生物柴油領(lǐng)域?qū)＠畔⒎治?/h1>
2015-07-12 12:30:58李宏宇
現(xiàn)代情報 2015年11期
李 艷 李宏宇
隨著當今世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，對化石能源的開采量和使用量也隨之增大，然而卻使得能源短缺和生態(tài)危機成為世界各國主要關(guān)注的焦點性問題。這一現(xiàn)狀已經(jīng)使得世界各國達到了化石能源及環(huán)境承載力極限，那么如何開發(fā)并且合理運用清潔生物質(zhì)能源成為處理這一問題的有效途徑和重要手段之一。生物液體燃料作為目前生物質(zhì)能源主要的利用模式，對于解決環(huán)境與能源問題發(fā)揮著重要作用。而生物柴油是生物液體燃料的一種重要組成部分，是由植物油或動物脂肪等可再生脂質(zhì)燃料中提取的一種長鏈脂肪酸 (FAME) 的單烷基酯混合物，通常包括烷基脂肪酸(鏈長為C14－C22) 的短鏈酯醇，主要是甲醇或是乙醇。生物柴油的較高熱值 (HHVs) 相對較高，它的HHVs(39～41兆焦/千克) 比汽油 (46兆焦/千克) 、石油柴油 (43兆焦/千克) ，或石油 (42兆焦/千克) 略低，但比煤 (32～37兆焦/千克) 高［1］。它具有生物降解、無毒、低排放量等特點。而且能量密度較高、儲存運輸較安全、潤滑性較好、抗爆性較好、燃燒較充分等良好的使用性能和環(huán)境友好性、可再生性以及良好的可替代性［2］。生物柴油作為各國重點研究的生物液體燃料，在改善環(huán)境及能源問題上具有戰(zhàn)略意義，本文從專利的角度對生物柴油領(lǐng)域進行分析，旨在從生物柴油領(lǐng)域?qū)＠暾堏厔莘治觥＠暾埖赜蚍治?、競爭力分析、研發(fā)熱點分析、核心專利分析方面對生物柴油領(lǐng)域進行剖析。
1 數(shù)據(jù)來源及分析工具
本文從德溫特創(chuàng)新索引 (Derwent Innovations Index，簡稱DII) ，按照關(guān)鍵詞結(jié)合手工代碼的檢索方法檢索到生物柴油相關(guān)專利申請3 376項，檢索的結(jié)果截至日為2014年12月23日。由于發(fā)明專利申請自申請日起18個月的公布周期，實用新型專利申請在授權(quán)后才能獲得公布，因此在實際數(shù)據(jù)采集過程當中會出現(xiàn)2011年以后的專利申請數(shù)量比實際申請量少的情況。反映到該論文中的歷年申請量的趨勢圖中，一般自2011年之后出現(xiàn)較為明顯的下降，為此本論文主要以2011年以前的數(shù)據(jù)為主，力求能夠準確的反映出該領(lǐng)域?qū)＠暾埖膶嶋H情況。本文采用Excel及CiteSpace作為主要的分析軟件。
2 專利分析
2.1 全球?qū)＠厔莘治?/h3>
運用時間序列分析方法，來研究生物柴油領(lǐng)域?qū)＠暾埩侩S時間逐年變化的情況，從而分析該領(lǐng)域整體的技術(shù)發(fā)展態(tài)勢。
圖1顯示了生物柴油領(lǐng)域全球的專利申請數(shù)量隨時間的變化趨勢?？梢钥闯?003年之前基本沒有有關(guān)生物柴油的專利申請，由于原料、設(shè)備和各國政策的影響，各國在生物柴油領(lǐng)域的發(fā)展水平有限。從2003－2008年，專利申請數(shù)量一路高漲，這與在2002年之后，美國、歐盟、巴西、日本等國家制定了一系列促進機制和激勵政策鼓勵生物柴油在內(nèi)的生物質(zhì)燃料的產(chǎn)業(yè)發(fā)展緊密相關(guān)，《2005年能源稅收政策法案》授權(quán)美國環(huán)保署全面實施RFS(可再生能源標準) ，要求每個汽油及柴油生產(chǎn)商和進口商向運輸燃料中添加可再生燃料;2002年歐盟制訂了統(tǒng)一的生物柴油的標準EN14214，其推廣生物柴油的目標是到2010年達到800～1 000萬噸，占柴油市場5.75%。全球?qū)＠?008年時專利申請數(shù)量達到最高，各國開始大力研究生物柴油，并明顯取得了一些成效。隨后專利申請數(shù)量雖有少量下降，但總體趨勢來看，生物柴油領(lǐng)域的專利申請一直處于增長階段。
圖1 生物柴油領(lǐng)域全球?qū)＠暾埩口厔葑兓?/p>
2.2 全球?qū)＠暾垍^(qū)域分布分析
如圖2所示，在生物柴油領(lǐng)域的專利申請中，在中國申請的有1 442件，占該領(lǐng)域總申請數(shù)的43%，處于第一位;其次是美國，占有22%的份額。中國和美國的專利申請總量占到總申請量的65%，遠遠領(lǐng)先于其他國家，反映出這兩個國家在該領(lǐng)域有明顯的競爭優(yōu)勢。
我國自改革開放以來，國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展使得我國對能源的需求持續(xù)增加，我國政府以及一些企業(yè)對生物柴油越來越重視。2001年9月，由海南省和生物能源公司投資，在河北建立起我國第一家生物柴油工廠，標志著我國生物柴油產(chǎn)業(yè)的誕生。2002年8月，四川古杉油脂化學(xué)公司成功開發(fā)利用植物油下腳料在綿陽建立了生物柴油生產(chǎn)線。2003年，湖南天源生物清潔能源有限公司成立了生物柴油工業(yè)化生產(chǎn)的示范點。2004年，科技部開始啟動“十五”國家科技攻關(guān)計劃“生物燃料油技術(shù)開發(fā)”項目，之后實施的國家“863”計劃啟動生物能源技術(shù)開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化項目，2005年我國生物柴油產(chǎn)業(yè)開始進入高峰期，各種科研項目快速增加，生產(chǎn)生物柴油的生產(chǎn)線也加速擴大，生產(chǎn)力迅速提升［3］，2006年《中華人民共和國可再生能源法》正式實施，隨后國家稅務(wù)總局明確指出，消費稅征稅不包含以動植物油為原料而生產(chǎn)的生物柴油，但是2008年此條例被終止，直至2009年，生物柴油免征消費稅政策才又重新出臺［3］。這一系列的科研立項和國家政策的扶持，使得我國生物柴油領(lǐng)域的發(fā)展突飛猛進，專利的申請量超過美國、日本等國家位居世界第一。
圖2 生物柴油領(lǐng)域?qū)＠植硷瀳D
2.3 專利權(quán)人分析
按專利申請人的申請量進行統(tǒng)計和排序，以此來研究相關(guān)領(lǐng)域中活躍的申請人，他們是該領(lǐng)域的主要競爭者。
2.3.1 專利權(quán)人專利申請總量分析
對專利申請人的申請量進行排名，列出前15名主要的申請人。通過對申請人在該領(lǐng)域的申請量分析，可以看出在該領(lǐng)域的主要帶頭人，他們在生物柴油領(lǐng)域占有重要的地位。
圖3 排名前15的專利申請人專利申請總量圖
通過整體的分析，生物柴油領(lǐng)域的專利主要來自企業(yè)和大學(xué)，位居前幾名的國家主要是中國、法國、美國、韓國，其中中國石化集團 (CHINA PETROLEUM＆CHEM CORP) 、清華大學(xué)、昆明理工大學(xué)、法國石油研究院 (INST FRANCAISDU PETROLE) 、美國?？松梨?(EXXONMOBIL RES＆ENG CO) 依次排名前5名。就中國而言，排名靠前的基本上都是高校及科研院所，只有中國石化一家企業(yè)在榜首，這意味著我國需要加大產(chǎn)學(xué)研的力度，將科研工作盡可能地和產(chǎn)業(yè)結(jié)合，共同促進生物柴油領(lǐng)域的進一步發(fā)展。
2.3.2 前7名專利申請人專利申請數(shù)量逐年趨勢分析
從圖中可以看出中國相比其他國家在生物柴油領(lǐng)域的起步較晚，中石化在2005年才擁有自己的專利，自此之后中國的專利申請量開始一路高漲，每一年的專利申請數(shù)量都領(lǐng)先于其他國家，在生物柴油領(lǐng)域中國占著很大的比重。中國作為申請量最多的國家，在生物柴油領(lǐng)域擁有的先進的技術(shù)，成為該領(lǐng)域主要的領(lǐng)軍國家。
圖4 生物柴油領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)主要申請人年份/申請量分布圖
2.3.3 專利申請人技術(shù)領(lǐng)域分析
對生物柴油領(lǐng)域的主要申請人的技術(shù)分布分析，可以直接關(guān)注本領(lǐng)域的主要的競爭對手的專利研發(fā)動向以及行業(yè)的熱點。為了系統(tǒng)的研究生物柴油領(lǐng)域的技術(shù)研究熱點，本文以IPC分類號分別對主要的申請人進行分析。
表1 專利申請人技術(shù)領(lǐng)域分析
中國石化集團主要的研究重點在C10G3/00、C10L1/02、C10L1/04等，中國石化和石家莊煉油化工股份有限公司合作開發(fā)了高壓醇解工藝［4］，清華大學(xué)的研究重點同樣放在C10G3/00上，還有C12P7/64，在生物柴油的制備方面重點關(guān)注淀粉酶、脂肪酶轉(zhuǎn)化、脂肪酶相結(jié)合、固體堿制備、耦合技術(shù)制備、微藻油脂、煤基甲醇與棕櫚油超臨界法、酶法催化等制備方法，昆明理工大學(xué)重點關(guān)注超臨界流體轉(zhuǎn)化、酯交換、高酸值油脂制備、酯交換制備、生物發(fā)酵耦合等方法上制備生物柴油以及相關(guān)的制備裝置。法國石油研究院的研究重點放在C07C67/03、C11C3/00、C11C3/00等，生物柴油用固體堿催化劑技術(shù)是由該研究院最早開發(fā)出來的，而且該生物柴油固體催化制備技術(shù)后來被Axens公司推向市場并商業(yè)化，還建成了Esterfip－H工藝裝置，這是世界上第一套固體催化工藝的工業(yè)化裝置。美國?？松梨诘难芯恐攸c放在 C10G3/00、C10L1/02、C10L1/19等，較為關(guān)注用生物微藻來制備生物柴油，還和美國加州的合成基因公司合作，共同研發(fā)制備生物液體燃料。韓國能源研究所的研究放在C10L1/32、C10L1/08等，荷蘭殼牌的重點則在C10G3/00、C10L1/00、C10G3/06等，同樣重點放在運用生物海藻來制備生物柴油。
2.4 研發(fā)熱點分析
研發(fā)熱點是目前在生物柴油領(lǐng)域最為關(guān)注的要點領(lǐng)域，對各個研發(fā)機構(gòu)的技術(shù)發(fā)展和創(chuàng)新有著重要的意義。
CiteSpace是一款可視化的文獻分析軟件，能夠?qū)ξ墨I信息進行聚類分析，發(fā)掘隱藏在文獻背后的內(nèi)在聯(lián)系并以可視化方式表示出來，從而形成這些文獻所代表的學(xué)科或知識域的發(fā)展趨勢與動向，形成若干前沿研究領(lǐng)域的演進歷程［5］。將生物柴油3 376項專利數(shù)據(jù)經(jīng)處理后導(dǎo)入CitespaceⅢ中，對數(shù)據(jù)當中的德溫特手工代碼共現(xiàn)后進行聚類，并對各個聚類以Log－likelihood Ratio(對數(shù)似然比) 算法命名，如圖5所示。圖5中聚類的序號是由聚類的大小降序排列的，因此cluster#0最大，該聚類以BIODIESEL(生物柴油) 進行標記，共有200個聚類成員，主要包含了通過產(chǎn)生脂肪酸分支醇酯降低溫度生產(chǎn)生物柴油、生產(chǎn)生物柴油過程添加新煅燒的催化劑、酯交換來制備生物柴油等生產(chǎn)生物柴油的制備方法。其次cluster#1是producing lipids(生產(chǎn)脂質(zhì)) ，聚類成員主要包含生產(chǎn)脂質(zhì)和酶、植物油的制備、生產(chǎn)藻類等有關(guān)于生物柴油原料的生產(chǎn)制備。cluster#2是reducingwater content(降低水分含量) ，該聚類的組成部分主要包括減少脂肪或廢棄油脂含水量、基于非均相固體堿催化劑的新甘油、加氫處理等關(guān)于生物柴油制備的工藝。cluster#3是dewaxing catalyst(脫蠟催化劑) ，主要的聚類成員包含了將生物燃料異構(gòu)化或是脫蠟、氧化增加液態(tài)烴的數(shù)量、合成生物柴油的固體酸催化劑等有關(guān)生物柴油制備的化學(xué)反應(yīng)過程。
圖5 德溫特手工代碼聚類圖譜
以德溫特手工代碼為關(guān)鍵詞，結(jié)合發(fā)明名稱中的突現(xiàn)詞繪制得到共有137個節(jié)點，480條連線的混合共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，如圖6所示。圖6的每個圓圈代表一個德溫特手工代碼，每個小方塊代表一個突現(xiàn)詞，圓圈節(jié)點的大小和它出現(xiàn)的頻率成正比，圓圈越大表示出現(xiàn)的頻率越高，節(jié)點的顏色代表該手工代碼出現(xiàn)的時間，節(jié)點圓圈上彩色的年輪表示對應(yīng)的時間范圍 (圖片上方的彩色條帶示出了不同年份所對應(yīng)的顏色) ，其中有紫色外圈的節(jié)點是轉(zhuǎn)折點，節(jié)點年輪中出現(xiàn)紅色表示該手工代碼是明顯的熱點 (代表他們的出現(xiàn)頻次存在激增情況，即出現(xiàn)頻次曾經(jīng)急速增加或仍在急速增加) 。
圖6 德溫特手工代碼 (MC) 聚類共現(xiàn)圖譜
從圖譜中來看，最大的節(jié)點是H06－B04A，分類含義是Biodiesel，表示氣體或液體燃料中的生物柴油，其次是D10 － B02，表 示 Chemical modification of fats，oils，fatty acids，即由動物或植物油制成的化學(xué)改性脂肪、油脂、脂肪酸，產(chǎn)品;再次是E10－G02E，表示Other aliphatic monoester，production，芳香族和脂肪族環(huán) (僅單環(huán)或雙環(huán)) 脂肪酸單酯產(chǎn)品，這幾個手工代碼表達了從不同分類角度對生物柴油產(chǎn)品給出的分類位置。
而手工代碼H06－P節(jié)點為明顯熱點，將熱點節(jié)點的激增趨勢展開可以得到兩個手工代碼的激增情況趨勢圖7。其中手工代碼H09－F03(Municipal and agricultural waste treatment，市政和農(nóng)業(yè)廢物處理) 的出現(xiàn)頻次在2010年達到最高，H06－P(Fuel preparation，氣體和液體燃料中的燃料制備，包括燃料的制造技術(shù)和裝置) 的出現(xiàn)頻次在2012年達到最高。(由于發(fā)明專利在公開之前有18個月的保密期，使得至檢索截止日 (2014年) 通過專利檢索系統(tǒng)獲得的專利公開數(shù)據(jù)不能準確代表2013－2014年的專利申請情況。) 由此，我們可以認為，驅(qū)動生物柴油領(lǐng)域?qū)＠暾埬康?，已?jīng)從單純地處理廢棄油脂將其變廢為寶，轉(zhuǎn)變?yōu)橄蜣r(nóng)作物索要燃料來進行化石燃料替代。
圖7 H06－P的激增情況
圖8是排名前20名的最強引文激增的情況，整個時間段從2000－2014年。根據(jù)激增的情況，我們將整個時間劃分為4個段。2000－2004年為一個時間段，在這期間，德溫特手工代碼主要集中在E10－G02P(Production of ester) ，主要是相關(guān)于生物柴油制備的酯的產(chǎn)物，由此可見在這一時期生產(chǎn)酯是主要的研究方向;2004－2006年為一個時間段，主要集中的 MC代碼是 H04－E(Other petroleum processes) 、N07－K(Other chemical reactions) 、H06－B04A(Biodiesel) 、H04－F02E(Preparation/composition of catalysts for other petroleum processes) 、N07－E03(Transesterification，ether/acetal exchange) 、H04 － A(Petroleum processing－treating) 、E11－H01(Transesterification;ether/acetal) 、D10－A(Oils and fats，perfumes) 、N05－A(H，metal hydride/alkoxide，aryl－ oxide，alkyl，aryl－ coordination complex，organic compound catalyst) ，這些都是有關(guān)生物柴油的制備過程中的化學(xué)反應(yīng)、催化劑、酯交換、油脂等較為集中的相關(guān)技術(shù)，這一期間，從最開始原料的生產(chǎn)加工上升到對反應(yīng)過程的定位轉(zhuǎn)變;2006－2009年為一個時間段，主要集中在N07－D07(Esterification，O－acylation，anhydride formation) ，A12－W11K(Catalysts and supports(polymer use) ) ，是關(guān)于酯化和催化劑的手工分類代碼;2009－至今為一個時間段，主要集中在H06－P(Fuel preparation) 、E11－W(Environmentally friendly inventions(compositions/applications) ) 、H06－B07(Other liquid biofuels) 、H06－X01(Treatment of fuels) 、D05－H08(Cellor tissue culture) 、D05 －H06(Newly discovered，testing of，isolation of，identification of and detection of viruses and other) ，在這一期間，大多數(shù)的手工代碼是關(guān)于液體燃料的準備、處理，細胞培養(yǎng)等，這與第三代生物柴油的制備吻合，以藻類為原料，從藻細胞生物質(zhì)中可以提取3種主要成分:油脂 (包括三酰甘油酯和脂肪酸) 、碳水化合物及蛋白質(zhì)。油脂和碳水化合物是制備藻類生物質(zhì)能源 (如汽油、生物柴油及航空燃料) 的前提。
圖8 排名前20名的最強引文激增的情況
2.5 專利引證分析
通過運用信息分析的方法對生物柴油領(lǐng)域的專利申請數(shù)據(jù)進行加工和處理，來判斷該領(lǐng)域的核心技術(shù)或是基礎(chǔ)專利，使得研究方向更加明確，以核心專利為基礎(chǔ)，進行更深層次的發(fā)明或是改進。
專利的引證信息可以用來識別孤立的或是活躍的專利，當專利被大量的在后申請的專利引用，那么則表明這些專利是影響力較大的專利，是活躍專利，具有很高的價值，反映了專利技術(shù)的重要程度。
表3 專利引證頻次排名
由表3看出，專利被引證頻次最高的專利是US20050106695，是由BERZIN ISAAC在2005年申請的發(fā)明，該發(fā)明是一個集成的燃燒和聚合物或燃料的一部分級油 (例如生物柴油) 的生產(chǎn)方法和系統(tǒng)，其中該光生物反應(yīng)器內(nèi)使用光合生物體被用于至少部分地去除包含燃燒氣體中某些污染物的化合物，如CO2和NOx，然后從光生物反應(yīng)器收獲、處理并利用作為用于生成聚合物或有機分子含有副產(chǎn)物的來源 (如生物柴油) 或用作燃料源的燃燒裝置 (例如一個發(fā)電機或焚燒爐) 。該專利對于去除燃燒氣體并將此轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)燃料具有重大的意義。其次是專利號為US20060510148的專利申請，這是在2006年SUNSOURCE IND申請的，用于從藻類生產(chǎn)生物柴油的方法，裝置和系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括各種機制在內(nèi)流動的流體，如輥式機構(gòu)，并且可以提供溫度調(diào)節(jié)用的流體條塊來調(diào)節(jié)太陽輻射或傳導(dǎo)放射的熱損失和增益的吸收。各種機制可被用于收集和處理藻類或藻類油轉(zhuǎn)化成生物柴油或是其他產(chǎn)品。排名第三的是EP20050014428，這是耐斯特石油公司在2005年申請的專利，該專利涉及一種用于從可再生來源的烴，如植物油和動物油，包括加氫處理步驟和異構(gòu)化步驟的制造中的改進方法，是一種用于柴油范圍烴的生物油和脂肪的制造方法，該方法生產(chǎn)高品質(zhì)的柴油組分，其中稀釋的新鮮進料在加氫處理步驟中，在具有降低的反應(yīng)溫度的組合減少了不需要的副反應(yīng)，提高了反應(yīng)的選擇性，特別是當使用含有游離脂肪酸的原料。除此之外值得注意的是在前20名里，被引用的專利申請時間最近的是專利號為US201213400358的專利，這是美國 HERSKOWITZ MORDECHAY等申請人在2012年申請的從植物和動物油生產(chǎn)柴油燃料的專利?？梢?，如今的生物柴油的重點還是以植物或動物的油脂為原料進行的生產(chǎn)制備。
從表3中看出，大部分被引用頻次排名前20名的大部分都是來自美國的專利，可見，從技術(shù)方面，美國占據(jù)著該領(lǐng)域重大的比例，擁有著先進的制備生物柴油的技術(shù)，在該領(lǐng)域未來發(fā)展前景中有著很大的影響。相比中國來說，申請的專利數(shù)量雖然最多，但是在相關(guān)的技術(shù)方面稍稍落后于美國、日本、巴西等國家。
3 結(jié)論
生物柴油是替代化石能源的環(huán)保、清潔的生物液體燃料之一，本文從生物柴油的整體發(fā)展趨勢，全球的區(qū)域布局，專利權(quán)人分析，研發(fā)熱點分析，核心專利分析這五大方面進行專利的分析，從分析可以看出來，生物柴油領(lǐng)域的專利申請量基本呈逐漸走高的趨勢，這也意味著生物柴油領(lǐng)域有著很好的發(fā)展前景，各國都將生物柴油的研發(fā)看作重點。而且，各國在知識產(chǎn)權(quán)保護方面做的也很好，包括中國在內(nèi)等國家知識產(chǎn)權(quán)的意識在逐步提升。在專利申請方面，中國遙遙領(lǐng)先于其他國家，但從技術(shù)的發(fā)展方面來看，中國雖然專利的申請量在世界范圍內(nèi)占著很大比重，可是主要的核心專利基本上都是美國，日本，法國，英國等國家的專利申請，這也說明中國的研發(fā)能力有待加強，但不得不說的是，中國的改進開發(fā)能力很強，能夠借鑒他國技術(shù)，在本領(lǐng)域的研發(fā)上繼續(xù)加強。從專利的申請人上來看，國內(nèi)的中國石化集團、清華大學(xué)、昆明理工大學(xué)、北京化工大學(xué)的專利申請都居前位，可見中國在生物柴油領(lǐng)域有著很強的研發(fā)團隊，而且絕大部分都是高等院校的研發(fā)力量，而國外比較靠前的專利申請人基本上都是各個歸屬國家的石油機構(gòu)，比如法國石油研究院、韓國能源研究所、巴西國家石油公司、英國石油公司等，研發(fā)的技術(shù)力量基本上有國家強有力的政策和資源的支持，在研發(fā)方面有很強的后盾基礎(chǔ)。中國同樣需要強大的政策支持及資金的保障來促進我國在生物柴油領(lǐng)域的進一步發(fā)展。
近年來，第三代生物柴油的研發(fā)逐漸跟進，即以非油脂類生物質(zhì)或微生物油脂為原料的生物柴油制備，但是我國通過生物質(zhì)氣制備生物柴油反面還處于初級階段，專利申請數(shù)量方面并不是很多，在原料和技術(shù)方面還不是很完備。目前，大多數(shù)的國家生物柴油的制備工藝從檢索到專利分析可見，還是集中在酯交換方法和生物酶法上，加氫法制備工藝作為最新的制備方法，因為原料適用性強，生產(chǎn)成本較低等優(yōu)點，引起了各國的高度重視［8］。
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李 艷 李宏宇
隨著當今世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，對化石能源的開采量和使用量也隨之增大，然而卻使得能源短缺和生態(tài)危機成為世界各國主要關(guān)注的焦點性問題。這一現(xiàn)狀已經(jīng)使得世界各國達到了化石能源及環(huán)境承載力極限，那么如何開發(fā)并且合理運用清潔生物質(zhì)能源成為處理這一問題的有效途徑和重要手段之一。生物液體燃料作為目前生物質(zhì)能源主要的利用模式，對于解決環(huán)境與能源問題發(fā)揮著重要作用。而生物柴油是生物液體燃料的一種重要組成部分，是由植物油或動物脂肪等可再生脂質(zhì)燃料中提取的一種長鏈脂肪酸 (FAME) 的單烷基酯混合物，通常包括烷基脂肪酸(鏈長為C14－C22) 的短鏈酯醇，主要是甲醇或是乙醇。生物柴油的較高熱值 (HHVs) 相對較高，它的HHVs(39～41兆焦/千克) 比汽油 (46兆焦/千克) 、石油柴油 (43兆焦/千克) ，或石油 (42兆焦/千克) 略低，但比煤 (32～37兆焦/千克) 高［1］。它具有生物降解、無毒、低排放量等特點。而且能量密度較高、儲存運輸較安全、潤滑性較好、抗爆性較好、燃燒較充分等良好的使用性能和環(huán)境友好性、可再生性以及良好的可替代性［2］。生物柴油作為各國重點研究的生物液體燃料，在改善環(huán)境及能源問題上具有戰(zhàn)略意義，本文從專利的角度對生物柴油領(lǐng)域進行分析，旨在從生物柴油領(lǐng)域?qū)＠暾堏厔莘治觥＠暾埖赜蚍治?、競爭力分析、研發(fā)熱點分析、核心專利分析方面對生物柴油領(lǐng)域進行剖析。
1 數(shù)據(jù)來源及分析工具
本文從德溫特創(chuàng)新索引 (Derwent Innovations Index，簡稱DII) ，按照關(guān)鍵詞結(jié)合手工代碼的檢索方法檢索到生物柴油相關(guān)專利申請3 376項，檢索的結(jié)果截至日為2014年12月23日。由于發(fā)明專利申請自申請日起18個月的公布周期，實用新型專利申請在授權(quán)后才能獲得公布，因此在實際數(shù)據(jù)采集過程當中會出現(xiàn)2011年以后的專利申請數(shù)量比實際申請量少的情況。反映到該論文中的歷年申請量的趨勢圖中，一般自2011年之后出現(xiàn)較為明顯的下降，為此本論文主要以2011年以前的數(shù)據(jù)為主，力求能夠準確的反映出該領(lǐng)域?qū)＠暾埖膶嶋H情況。本文采用Excel及CiteSpace作為主要的分析軟件。
2 專利分析
2.1 全球?qū)＠厔莘治?/h3>
運用時間序列分析方法，來研究生物柴油領(lǐng)域?qū)＠暾埩侩S時間逐年變化的情況，從而分析該領(lǐng)域整體的技術(shù)發(fā)展態(tài)勢。
圖1顯示了生物柴油領(lǐng)域全球的專利申請數(shù)量隨時間的變化趨勢?？梢钥闯?003年之前基本沒有有關(guān)生物柴油的專利申請，由于原料、設(shè)備和各國政策的影響，各國在生物柴油領(lǐng)域的發(fā)展水平有限。從2003－2008年，專利申請數(shù)量一路高漲，這與在2002年之后，美國、歐盟、巴西、日本等國家制定了一系列促進機制和激勵政策鼓勵生物柴油在內(nèi)的生物質(zhì)燃料的產(chǎn)業(yè)發(fā)展緊密相關(guān)，《2005年能源稅收政策法案》授權(quán)美國環(huán)保署全面實施RFS(可再生能源標準) ，要求每個汽油及柴油生產(chǎn)商和進口商向運輸燃料中添加可再生燃料;2002年歐盟制訂了統(tǒng)一的生物柴油的標準EN14214，其推廣生物柴油的目標是到2010年達到800～1 000萬噸，占柴油市場5.75%。全球?qū)＠?008年時專利申請數(shù)量達到最高，各國開始大力研究生物柴油，并明顯取得了一些成效。隨后專利申請數(shù)量雖有少量下降，但總體趨勢來看，生物柴油領(lǐng)域的專利申請一直處于增長階段。
圖1 生物柴油領(lǐng)域全球?qū)＠暾埩口厔葑兓?/p>
2.2 全球?qū)＠暾垍^(qū)域分布分析
如圖2所示，在生物柴油領(lǐng)域的專利申請中，在中國申請的有1 442件，占該領(lǐng)域總申請數(shù)的43%，處于第一位;其次是美國，占有22%的份額。中國和美國的專利申請總量占到總申請量的65%，遠遠領(lǐng)先于其他國家，反映出這兩個國家在該領(lǐng)域有明顯的競爭優(yōu)勢。
我國自改革開放以來，國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展使得我國對能源的需求持續(xù)增加，我國政府以及一些企業(yè)對生物柴油越來越重視。2001年9月，由海南省和生物能源公司投資，在河北建立起我國第一家生物柴油工廠，標志著我國生物柴油產(chǎn)業(yè)的誕生。2002年8月，四川古杉油脂化學(xué)公司成功開發(fā)利用植物油下腳料在綿陽建立了生物柴油生產(chǎn)線。2003年，湖南天源生物清潔能源有限公司成立了生物柴油工業(yè)化生產(chǎn)的示范點。2004年，科技部開始啟動“十五”國家科技攻關(guān)計劃“生物燃料油技術(shù)開發(fā)”項目，之后實施的國家“863”計劃啟動生物能源技術(shù)開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化項目，2005年我國生物柴油產(chǎn)業(yè)開始進入高峰期，各種科研項目快速增加，生產(chǎn)生物柴油的生產(chǎn)線也加速擴大，生產(chǎn)力迅速提升［3］，2006年《中華人民共和國可再生能源法》正式實施，隨后國家稅務(wù)總局明確指出，消費稅征稅不包含以動植物油為原料而生產(chǎn)的生物柴油，但是2008年此條例被終止，直至2009年，生物柴油免征消費稅政策才又重新出臺［3］。這一系列的科研立項和國家政策的扶持，使得我國生物柴油領(lǐng)域的發(fā)展突飛猛進，專利的申請量超過美國、日本等國家位居世界第一。
圖2 生物柴油領(lǐng)域?qū)＠植硷瀳D
2.3 專利權(quán)人分析
按專利申請人的申請量進行統(tǒng)計和排序，以此來研究相關(guān)領(lǐng)域中活躍的申請人，他們是該領(lǐng)域的主要競爭者。
2.3.1 專利權(quán)人專利申請總量分析
對專利申請人的申請量進行排名，列出前15名主要的申請人。通過對申請人在該領(lǐng)域的申請量分析，可以看出在該領(lǐng)域的主要帶頭人，他們在生物柴油領(lǐng)域占有重要的地位。
圖3 排名前15的專利申請人專利申請總量圖
通過整體的分析，生物柴油領(lǐng)域的專利主要來自企業(yè)和大學(xué)，位居前幾名的國家主要是中國、法國、美國、韓國，其中中國石化集團 (CHINA PETROLEUM＆CHEM CORP) 、清華大學(xué)、昆明理工大學(xué)、法國石油研究院 (INST FRANCAISDU PETROLE) 、美國?？松梨?(EXXONMOBIL RES＆ENG CO) 依次排名前5名。就中國而言，排名靠前的基本上都是高校及科研院所，只有中國石化一家企業(yè)在榜首，這意味著我國需要加大產(chǎn)學(xué)研的力度，將科研工作盡可能地和產(chǎn)業(yè)結(jié)合，共同促進生物柴油領(lǐng)域的進一步發(fā)展。
2.3.2 前7名專利申請人專利申請數(shù)量逐年趨勢分析
從圖中可以看出中國相比其他國家在生物柴油領(lǐng)域的起步較晚，中石化在2005年才擁有自己的專利，自此之后中國的專利申請量開始一路高漲，每一年的專利申請數(shù)量都領(lǐng)先于其他國家，在生物柴油領(lǐng)域中國占著很大的比重。中國作為申請量最多的國家，在生物柴油領(lǐng)域擁有的先進的技術(shù)，成為該領(lǐng)域主要的領(lǐng)軍國家。
圖4 生物柴油領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)主要申請人年份/申請量分布圖
2.3.3 專利申請人技術(shù)領(lǐng)域分析
對生物柴油領(lǐng)域的主要申請人的技術(shù)分布分析，可以直接關(guān)注本領(lǐng)域的主要的競爭對手的專利研發(fā)動向以及行業(yè)的熱點。為了系統(tǒng)的研究生物柴油領(lǐng)域的技術(shù)研究熱點，本文以IPC分類號分別對主要的申請人進行分析。
表1 專利申請人技術(shù)領(lǐng)域分析
中國石化集團主要的研究重點在C10G3/00、C10L1/02、C10L1/04等，中國石化和石家莊煉油化工股份有限公司合作開發(fā)了高壓醇解工藝［4］，清華大學(xué)的研究重點同樣放在C10G3/00上，還有C12P7/64，在生物柴油的制備方面重點關(guān)注淀粉酶、脂肪酶轉(zhuǎn)化、脂肪酶相結(jié)合、固體堿制備、耦合技術(shù)制備、微藻油脂、煤基甲醇與棕櫚油超臨界法、酶法催化等制備方法，昆明理工大學(xué)重點關(guān)注超臨界流體轉(zhuǎn)化、酯交換、高酸值油脂制備、酯交換制備、生物發(fā)酵耦合等方法上制備生物柴油以及相關(guān)的制備裝置。法國石油研究院的研究重點放在C07C67/03、C11C3/00、C11C3/00等，生物柴油用固體堿催化劑技術(shù)是由該研究院最早開發(fā)出來的，而且該生物柴油固體催化制備技術(shù)后來被Axens公司推向市場并商業(yè)化，還建成了Esterfip－H工藝裝置，這是世界上第一套固體催化工藝的工業(yè)化裝置。美國?？松梨诘难芯恐攸c放在 C10G3/00、C10L1/02、C10L1/19等，較為關(guān)注用生物微藻來制備生物柴油，還和美國加州的合成基因公司合作，共同研發(fā)制備生物液體燃料。韓國能源研究所的研究放在C10L1/32、C10L1/08等，荷蘭殼牌的重點則在C10G3/00、C10L1/00、C10G3/06等，同樣重點放在運用生物海藻來制備生物柴油。
2.4 研發(fā)熱點分析
研發(fā)熱點是目前在生物柴油領(lǐng)域最為關(guān)注的要點領(lǐng)域，對各個研發(fā)機構(gòu)的技術(shù)發(fā)展和創(chuàng)新有著重要的意義。
CiteSpace是一款可視化的文獻分析軟件，能夠?qū)ξ墨I信息進行聚類分析，發(fā)掘隱藏在文獻背后的內(nèi)在聯(lián)系并以可視化方式表示出來，從而形成這些文獻所代表的學(xué)科或知識域的發(fā)展趨勢與動向，形成若干前沿研究領(lǐng)域的演進歷程［5］。將生物柴油3 376項專利數(shù)據(jù)經(jīng)處理后導(dǎo)入CitespaceⅢ中，對數(shù)據(jù)當中的德溫特手工代碼共現(xiàn)后進行聚類，并對各個聚類以Log－likelihood Ratio(對數(shù)似然比) 算法命名，如圖5所示。圖5中聚類的序號是由聚類的大小降序排列的，因此cluster#0最大，該聚類以BIODIESEL(生物柴油) 進行標記，共有200個聚類成員，主要包含了通過產(chǎn)生脂肪酸分支醇酯降低溫度生產(chǎn)生物柴油、生產(chǎn)生物柴油過程添加新煅燒的催化劑、酯交換來制備生物柴油等生產(chǎn)生物柴油的制備方法。其次cluster#1是producing lipids(生產(chǎn)脂質(zhì)) ，聚類成員主要包含生產(chǎn)脂質(zhì)和酶、植物油的制備、生產(chǎn)藻類等有關(guān)于生物柴油原料的生產(chǎn)制備。cluster#2是reducingwater content(降低水分含量) ，該聚類的組成部分主要包括減少脂肪或廢棄油脂含水量、基于非均相固體堿催化劑的新甘油、加氫處理等關(guān)于生物柴油制備的工藝。cluster#3是dewaxing catalyst(脫蠟催化劑) ，主要的聚類成員包含了將生物燃料異構(gòu)化或是脫蠟、氧化增加液態(tài)烴的數(shù)量、合成生物柴油的固體酸催化劑等有關(guān)生物柴油制備的化學(xué)反應(yīng)過程。
圖5 德溫特手工代碼聚類圖譜
以德溫特手工代碼為關(guān)鍵詞，結(jié)合發(fā)明名稱中的突現(xiàn)詞繪制得到共有137個節(jié)點，480條連線的混合共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，如圖6所示。圖6的每個圓圈代表一個德溫特手工代碼，每個小方塊代表一個突現(xiàn)詞，圓圈節(jié)點的大小和它出現(xiàn)的頻率成正比，圓圈越大表示出現(xiàn)的頻率越高，節(jié)點的顏色代表該手工代碼出現(xiàn)的時間，節(jié)點圓圈上彩色的年輪表示對應(yīng)的時間范圍 (圖片上方的彩色條帶示出了不同年份所對應(yīng)的顏色) ，其中有紫色外圈的節(jié)點是轉(zhuǎn)折點，節(jié)點年輪中出現(xiàn)紅色表示該手工代碼是明顯的熱點 (代表他們的出現(xiàn)頻次存在激增情況，即出現(xiàn)頻次曾經(jīng)急速增加或仍在急速增加) 。
圖6 德溫特手工代碼 (MC) 聚類共現(xiàn)圖譜
從圖譜中來看，最大的節(jié)點是H06－B04A，分類含義是Biodiesel，表示氣體或液體燃料中的生物柴油，其次是D10 － B02，表 示 Chemical modification of fats，oils，fatty acids，即由動物或植物油制成的化學(xué)改性脂肪、油脂、脂肪酸，產(chǎn)品;再次是E10－G02E，表示Other aliphatic monoester，production，芳香族和脂肪族環(huán) (僅單環(huán)或雙環(huán)) 脂肪酸單酯產(chǎn)品，這幾個手工代碼表達了從不同分類角度對生物柴油產(chǎn)品給出的分類位置。
而手工代碼H06－P節(jié)點為明顯熱點，將熱點節(jié)點的激增趨勢展開可以得到兩個手工代碼的激增情況趨勢圖7。其中手工代碼H09－F03(Municipal and agricultural waste treatment，市政和農(nóng)業(yè)廢物處理) 的出現(xiàn)頻次在2010年達到最高，H06－P(Fuel preparation，氣體和液體燃料中的燃料制備，包括燃料的制造技術(shù)和裝置) 的出現(xiàn)頻次在2012年達到最高。(由于發(fā)明專利在公開之前有18個月的保密期，使得至檢索截止日 (2014年) 通過專利檢索系統(tǒng)獲得的專利公開數(shù)據(jù)不能準確代表2013－2014年的專利申請情況。) 由此，我們可以認為，驅(qū)動生物柴油領(lǐng)域?qū)＠暾埬康?，已?jīng)從單純地處理廢棄油脂將其變廢為寶，轉(zhuǎn)變?yōu)橄蜣r(nóng)作物索要燃料來進行化石燃料替代。
圖7 H06－P的激增情況
圖8是排名前20名的最強引文激增的情況，整個時間段從2000－2014年。根據(jù)激增的情況，我們將整個時間劃分為4個段。2000－2004年為一個時間段，在這期間，德溫特手工代碼主要集中在E10－G02P(Production of ester) ，主要是相關(guān)于生物柴油制備的酯的產(chǎn)物，由此可見在這一時期生產(chǎn)酯是主要的研究方向;2004－2006年為一個時間段，主要集中的 MC代碼是 H04－E(Other petroleum processes) 、N07－K(Other chemical reactions) 、H06－B04A(Biodiesel) 、H04－F02E(Preparation/composition of catalysts for other petroleum processes) 、N07－E03(Transesterification，ether/acetal exchange) 、H04 － A(Petroleum processing－treating) 、E11－H01(Transesterification;ether/acetal) 、D10－A(Oils and fats，perfumes) 、N05－A(H，metal hydride/alkoxide，aryl－ oxide，alkyl，aryl－ coordination complex，organic compound catalyst) ，這些都是有關(guān)生物柴油的制備過程中的化學(xué)反應(yīng)、催化劑、酯交換、油脂等較為集中的相關(guān)技術(shù)，這一期間，從最開始原料的生產(chǎn)加工上升到對反應(yīng)過程的定位轉(zhuǎn)變;2006－2009年為一個時間段，主要集中在N07－D07(Esterification，O－acylation，anhydride formation) ，A12－W11K(Catalysts and supports(polymer use) ) ，是關(guān)于酯化和催化劑的手工分類代碼;2009－至今為一個時間段，主要集中在H06－P(Fuel preparation) 、E11－W(Environmentally friendly inventions(compositions/applications) ) 、H06－B07(Other liquid biofuels) 、H06－X01(Treatment of fuels) 、D05－H08(Cellor tissue culture) 、D05 －H06(Newly discovered，testing of，isolation of，identification of and detection of viruses and other) ，在這一期間，大多數(shù)的手工代碼是關(guān)于液體燃料的準備、處理，細胞培養(yǎng)等，這與第三代生物柴油的制備吻合，以藻類為原料，從藻細胞生物質(zhì)中可以提取3種主要成分:油脂 (包括三酰甘油酯和脂肪酸) 、碳水化合物及蛋白質(zhì)。油脂和碳水化合物是制備藻類生物質(zhì)能源 (如汽油、生物柴油及航空燃料) 的前提。
圖8 排名前20名的最強引文激增的情況
2.5 專利引證分析
通過運用信息分析的方法對生物柴油領(lǐng)域的專利申請數(shù)據(jù)進行加工和處理，來判斷該領(lǐng)域的核心技術(shù)或是基礎(chǔ)專利，使得研究方向更加明確，以核心專利為基礎(chǔ)，進行更深層次的發(fā)明或是改進。
專利的引證信息可以用來識別孤立的或是活躍的專利，當專利被大量的在后申請的專利引用，那么則表明這些專利是影響力較大的專利，是活躍專利，具有很高的價值，反映了專利技術(shù)的重要程度。
表3 專利引證頻次排名
由表3看出，專利被引證頻次最高的專利是US20050106695，是由BERZIN ISAAC在2005年申請的發(fā)明，該發(fā)明是一個集成的燃燒和聚合物或燃料的一部分級油 (例如生物柴油) 的生產(chǎn)方法和系統(tǒng)，其中該光生物反應(yīng)器內(nèi)使用光合生物體被用于至少部分地去除包含燃燒氣體中某些污染物的化合物，如CO2和NOx，然后從光生物反應(yīng)器收獲、處理并利用作為用于生成聚合物或有機分子含有副產(chǎn)物的來源 (如生物柴油) 或用作燃料源的燃燒裝置 (例如一個發(fā)電機或焚燒爐) 。該專利對于去除燃燒氣體并將此轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)燃料具有重大的意義。其次是專利號為US20060510148的專利申請，這是在2006年SUNSOURCE IND申請的，用于從藻類生產(chǎn)生物柴油的方法，裝置和系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括各種機制在內(nèi)流動的流體，如輥式機構(gòu)，并且可以提供溫度調(diào)節(jié)用的流體條塊來調(diào)節(jié)太陽輻射或傳導(dǎo)放射的熱損失和增益的吸收。各種機制可被用于收集和處理藻類或藻類油轉(zhuǎn)化成生物柴油或是其他產(chǎn)品。排名第三的是EP20050014428，這是耐斯特石油公司在2005年申請的專利，該專利涉及一種用于從可再生來源的烴，如植物油和動物油，包括加氫處理步驟和異構(gòu)化步驟的制造中的改進方法，是一種用于柴油范圍烴的生物油和脂肪的制造方法，該方法生產(chǎn)高品質(zhì)的柴油組分，其中稀釋的新鮮進料在加氫處理步驟中，在具有降低的反應(yīng)溫度的組合減少了不需要的副反應(yīng)，提高了反應(yīng)的選擇性，特別是當使用含有游離脂肪酸的原料。除此之外值得注意的是在前20名里，被引用的專利申請時間最近的是專利號為US201213400358的專利，這是美國 HERSKOWITZ MORDECHAY等申請人在2012年申請的從植物和動物油生產(chǎn)柴油燃料的專利?？梢?，如今的生物柴油的重點還是以植物或動物的油脂為原料進行的生產(chǎn)制備。
從表3中看出，大部分被引用頻次排名前20名的大部分都是來自美國的專利，可見，從技術(shù)方面，美國占據(jù)著該領(lǐng)域重大的比例，擁有著先進的制備生物柴油的技術(shù)，在該領(lǐng)域未來發(fā)展前景中有著很大的影響。相比中國來說，申請的專利數(shù)量雖然最多，但是在相關(guān)的技術(shù)方面稍稍落后于美國、日本、巴西等國家。
3 結(jié)論
生物柴油是替代化石能源的環(huán)保、清潔的生物液體燃料之一，本文從生物柴油的整體發(fā)展趨勢，全球的區(qū)域布局，專利權(quán)人分析，研發(fā)熱點分析，核心專利分析這五大方面進行專利的分析，從分析可以看出來，生物柴油領(lǐng)域的專利申請量基本呈逐漸走高的趨勢，這也意味著生物柴油領(lǐng)域有著很好的發(fā)展前景，各國都將生物柴油的研發(fā)看作重點。而且，各國在知識產(chǎn)權(quán)保護方面做的也很好，包括中國在內(nèi)等國家知識產(chǎn)權(quán)的意識在逐步提升。在專利申請方面，中國遙遙領(lǐng)先于其他國家，但從技術(shù)的發(fā)展方面來看，中國雖然專利的申請量在世界范圍內(nèi)占著很大比重，可是主要的核心專利基本上都是美國，日本，法國，英國等國家的專利申請，這也說明中國的研發(fā)能力有待加強，但不得不說的是，中國的改進開發(fā)能力很強，能夠借鑒他國技術(shù)，在本領(lǐng)域的研發(fā)上繼續(xù)加強。從專利的申請人上來看，國內(nèi)的中國石化集團、清華大學(xué)、昆明理工大學(xué)、北京化工大學(xué)的專利申請都居前位，可見中國在生物柴油領(lǐng)域有著很強的研發(fā)團隊，而且絕大部分都是高等院校的研發(fā)力量，而國外比較靠前的專利申請人基本上都是各個歸屬國家的石油機構(gòu)，比如法國石油研究院、韓國能源研究所、巴西國家石油公司、英國石油公司等，研發(fā)的技術(shù)力量基本上有國家強有力的政策和資源的支持，在研發(fā)方面有很強的后盾基礎(chǔ)。中國同樣需要強大的政策支持及資金的保障來促進我國在生物柴油領(lǐng)域的進一步發(fā)展。
近年來，第三代生物柴油的研發(fā)逐漸跟進，即以非油脂類生物質(zhì)或微生物油脂為原料的生物柴油制備，但是我國通過生物質(zhì)氣制備生物柴油反面還處于初級階段，專利申請數(shù)量方面并不是很多，在原料和技術(shù)方面還不是很完備。目前，大多數(shù)的國家生物柴油的制備工藝從檢索到專利分析可見，還是集中在酯交換方法和生物酶法上，加氫法制備工藝作為最新的制備方法，因為原料適用性強，生產(chǎn)成本較低等優(yōu)點，引起了各國的高度重視［8］。
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