微藻生物質(zhì)能源專利發(fā)展態(tài)勢(shì)分析

李禎祺 蘇 燕 王 玥 徐 萍

（中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)信息中心，上海 200031）

微藻生物質(zhì)能源專利發(fā)展態(tài)勢(shì)分析

李禎祺 蘇 燕 王 玥 徐 萍

（中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)信息中心，上海 200031）

隨著全球石油資源日漸匱乏和生態(tài)環(huán)境不斷惡化，環(huán)境友好型的生物能源技術(shù)日益獲得人們的青睞，而微藻由于生長(zhǎng)速率快、儲(chǔ)存能量高、適應(yīng)范圍廣等特征，被公認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ牡谌锬茉丛稀Ｒ訲homson Innovation數(shù)據(jù)庫(kù)中收錄的微藻生物質(zhì)能源專利為數(shù)據(jù)，利用Thomson Data Analyzer和Innography等工具對(duì)其發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)行了分析。

李禎祺，碩士，館員，主要從事生命科學(xué)與生物技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)科情報(bào)及戰(zhàn)略情報(bào)研究工作。

E-mail:lizhenqi@sibs.ac.cn

近年來(lái)，隨著全球人口的不斷增長(zhǎng)與世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，化石燃料的消耗正在日益加劇。由此帶來(lái)的能源短缺和環(huán)境污染等問(wèn)題正在凸顯。由于微藻生物質(zhì)能源不僅具有光能利用率高、生長(zhǎng)速度快、生長(zhǎng)環(huán)境要求低及儲(chǔ)能物質(zhì)含量高等優(yōu)點(diǎn)1，而且其大規(guī)模培養(yǎng)與現(xiàn)有農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不沖突，兼具廢水廢氣的綜合利用能力，被公認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ牡谌锬茉丛稀?/p>

微藻是一種介于微生物與高等植物細(xì)胞之間的單細(xì)胞生物，能夠通過(guò)光合作用有效地利用太陽(yáng)能，將水、CO2和無(wú)機(jī)鹽轉(zhuǎn)化為有機(jī)物2。且其固碳效率可以達(dá)到普通植物的10倍以上，從而解決CO2的點(diǎn)源排放問(wèn)題3。此外，微藻在生長(zhǎng)過(guò)程還需要大量的N/P等營(yíng)養(yǎng)元素，可以應(yīng)對(duì)廢水中N/P富營(yíng)養(yǎng)化等問(wèn)題4。以微藻為原料的生物質(zhì)能源技術(shù)是以微藻生物學(xué)為基礎(chǔ)，利用生物學(xué)和工程學(xué)原理，研究微藻藻種選育、細(xì)胞培養(yǎng)及其裝備、采收及水的循環(huán)利用與處理、藻細(xì)胞的深加工及其應(yīng)用等的生物技術(shù)5。

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楊曉秋, 吳寅嵩, 閆金定, 等.基于文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的微藻生物技術(shù)發(fā)展趨勢(shì).生物工程學(xué)報(bào), 2015, 31(10): 1415-1436.

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1 專利發(fā)展概況

文中的專利數(shù)據(jù)以T h o m s o n Innovation（TI）數(shù)據(jù)庫(kù)中收錄的發(fā)明專利（以下簡(jiǎn)稱“專利”）為數(shù)據(jù)源，以微藻通用名稱的不同表述方式與目前已有的生物質(zhì)能源類型作為主題檢索依據(jù)，以TI數(shù)據(jù)庫(kù)首次收錄專利的公開(kāi)年為年度劃分依據(jù)，輔以Thomson Data Analyzer（TDA）和Innography等軟件工具展開(kāi)分析。數(shù)據(jù)檢索日期為2016年4月15日，由于專利申請(qǐng)審批周期及專利數(shù)據(jù)庫(kù)錄入遲滯等原因，2014～2015年數(shù)據(jù)可能尚未完全收錄，僅供參考。

圖1 微藻生物質(zhì)能源專利年度發(fā)展趨勢(shì)

截至2015年，全球微藻生物質(zhì)能源專利數(shù)量累計(jì)2931件，總體呈不斷上升趨勢(shì)（圖1）。在各國(guó)對(duì)生物燃料技術(shù)關(guān)注與碳減排行動(dòng)的推動(dòng)下，盡管專利數(shù)量在1982～2005年間不斷波動(dòng)，但整體呈平穩(wěn)上升趨勢(shì)。2006～2008年，由于石油價(jià)格持續(xù)大幅上漲，面向微藻能源的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研發(fā)開(kāi)始突飛猛進(jìn)，微藻生物質(zhì)能源專利數(shù)量迅速上升，于2014年達(dá)到峰值（543件）。以50件專利為閾值，可將微藻生物質(zhì)能源技術(shù)的發(fā)展分為萌芽期（1982～2007年）和發(fā)展期（2008年至今）。

將相關(guān)專利導(dǎo)入Innography中進(jìn)行聚類分析（圖2），從2242件專利的題目與摘要的專業(yè)術(shù)語(yǔ)中形成264個(gè)具有層級(jí)關(guān)系的文本聚類，主要形成了藻類（ALGAE）、脂肪酸（FATTY ACID）、光生物反應(yīng)器（PHOTO BIOREACTOR）、二氧化碳（CARBON DIOXIDE）、后續(xù)步驟（FOLLOWING STEPS）和低成本（LOW COST）6個(gè)與微藻生物質(zhì)能源相關(guān)的一級(jí)文本聚類。

圖 2 微藻生物質(zhì)能源專利文本聚類分析

圖3 微藻生物質(zhì)能源專利前10 IPC分類⑦

2 技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)

微藻生物質(zhì)能源技術(shù)涵蓋多個(gè)環(huán)節(jié)，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。其主要包括藻種選育技術(shù)、基因工程改造技術(shù)、大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)、生物質(zhì)采收技術(shù)、油脂提取技術(shù)與產(chǎn)品制備技術(shù)等。

從微藻生物質(zhì)能源專利前10 IPC分類（圖3）可以發(fā)現(xiàn)，相關(guān)專利多分布在藻類（C12N-0001/12、C12R-0001/89）、基因工程改造（C12N-0001/13）、微生物學(xué)裝置（C12M-0001/00、C12M-0001/04、C12M-0003/00）、燃料生產(chǎn)技術(shù)（C12P-0007/64、C11B-0001/10、C10G-0003/00）及燃料產(chǎn)品類型（C10L-0001/02）相對(duì)應(yīng)的IPC分類號(hào)。這些技術(shù)分類覆蓋了從原料到技術(shù)、再到產(chǎn)品的全技術(shù)鏈。

通過(guò)對(duì)不同技術(shù)類型的專利年度數(shù)量（圖4）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，微藻生物質(zhì)能源技術(shù)在近年來(lái)發(fā)展迅速，尤其是研發(fā)階段開(kāi)始較早的藻種選育技術(shù)、發(fā)酵或酶法合成技術(shù)及微生物學(xué)裝置。2008年前后，以萃取法生產(chǎn)技術(shù)、利用氣體導(dǎo)入方法的微生物學(xué)裝置、藻類培養(yǎng)裝置及基因工程改造技術(shù)為代表的專利數(shù)量開(kāi)始快速增長(zhǎng)。

從已存在技術(shù)類型與新技術(shù)類型的年度趨勢(shì)對(duì)比（圖5）可以看出，在微藻生物質(zhì)能源技術(shù)研發(fā)的萌芽期，除了2001年與2005年基本沒(méi)有出現(xiàn)新技術(shù)類型外，每年均有新技術(shù)產(chǎn)生。在發(fā)展期的初始階段（2008～2010年），新技術(shù)的產(chǎn)出比例達(dá)到45%以上。近五年，新技術(shù)產(chǎn)出比例占26%～40%。在近三年首次出現(xiàn)的技術(shù)類型中，既有涉及微藻油脂處理的化學(xué)或物理方法及其有關(guān)設(shè)備，也有利用好氧工藝進(jìn)行廢水、污水或污泥的處理技術(shù)。

圖4 不同技術(shù)類型的專利年度發(fā)展趨勢(shì)

圖5 已 存在技術(shù)類型與新出現(xiàn)技術(shù)類型的年度趨勢(shì)對(duì)比

3 全球競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)

除了世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織與歐洲專利組織這兩個(gè)區(qū)域性專利組織外，從優(yōu)先權(quán)國(guó)家/地區(qū)/組織分布情況來(lái)看（圖6），美國(guó)擁有1211件微藻生物質(zhì)能源專利，為全球首位，占據(jù)技術(shù)研發(fā)的主導(dǎo)地位。中國(guó)在該領(lǐng)域研發(fā)能力僅次于美國(guó)，排在全球第2位，專利數(shù)量為663件；韓國(guó)為371件，位列第3名。法國(guó)、日本、澳大利亞、德國(guó)和印度等國(guó)家相繼排在第4～8位，基本位于同一個(gè)數(shù)量級(jí)水平。

不僅各國(guó)的專利數(shù)量有所差異，而且重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)類型也各有側(cè)重（圖7）。美國(guó)主要對(duì)原料、生物學(xué)裝置與生產(chǎn)技術(shù)展開(kāi)研究，并對(duì)微藻的基因工程改造進(jìn)行技術(shù)布局；中國(guó)與韓國(guó)的研發(fā)重點(diǎn)類似，主要集中在原料利用方面，相關(guān)專利數(shù)量占比約為50%；法國(guó)與日本在微藻原料方面的技術(shù)研發(fā)布局均超過(guò)了60%；澳大利亞和德國(guó)對(duì)萃取法與氣體導(dǎo)入法等技術(shù)具有頗深的積淀，后者在生物學(xué)裝置方面重點(diǎn)展開(kāi)布局。

從不同國(guó)家/組織的專利年度發(fā)展趨勢(shì)能夠發(fā)現(xiàn)，各國(guó)都在積極推動(dòng)微藻生物質(zhì)能源技術(shù)的發(fā)展（圖8）。美國(guó)能源部始于1976年的“水生生物物種計(jì)劃”6為該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展帶來(lái)積極影響，尤其是產(chǎn)油微藻的大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)開(kāi)始獲得關(guān)注。該研究領(lǐng)域最早的專利出現(xiàn)在1982年。隨著時(shí)間的推移，韓國(guó)、日本、英國(guó)、法國(guó)與澳大利亞等國(guó)家相繼將微藻能源技術(shù)列入重大研究計(jì)劃，進(jìn)一步推動(dòng)相關(guān)專利的發(fā)展，并在全球碳減排一致行動(dòng)的助力下掀起了該領(lǐng)域的研究熱潮。

圖6 微藻 生物質(zhì)能源專利優(yōu)先權(quán)國(guó)家/地區(qū)/組織分布情況

圖7 不同國(guó)家/組織的重點(diǎn)研發(fā)技術(shù)類型占比情況

自美國(guó)于2007年針對(duì)微藻能源推出“微型曼哈頓計(jì)劃”后，美國(guó)總統(tǒng)候選人奧巴馬在2008年競(jìng)選中對(duì)推廣生物燃料做出進(jìn)一步承諾，并于2010年發(fā)布美國(guó)《國(guó)家藻類生物燃料技術(shù)路線圖》7，這些行動(dòng)直接促進(jìn)了美國(guó)相關(guān)專利數(shù)量的指數(shù)型增長(zhǎng)。我國(guó)在該領(lǐng)域研究的支持方面起步也較早。在“十五”期間，我國(guó)科學(xué)技術(shù)部就啟動(dòng)了與微藻能源相關(guān)的重點(diǎn)項(xiàng)目，并予以持續(xù)性的大力資助，在《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（2014～2020年）》中重點(diǎn)部署，這些政策扶持與國(guó)家資助推動(dòng)了我國(guó)微藻生物質(zhì)能源專利的迅速增長(zhǎng)。

從近三年的微藻專利研發(fā)數(shù)量占總體比例可以發(fā)現(xiàn)，中國(guó)（63%）與韓國(guó)（70%）的研發(fā)勢(shì)頭迅猛，日本（55%）、法國(guó)（50%）和澳大利亞（49%）維持良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)，美國(guó)（39%）在較高基數(shù)的前提下仍以較快的研發(fā)速度穩(wěn)步增長(zhǎng)，德國(guó)（18%）增速漸緩。

4 機(jī)構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)

以微藻生物質(zhì)能源專利權(quán)人所擁有的專利數(shù)量進(jìn)行排名，美國(guó)太陽(yáng)酵素公司（Solazyme）擁有280件專利，以遠(yuǎn)超其他機(jī)構(gòu)的專利數(shù)量排名第1位；美國(guó)藍(lán)寶石能源公司（Sapphire Energy）以65件的專利數(shù)量位列第2名；美國(guó)馬泰克生物科學(xué)公司（Martek Biosciences，該公司于2011年被荷蘭皇家帝斯曼集團(tuán)收購(gòu)）與韓國(guó)生物科學(xué)與生物技術(shù)研究所（51件）并列第3名；我國(guó)清華大學(xué)（44件）與新奧科技發(fā)展有限公司（39件）分別排在第6位與第8位（圖9）。從該領(lǐng)域的主要專利權(quán)人可以看出，美國(guó)機(jī)構(gòu)擁有堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)和絕對(duì)的話語(yǔ)權(quán)，技術(shù)開(kāi)發(fā)以企業(yè)為主，兼具高校與科研院所的成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化；韓國(guó)機(jī)構(gòu)的研發(fā)力量也不容小覷，以科研院所為主要研發(fā)力量；而中國(guó)機(jī)構(gòu)已取得一些成果，具備較大的發(fā)展?jié)摿?，正在進(jìn)行“產(chǎn)學(xué)研”研發(fā)管線的優(yōu)化配置與合理布局。

圖8 不同國(guó)家/組織的專利年度發(fā)展趨勢(shì)

圖9 微藻生物質(zhì)能 源主要專利權(quán)人

從近三年微藻生物質(zhì)能源專利的主要專利權(quán)人的專利數(shù)量（表1）來(lái)看，美國(guó)Solazyme公司仍位列第1，韓國(guó)生物科學(xué)與生物技術(shù)研究所、韓國(guó)能源研究所、美國(guó)Sapphire Energy公司與韓國(guó)仁荷大學(xué)產(chǎn)業(yè)伙伴研究院這4家機(jī)構(gòu)在近三年同樣位居前10。以印度科學(xué)與產(chǎn)業(yè)研究理事會(huì)、中國(guó)石油化工集團(tuán)公司和南非科學(xué)與產(chǎn)業(yè)研究理事會(huì)為代表的亞非機(jī)構(gòu)，以美國(guó)Microvi生物技術(shù)公司為代表的美洲機(jī)構(gòu)，以芬蘭耐思特石油（Neste Oil）公司為代表的歐洲機(jī)構(gòu)在近三年研發(fā)的專利成果頗為顯著。其中，美國(guó)Microvi生物技術(shù)公司與中國(guó)石油化工集團(tuán)公司是近三年首次出現(xiàn)的研發(fā)機(jī)構(gòu)，屬于該領(lǐng)域的新興優(yōu)秀企業(yè)。

4.1 美國(guó)Solazyme公司

美國(guó)Solazyme公司自2003年成立以來(lái)，專注于微藻衍生品（如生物柴油、化學(xué)原料）的生產(chǎn)，目前已經(jīng)成為藻類燃料產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)廠商，并與巴斯夫（BASF）、聯(lián)合利華等公司展開(kāi)深度合作。該公司擁有眾多微藻生物質(zhì)能源專利，其開(kāi)發(fā)的一種從微藻發(fā)酵中提取專用原料油的工藝被授予2014年美國(guó)總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)中的綠色合成路線獎(jiǎng)。

排名 主要專利權(quán)人 專利數(shù)量/件1美國(guó)Solazyme公司 135 2韓國(guó)生物科學(xué)與生物技術(shù)研究所 36 3韓國(guó)能源研究所 29 4印度科學(xué)與產(chǎn)業(yè)研究理事會(huì) 28 5美國(guó)Microvi生物技術(shù)公司 27 6美國(guó)藍(lán)寶石能源公司 25 7韓國(guó)仁荷大學(xué)產(chǎn)業(yè)伙伴研究院 23 8中國(guó)石油化工集團(tuán)公司 20 8南非科學(xué)與產(chǎn)業(yè)研究理事會(huì) 20 10 芬蘭Neste Oil公司 18

美國(guó)Solazyme公司的主要專利布局在美國(guó)本土，并向全球化發(fā)展。2007～2015年，該公司以Franklin、Scott和Somanchi為核心的專家團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了280件微藻生物質(zhì)能源專利研發(fā)，近三年研發(fā)專利數(shù)量占總數(shù)量比例達(dá)48%，并在藻類選育、發(fā)酵合成技術(shù)與基因工程改造方面具備技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

4.2 美國(guó)Sapphire Energy公司

美國(guó)Sapphire Energy公司創(chuàng)立于2007年，致力于以藻類生產(chǎn)環(huán)境友好的可再生能源，并與美國(guó)能源部、美國(guó)農(nóng)業(yè)部建立了良好的關(guān)系。該公司不僅建立了面積高達(dá)2200英畝（1英畝約合4046.8平方米）的世界首個(gè)“綠色原油農(nóng)場(chǎng)”，而且已經(jīng)將從微藻中提煉出來(lái)的航空煤油在中國(guó)航空公司和日本航空公司的兩條航線上進(jìn)行了試用，其生產(chǎn)的汽油與柴油也成功通過(guò)了汽車測(cè)試。

美國(guó)Sapphire Energy公司的專利主要在美國(guó)本土布局，兼顧全球化發(fā)展模式。該公司于2008～2015年研發(fā)了65件微藻生物質(zhì)能源專利，近三年研發(fā)專利數(shù)量約占總數(shù)量的38%，并在酶或微生物的測(cè)定或檢驗(yàn)方法、微生物的基因工程改造技術(shù)方面具備優(yōu)勢(shì)。

4.3 清華大學(xué)

清華大學(xué)是我國(guó)較早進(jìn)入微藻生物質(zhì)能源專利研發(fā)的科研機(jī)構(gòu)之一，在微藻生物學(xué)及敞開(kāi)式培養(yǎng)等方面展開(kāi)系列研究。清華大學(xué)在該領(lǐng)域研發(fā)專利的申請(qǐng)主要集中在本土，在世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織申請(qǐng)的專利相對(duì)較少。2003～2015年，該機(jī)構(gòu)研發(fā)微藻生物質(zhì)能源專利44件，近三年研發(fā)專利數(shù)量占總數(shù)量的41%，在發(fā)酵合成技術(shù)、油脂制備技術(shù)等方面開(kāi)展了較多研究。

4.4 新奧科技發(fā)展有限公司

新奧科技發(fā)展有限公司致力于利用微藻固定CO2并生產(chǎn)生物能源的可持續(xù)發(fā)展途徑，擁有國(guó)家級(jí)微藻生物能源產(chǎn)業(yè)化示范項(xiàng)目，并獲得“863”計(jì)劃的專項(xiàng)支持。

新奧科技發(fā)展有限公司的研發(fā)專利全部在本土申請(qǐng)。2009～ 2015年，該公司開(kāi)展了39件微藻生物質(zhì)能源專利的研發(fā)工作，近三年研發(fā)專利數(shù)量占總比例達(dá)33%，技術(shù)布局主要集中在以微藻為原料的發(fā)酵合成方面。

［致謝：本項(xiàng)目得到國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）項(xiàng)目（2014AA021503）的支持。］

10.3969/j.issn.1674-0319.2016.03.008