燃料乙醇領(lǐng)域的專利狀況分析

李煦穎，張鑫蕊，馬秋娟，張秀麗

（1國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，醫(yī)藥生物部，北京 100190；2審查業(yè)務(wù)部，北京 100190）

燃料乙醇是以玉米、小麥、薯類、蜜糖或其它植物為原料，經(jīng)過發(fā)酵、蒸餾后制成的，體積分?jǐn)?shù)達(dá)到 99.5%以上的無水乙醇。燃料乙醇作為一種新興的、燃燒清潔的可再生能源，能夠降低對不可再生資源——石油的能源消耗。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用玉米、小麥、薯類、甜高粱、稻殼、甘蔗、蜜糖等植物原料發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇時(shí)，其燃燒所排放的CO2和作為原料的植物在生長時(shí)消耗的CO2數(shù)量基本持平，因而燃料乙醇的應(yīng)用對降低大氣污染、抑制溫室效應(yīng)具有重大意義。目前，美國和巴西等國家已經(jīng)陸續(xù)實(shí)現(xiàn)燃料乙醇的產(chǎn)業(yè)化，而我國在國家政策的支持下，燃料乙醇產(chǎn)業(yè)也逐步發(fā)展起來。

1 各國的國家政策及技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

巴西是目前世界上最大的生物燃料生產(chǎn)國，早在20世紀(jì)70年代就開始實(shí)施生物燃料計(jì)劃，截止目前生物燃料產(chǎn)值已經(jīng)占到全國GDP的8%。

美國是世界上第二大可再生燃料生產(chǎn)國，從20世紀(jì)80年代開始投入研發(fā)，到2004年產(chǎn)量已達(dá)129億升。在美國能源信息署（EIA）發(fā)布的《能源展望2010》中預(yù)測，2008—2035年間石油消費(fèi)量的增長部分將全部由生物液體燃料提供，燃料乙醇的消費(fèi)量可占到石油消費(fèi)量的17%[1]。

歐盟委員會(huì)于 2003年通過了兩項(xiàng)生物燃料指令[2]，規(guī)定含有燃料乙醇或生物柴油的燃料可免征燃油稅，旨在推動(dòng)歐盟發(fā)展燃料乙醇和生物柴油的生產(chǎn)。2004年，歐盟的燃料乙醇和生物柴油產(chǎn)量分別為5.26億升和22億升。

在我國，國家發(fā)展與改革委員會(huì)、科技部、能源局等多個(gè)部門均發(fā)布了燃料乙醇相關(guān)的產(chǎn)業(yè)政策。2011年3月，國家發(fā)改委發(fā)布的《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2011年版）》[3]中將涉及生物質(zhì)纖維素乙醇等非糧生物質(zhì)燃料生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用定義為受鼓勵(lì)類的項(xiàng)目。2011年7月，科技部發(fā)布的《國家“十二五”科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》[4]中指出，要重點(diǎn)發(fā)展纖維素基液體燃料、非糧作物燃料乙醇、生物液體燃料、能源植物良種選育及定向培育等5個(gè)方向的研發(fā)部署。2011年12月，國家能源局發(fā)布的《國家能源科技“十二五”規(guī)劃》[5]中劃分了 4個(gè)重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域，其中之一即為包括生物質(zhì)能在內(nèi)的新能源技術(shù)，其重大研究內(nèi)容涉及：生物質(zhì)制備液體燃料技術(shù)、纖維素水解制備液體燃料及其綜合利用示范工程、生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化制備液體燃料及多聯(lián)產(chǎn)示范工程，爭取在2021年達(dá)到開發(fā)以木質(zhì)纖維素為原料生產(chǎn)醇、丁醇等液體燃料及適應(yīng)多種非糧原料的先進(jìn)生物燃料產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)。

在上述國家政策的支持下，我國的燃料乙醇領(lǐng)域逐步發(fā)展起來。截至目前，以陳糧為原料的燃料乙醇技術(shù)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，總產(chǎn)量約180萬噸，以木薯等非糧作物為原料的燃料乙醇技術(shù)正在起步應(yīng)用，已建成年產(chǎn)20萬噸燃料乙醇的示范工廠；以纖維素為原料的燃料乙醇技術(shù)正處于研發(fā)及專利布局的重點(diǎn)時(shí)期，包括中糧、中國石化、諾維信等大型國企或外企已開展廣泛的研發(fā)工作并實(shí)現(xiàn)中試階段。總體而言，我國燃料乙醇領(lǐng)域正面臨蓬勃發(fā)展的重要階段，但核心技術(shù)仍然落后于世界先進(jìn)水平，產(chǎn)業(yè)化仍處于試點(diǎn)示范階段[6]。

2 各國(地區(qū))專利申請的狀況分析

眾所周知，專利保護(hù)是技術(shù)發(fā)展的有力保障。在燃料乙醇領(lǐng)域，美國等發(fā)達(dá)國家仍然占據(jù)研發(fā)的主導(dǎo)地位。以美國為例，20世紀(jì)80～90年代是專利申請的起步階段，相關(guān)專利申請緩慢上升，與此同時(shí)，美國政府制訂一系列燃料乙醇的發(fā)展計(jì)劃并制訂相關(guān)補(bǔ)貼政策，為燃料乙醇技術(shù)走向快速成長期奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。20世紀(jì)90年代至今是快速發(fā)展階段，相關(guān)專利的申請量呈現(xiàn)爆炸式增長，其中涉及轉(zhuǎn)基因植物新品種培育、發(fā)酵技術(shù)的優(yōu)化等相關(guān)領(lǐng)域成為專利申請的重點(diǎn)。就我國而言，在 21世紀(jì)初期，我國的專利申請主要以大學(xué)、科研院所為主，自2008年以后，由于國家政策的傾斜及資金扶持，企業(yè)申請比例正逐年增加。

2.1 樣本收集和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本文采用中國專利文摘數(shù)據(jù)庫（CNABS）和德溫特世界專利索引數(shù)據(jù)庫（DWPI）中收錄的專利文獻(xiàn)作為數(shù)據(jù)來源。經(jīng)前期預(yù)檢、分類號(hào)統(tǒng)計(jì)以及文獻(xiàn)篩選后，確定燃料乙醇主要涉及的分類號(hào)為C12P7/06、C12P7/08、C12P7/10、C12P7/12、C12P7/14。為了便于統(tǒng)計(jì)和更有針對性，樣本的采集主要集中在上述分類號(hào)下。同時(shí)，采用燃料乙醇中涉及原料、酶、菌、生產(chǎn)技術(shù)等關(guān)鍵詞與上述分類號(hào)結(jié)合的方式進(jìn)行檢索。

截止至2012年12月，在DWPI 數(shù)據(jù)庫中共獲得涉及燃料乙醇的專利申請約 4254 篇，在 CNABS數(shù)據(jù)庫中共獲得涉及燃料乙醇的專利申請約2644篇。

2.2 全球?qū)＠l(fā)展?fàn)顩r

圖 1為世界范圍內(nèi)燃料乙醇專利申請產(chǎn)出趨勢，從該技術(shù)領(lǐng)域的全球申請量發(fā)展趨勢來看，燃料乙醇的發(fā)展分為以下幾個(gè)階段。

第一階段（1978年前），自1970年起，燃料乙醇技術(shù)開始逐漸發(fā)展起來，到1977年總申請量達(dá)到45件。

第二階段（1978—1985年），繼前一階段的技術(shù)發(fā)展，在該階段申請量出現(xiàn)一個(gè)小高潮， 1978年申請量從原來的個(gè)位數(shù)突增到16件，此后幾年進(jìn)入一個(gè)較為穩(wěn)步的增長階段，并在1985年出現(xiàn)一個(gè)峰值，突破百件。

第三階段（1986—1998年），從1987年起，申請量出現(xiàn)下降趨勢，并且下降速度較快，較 1985年的104件減少了一半多，此后幾年申請量均持續(xù)較低的水平，每年的申請量均不足50件。

第四階段（1999年后），自1999年起的申請量開始恢復(fù)，上升至60件，此后開始逐年穩(wěn)步增加，自2006年后，申請量增長極為迅速，并在2008年達(dá)到高峰；雖然2009—2012年的數(shù)據(jù)略有下降，但考慮到 2009—2012年還有大量尚未公開的專利申請，因此這三年的實(shí)際專利申請量仍然可能超過之前幾年。

同時(shí)，燃料乙醇的專利授權(quán)時(shí)間趨勢與申請量大體一致，截止到2012年，該領(lǐng)域的專利授權(quán)總量已達(dá)到2895件，占申請總量的68.2%，2004年前該領(lǐng)域每年的授權(quán)量都沒有超過百件，從2006年開始，燃料乙醇的專利授權(quán)量進(jìn)入一個(gè)黃金時(shí)代，2008年到達(dá)峰值，近年來基本穩(wěn)定在較高的水平，該領(lǐng)域已經(jīng)日趨發(fā)展成熟。

2.3 產(chǎn)出和目標(biāo)國家或地區(qū)統(tǒng)計(jì)

從圖2和表1可以看出，燃料乙醇專利申請產(chǎn)出排在前5位的分別是美國、歐洲、日本、中國和巴西，其中以美國的申請量最多，約占全部申請總數(shù)的 1/3，歐洲位居第二；日本和中國的申請量比較接近，僅就申請數(shù)量來看，這兩個(gè)國家的實(shí)力相當(dāng)；巴西作為世界第一大甘蔗種植國和全球最大的燃料乙醇出國口，從1975年就開始實(shí)施燃料乙醇替代能源發(fā)展戰(zhàn)略，燃料乙醇技術(shù)創(chuàng)新已經(jīng)成為該國專利發(fā)展的重點(diǎn)。

從圖3和表2可以看出，由于美國、中國、歐洲、日本和加拿大在該領(lǐng)域占據(jù)主要市場，因此它們也是大多數(shù)企業(yè)認(rèn)為需要進(jìn)行專利保護(hù)和技術(shù)壟斷的關(guān)鍵地區(qū)。其中，進(jìn)入我國的相關(guān)專利位居第二位，一方面可能因?yàn)槟壳拔覈髽I(yè)關(guān)注該領(lǐng)域的發(fā)展，國內(nèi)申請人提交的專利申請較多；另一方面也預(yù)示了我國未來在該領(lǐng)域的市場競爭激烈，企業(yè)在實(shí)施技術(shù)時(shí)可能存在較多的專利壁壘。

表1 專利產(chǎn)出國家或地區(qū)排名

表2 申請目標(biāo)國家或地區(qū)排名

2.4 三代燃料乙醇技術(shù)的趨勢分析

按照生產(chǎn)原料劃分，燃料乙醇技術(shù)的發(fā)展包括3個(gè)階段，第1代燃料乙醇技術(shù)的生產(chǎn)主要來自于玉米、水稻、大豆等糧食作物，但面臨“與民爭糧，與糧爭地”的困境；經(jīng)過政策調(diào)整，目前的生產(chǎn)重點(diǎn)是第1.5代燃料乙醇技術(shù)，以木薯、甜菜等非糧淀粉類植物為主要原料；而燃料乙醇的未來發(fā)展方向是第2代燃料乙醇技術(shù)，采用麥稈、稻草和木屑等農(nóng)林廢棄物或藻類、紙漿廢液為主要原料。

2.4.1 總體狀況分析

圖4和圖5涉及1990—2012年期間第1代糧食類、第1.5代非糧淀粉類、第2代纖維素類原料專利申請量的年代變化趨勢統(tǒng)計(jì)，全球范圍內(nèi)各原料申請量總體仍處于增長期，但由于專利公開的滯后性，且大多以PCT申請為主，申請周期比較長，因此 2010—2012年涉及全球范圍內(nèi)的專利申請實(shí)際數(shù)量可能遠(yuǎn)大于統(tǒng)計(jì)數(shù)量；其中第2代燃料乙醇技術(shù)在國內(nèi)外均占據(jù)主要地位，均自2006年開始呈現(xiàn)快速增長的趨勢；對于第1代燃料乙醇技術(shù)，由于糧食危機(jī)的出現(xiàn)以及伴隨陳化糧的逐步消耗，該技術(shù)的申請量增長遲緩，正逐步退出研發(fā)市場；對于第1.5代燃料乙醇技術(shù)，國外的專利投入處于一個(gè)比較緩慢的發(fā)展期；與之相反的是，由于國內(nèi)政策傾斜，我國正處于申請量的持續(xù)增長期。

2.4.2 第1代燃料乙醇技術(shù)的發(fā)展趨勢

圖6和圖7涉及第1代原料的專利申請量。第1代糧食類原料技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展都已經(jīng)比較成熟，排名前三位的原料分別是玉米、小麥和稻。但是由于全球糧食短缺的日益嚴(yán)重，各國企業(yè)大多開始尋找采用非糧原料作為替代，因此第1代燃料乙醇技術(shù)的發(fā)展比較遲緩。在國內(nèi)，玉米作為燃料乙醇生產(chǎn)原料的歷史悠久，專利申請量也遠(yuǎn)高于其它品種的生產(chǎn)原料。

2.4.3 第1.5代燃料乙醇技術(shù)的發(fā)展趨勢

圖8和圖9涉及第1.5代原料的專利申請量趨勢。由于原料的產(chǎn)地原因，國內(nèi)外第1.5代主要原料種類不同。在國外以蜜糖、甘蔗和馬鈴薯為主，在馬鈴薯、甘蔗種植大國如美國、巴西的推動(dòng)下，以馬鈴薯、甘蔗為原料的燃料乙醇技術(shù)也成為近年來的熱點(diǎn)，利用制糖工業(yè)的副產(chǎn)品廢蜜糖為原料也是近年來比較環(huán)保的低成本生產(chǎn)方式；國內(nèi)排名前三位的分別是木薯、甜菜和高粱，我國從2006年起鼓勵(lì)發(fā)展第1.5代非糧食作物為原料的燃料乙醇技術(shù)，并在中糧集團(tuán)等企業(yè)投放木薯乙醇工程試點(diǎn)，因此木薯成為國內(nèi)第1.5代原料中主要研究投入對象[6]。

2.4.4 第2代燃料乙醇技術(shù)的發(fā)展趨勢

圖10和圖11涉及第2代原料的專利申請量趨勢。第2代燃料乙醇技術(shù)是燃料乙醇的未來發(fā)展趨勢，國內(nèi)外均以秸稈、蔗渣和柳枝稷的申請量最多。自2006年開始快速發(fā)展起來，特別是以秸稈為原料的相關(guān)技術(shù)已達(dá)到對數(shù)增長期。由于秸稈的來源廣泛，且相對于以糧食為原料生產(chǎn)燃料乙醇技術(shù)，不僅可以避免與人爭糧的問題，還可以減少環(huán)境污染[7]。因此秸稈正逐步成為燃料乙醇的原料發(fā)展趨勢。而蔗渣、柳樹稷則是近幾年新近開發(fā)的原料來源，是目前研究和技術(shù)投入的新熱點(diǎn)。

3 展望與建議

通過對燃料乙醇的專利分析可以看出，目前無論是國內(nèi)還是國外，該領(lǐng)域都處于快速發(fā)展期，且近年來以第2代纖維素原料專利優(yōu)勢比較明顯。目前，國內(nèi)由于產(chǎn)地和政策傾向，我國對第1.5代原料有較大的專利投入，也成立了相關(guān)木薯乙醇工程試點(diǎn)，但第2代纖維素仍然是該領(lǐng)域的發(fā)展方向。

燃料乙醇技術(shù)起始于20世紀(jì)70年代，在這短短的50年間，只有少數(shù)國家實(shí)現(xiàn)了燃料乙醇的工業(yè)化生產(chǎn)。這對我國燃料乙醇領(lǐng)域的相關(guān)企業(yè)來說，既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。作為新能源領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，燃料乙醇正面臨快速發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期。相關(guān)企業(yè)應(yīng)當(dāng)抓住時(shí)機(jī)，考慮以下幾點(diǎn)發(fā)展方向。

（1）在政策傾斜和資金支持的利好環(huán)境下，相關(guān)企業(yè)應(yīng)當(dāng)積極實(shí)現(xiàn)第1.5代燃料乙醇技術(shù)的快速發(fā)展，迅速占領(lǐng)該領(lǐng)域的國內(nèi)、國際市場。

（2）增加研發(fā)投入，盡快攻克第2代燃料乙醇技術(shù)面臨的瓶頸問題，例如預(yù)處理技術(shù)的優(yōu)化和酶處理能力的提升。

（3）遵循“技術(shù)發(fā)展，專利先行”的指導(dǎo)思想，積極籌備相關(guān)領(lǐng)域的專利申請，既重視國內(nèi)市場，又考慮美國、歐洲、日本等重要目標(biāo)國家或地區(qū)。

（4）在燃料乙醇的原料來源方面，既要提高秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物的合理利用，又要積極開發(fā)新的植物原料來源，或通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)提高現(xiàn)有原料的利用效率。

總而言之，在世界能源日益緊張的大背景下，燃料乙醇技術(shù)作為一種可再生的清潔能源，其蓬勃發(fā)展的技術(shù)趨勢必將勢不可擋。

[1]王禮茂.生物液體燃料發(fā)展對能源地緣政治格局的影響[J].經(jīng)濟(jì)地理，2009，29（11），1791-1796.

[2]曹俐，吳方衛(wèi).歐盟生物燃料補(bǔ)貼政策演進(jìn)_經(jīng)驗(yàn)與啟示[J].經(jīng)濟(jì)問題探索，2011（10）：175-181.

[3]產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2011年），國發(fā)[2011]9號(hào)，2011-03.

[4]國家“十二五”科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，國科發(fā)[2011]270號(hào)，2011-07.

[5]國家能源科技“十二五”規(guī)劃，國能科技[2011]395號(hào)，2011-12.

[6]何皓，胡徐騰，齊泮侖，等.中國第1.5代生物燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].化工進(jìn)展，2012，31（S1）：1-5.

[7]張偉，林燕，劉妍，等.利用秸稈制備燃料乙醇的關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2011，30（11）：2417-2423，2432.