在發酵中聯產其他有機物也是研究的重點。

對該領域專利的所有英文摘要做高頻關鍵詞的共現分析(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)、藍藻(cyanobacterium)、微藻(microalga/microalgae)和紅藻(red algae)，對各種藻類品種(strain)進行篩選。研究發酵過程的重點在于酶(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 該領域專利的所有英文摘要高頻關鍵詞共現分析

2 具體專利技術

2.1 藻種篩選

奧奇能生物能源公司/生物技術公司研究了基因增強代謝的、通過丙酮酸脫羧酶和醇脫氫酶途徑直接生物產出乙醇的藍藻(US9862974B2，US9765364B2，US9493794B2)；提供了轉基因藍藻細胞(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的情況下抑制污染。

新奧科技發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點的柵藻藻株，可用于生物柴油生產(CN102911872B，CN102943044B，CN102978114B)，一種環境適應能力強，高溫耐受能力強，油脂尤其是二十碳五烯酸含量高，對CO2的處理能力強，可高溫養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乙醇的基因修飾的藍藻，其構建體和方法(US6699696B2，AU779434B2)。

北京大學公開了一種藍藻工程菌及其制備方法和應用，該藍藻工程菌為cesA基因缺失的藍藻突變體，質粒或基因組上整合有木醋桿菌的7個纖維素合成相關基因，該工程菌纖維素含量占細胞壁干重的13%左右，同時生長周期短，不存在木材中的木質素的污染問題，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基因進行敲除和過表達，得到對乙醇耐受性顯著提高集胞藻PCC6803藻株(CN109706104A、CN106399114A)。

中國科學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，乙醇耐受相關基因為slr0599，在1.5%(v/v)的乙醇脅迫下，該藻株的生長狀態明顯優于野生型藻株(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乙醇的基因工程藍藻，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，以及制備該藍藻的載體和方法，和使用該藍藻生產乙醇的方法(CN102732426B)。

本田公司公開了一種微細藻，屬于衣藻屬，該微細藻是在黑暗厭氧條件下具有乙醇產生能力、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，簡化了設備(CN109844094A)。

2.2 酶與酵母研究

韓國生產技術學院提供了利用紅藻生產生物燃料的方法，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生單糖，使用微生物發酵單糖以產生生物燃料(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)。

中國科學院天津工業生物技術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用于乙醇生產，適應海藻中褐藻多酚等物質的抑制作用，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，達到乙醇的高效產出(CN105543115A)。

華南理工大學公開了一種經優化的高溫酸性海藻糖酶TreMT1及其編碼基因與應用，穩定性好，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原料的利用率，減少資源浪費，提高生物能源的利用效率，降低生產成本(CN109652394A)。

上海海洋大學公開了一種曲霉菌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產酶，直接將該菌株的酶解系統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，將其降解為還原糖等單糖物質，為生物乙醇的發酵直接提供發酵底物(CN105820957A)。

丹尼斯科美國公司公開了使用海藻糖酶改善發酵產物包括乙醇的收率，改善酵母健康狀態，尤其是減小發酵結束DP2水平的方法(CN105722989A)。

2.3 預處理與生產工藝

希樂克公司提出，使用一定的加速電子輻射處理纖維素/木質纖維素原料，通過這種“淬火”過程改變原料的結構，例如減小原料的平均分子量、改變原料的晶體結構和/或增加原料的表面積和/或孔隙率，從而增加纖維素/木質纖維素在水解過程中的產率(WO2009134764A2)。同時還提出了通過常規電滲析、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液體中除去不想要的組分，如鹽(例如離子)和酸(例如，有機酸)的方法和系統(WO2014138594A1)。

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

中國科學院天津工業生物技術研究所公開了一種利用自由基預處理藻類的方法，將藻類進行干燥、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、環境友好、對預處理設備要求低，適用于藻類物質的大規模預處理(CN103555792B)。

中國科學院廣州能源研究所提供了一種富碳微藻固體酸糖化發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，將經過離心濃縮的微藻培養液置用高溫液體水方法處理，然后發酵制備生產乙醇，簡單環保，微藻易得且生長快速、細胞內纖維素氫鍵較弱，更易被降解為單糖(CN104073524A)。

中國科學院寧波材料技術與工程研究所公開了一種以大型海藻生物質為原料高效生產燃料乙醇的方法，將大型海藻生物質進行清洗，破碎，添加水解催化劑得到醪液，進行脫毒處理、滅菌處理，添加氮源物質，接種發酵菌株發酵得到乙醇，大幅提高了發酵微生物對海藻生物質的轉化效率，同時發酵液乙醇濃度也得到了大幅提高(CN102220380B)。

韓國海洋設計研究院提供了一種方法，以水或油為介質，對海藻提取物進行高壓力液化，從而縮短發酵時間，提高乙醇的產率(WO2013157688A1，AU2008360491B2，KR100908425B1)。

青島博研達工業技術研究所公開了一種滸苔高值化提取方法，以蛋白酶、果膠酶、纖維素酶制成復合酶，對原料進行預處理，提高海藻酸鈉的提取率，制備燃料乙醇、滸苔有機肥，實現了滸苔的高值化綜合利用(CN104341535B)。

華東師范大學公開了一種以水華藍藻為原料制備生物乙醇的方法，采用再培養的方法，使得水華藍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率，為水華藍藻提供了有效的資源化途徑(CN109628502A)。

韓國生產技術學院公開了用于從海藻類原料連續制備糖化液的工藝和裝置(KR101096183B1)。

藻類生物過程有限責任公司公開了使用微藻底物同時糖化和發酵的工藝，調節培養液混合物的溫度和pH以減緩葡萄糖轉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從藻源生物質回收產物的工藝集成的系統和方法，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中提取的產物的總體可再生特性(CN103998583B)。

奧奇能生物能源公司/生物技術公司提供了用于接種藍藻的并聯連接的多個封閉的光生物反應器系統和生產方法(US20160024458A1)。

拜爾公司提供了一種用于藻類生長的光生物反應器，低沉本、高產率和易操作(WO2011034567A2)。

3 結語

通過以上專利概況和具體技術的分析，可以看到藻類燃料乙醇技術已經成為世界各研究機構、能源科技公司研究的熱點，從基因工程對藻種的篩選，對發酵過程中酶和酵母的改進，到預處理和生產工藝，全流程都已經積累了很多技術創新，規模化在即，將替代現有的部分燃料乙醇制造工藝，成為市場關注的重點。分析中發現，國內做出相關研究的機構很多，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，缺乏外圍專利的構筑，容易在技術實施時被規避；同時，可能是由于經濟或難度的限制，國內申請人并未積極在國外其他主要市場的國家申請專利，這將造成權利的損失。因此，在繼續做好藻類燃料乙醇基礎技術研究的同時，國內申請人需要在專利的申請上更加主動，加大布局力度，合理保護自身的利益。