藻类燃料乙醇生产技术专利分析

吴 峥

(国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京 100160)

世界各国一直在寻找石油能源的替代品，在燃料领域，以生物质发酵制备燃料乙醇是研究的热点。燃料乙醇具备辛烷值高、抗爆性好、大气污染低的优点，与汽油混合可形成不同标准的乙醇汽油。2018年8月25日起，天津市内有10座加油站率先进行汽油置换，车用乙醇汽油正式投入使用。2018年12月29日，国家发改委等七部委联合发布公告，2019年1月1日起，全国全面供应符合第六阶段强制性国家标准VIA车用汽油(含E10乙醇汽油)、VI车用柴油(含B5生物柴油)。

根据所发酵的生物质种类，燃料乙醇可分为：第一代，以糖(如甘蔗)或淀粉(如玉米)为原料的“糖-淀粉”乙醇，第二代以农业废弃物(如秸秆、玉米芯等)为原料的纤维素乙醇，以及第三代，以藻类为原料的乙醇[1]。其中“糖-淀粉”乙醇缺点在于使用粮食作物作为原料，近年来市场重心已经逐步向纤维素乙醇转移。而新生代藻类乙醇又开拓了新的原料领域，藻类物质具有生长速度快，产量高，不依赖农业化肥农药和耕种土地等优势，并且藻类物质中难以处理的木质素很少，同时纤维素类型不同、氢键较弱，在燃料乙醇领域是最理想不过的原料。

1 专利概况

1.1 申请趋势

在中外文专利数据库中，检索到关于藻类燃料乙醇相关专利申请652条(截止2019年6月12日)，如图1，其中大部分是在2007年之后申请的，属于典型的新兴技术领域，由于专利从申请到公开有一定时限，2017年年底至今申请的专利只公开了一部分。

图1 关于藻类燃料乙醇相关专利申请

1.2 创新与市场

如图2，从申请人国别上看，美国占据领先的地位，中国、韩国、日本在该领域也积累了相当多的技术。从申请进入的国家看，在中国(CN)、美国(US)、日本(JP)、韩国(KR)和欧洲(EP)申请的专利较多，一定程度上反应了各大公司的布局。中国的申请量暂时落后美国，而进入中国的专利已经排名第一，可见中国藻类燃料乙醇的市场潜力较大，得到各大经济体的重视。此外，可以看出美国和韩国申请了较多的PCT国际申请(WO)，在本国之外也提交了较多申请，相对来说更为重视海外市场。

图2 申请人国别

1.3 主要申请人

该领域专利申请量排名第一的仍然是燃料乙醇行业龙头美国希乐克(XYLECO)公司，申请了33件，美国奥奇能(ALGENOL)生物能源公司/生物技术公司申请了29件，日本三菱重工申请了18件(集中于20世纪90年代，大部分已经超过保护期限失效了)。中国申请人中，上海海洋大学等26所高校申请了33件，中国科学院广州能源所等7个中科院研究所申请了14件；中粮集团有限公司申请了5件，在企业中领先。与国外相比，我国的申请人更加分散，未形成明显的汇聚趋势。

1.4 技术领域

除去核心分类号C12P7/06(生物化学制备非饮用乙醇)C12P7/08(C12P7/06的下级分类号，作为副产品或从废物或纤维素材料基质中制得)和C12P7/10(C12P7/08的下级分类号，含纤维素材料的基质)，该领域的专利还存在以下主分类号：C12N1/12，单细胞藻类本身；C12P7/16，生物化学制备丁醇；C12P7/64，生物化学制备脂类；C12P5/02，生物化学制备无环烃；C12P7/16，生物化学制备丁醇，等。即除了对藻类本身的研究，在发酵中联产其他有机物也是研究的重点。

对该领域专利的所有英文摘要做高频关键词的共现分析(参见图3)，可以直观看出申请人的研究中，原料集中于海藻(seaweed/marine algae)、蓝藻(cyanobacterium)、微藻(microalga/microalgae)和红藻(red algae)，对各种藻类品种(strain)进行筛选。研究发酵过程的重点在于酶(enzyme)，其中乙醇脱氢酶(Adh，alcohol dehydrogenase enzyme)和丙酮酸脱羧酶(Pdc，pyruvate decarboxylase enzyme)研究较多。

图3 该领域专利的所有英文摘要高频关键词共现分析

2 具体专利技术

2.1 藻种筛选

奥奇能生物能源公司/生物技术公司研究了基因增强代谢的、通过丙酮酸脱羧酶和醇脱氢酶途径直接生物产出乙醇的蓝藻(US9862974B2，US9765364B2，US9493794B2)；提供了转基因蓝藻细胞(US20180112225A1，US20170175148A1)，其能够利用亚磷酸根作为主要磷源，并且能够更有效地与污染物生物竞争某些形式的磷，以在非无菌条件培养的情况下抑制污染。

新奥科技发展有限公司提供了具有生长速度快、油脂积累快、含油量高、能够有效去除水中的含氮化合物，并且含有适合部分有益的色素等优点的栅藻藻株，可用于生物柴油生产(CN102911872B，CN102943044B，CN102978114B)，一种环境适应能力强，高温耐受能力强，油脂尤其是二十碳五烯酸含量高，对CO2的处理能力强，可高温养殖的拟微绿球藻突变株(CN103468577B)。

埃诺(Enol)能源公司也在多篇专利中提供了用于生产乙醇的基因修饰的蓝藻，其构建体和方法(US6699696B2，AU779434B2)。

北京大学公开了一种蓝藻工程菌及其制备方法和应用，该蓝藻工程菌为cesA基因缺失的蓝藻突变体，质粒或基因组上整合有木醋杆菌的7个纤维素合成相关基因，该工程菌纤维素含量占细胞壁干重的13%左右，同时生长周期短，不存在木材中的木质素的污染问题，其提取和纯化过程可以大大简化，减少排放(CN102242065B)。

华南理工大学公开了一种提高集胞藻PCC6803乙醇耐受性中的方法，通过同源重组的方法对集胞藻PCC6803中的sll0528、sll0687基因进行敲除和过表达，得到对乙醇耐受性显著提高集胞藻PCC6803藻株(CN109706104A、CN106399114A)。

中国科学院烟台海岸带研究所公开了一种对乙醇耐受性显著提高的集胞藻PCC6803突变株，乙醇耐受相关基因为slr0599，在1.5%(v/v)的乙醇胁迫下，该藻株的生长状态明显优于野生型藻株(CN107400673A)。

浙江齐成碳能科技有限公司提供了一种利用光合作用生产乙醇的基因工程蓝藻，其含有整合到染色体上的外源丙酮酸脱羧酶基因和外源乙醇脱氢酶，以及制备该蓝藻的载体和方法，和使用该蓝藻生产乙醇的方法(CN102732426B)。

本田公司公开了一种微细藻，属于衣藻属，该微细藻是在黑暗厌氧条件下具有乙醇产生能力、且获得了一边凝集一边增殖的能力的突变株，不需要通过离心处理、过滤处理等来浓缩或回收藻体的工序，简化了设备(CN109844094A)。

2.2 酶与酵母研究

韩国生产技术学院提供了利用红藻生产生物燃料的方法，通过用水解酶和/或水解催化剂处理，从红藻或从红藻提取的多糖中产生单糖，使用微生物发酵单糖以产生生物燃料(US20140315268A1，US8795994B2)，一种适用于从红藻等半乳糖含量高的藻类制备乙醇的突变体菌株的卡斯特酒香酵母(WO2011087336A2)。

中国科学院天津工业生物技术研究所提供了一株海洋酵母，能够在巨藻处理液中生长并应用于乙醇生产，适应海藻中褐藻多酚等物质的抑制作用，并耐受海藻处理液中较高的盐度，而且能够利用海藻中多种碳水化合物作为碳源，达到乙醇的高效产出(CN105543115A)。

华南理工大学公开了一种经优化的高温酸性海藻糖酶TreMT1及其编码基因与应用，稳定性好，在高温酸性条件下也能将二糖水解成单糖，降低淀粉液化后的冷却耗能和提高淀粉质原料的利用率，减少资源浪费，提高生物能源的利用效率，降低生产成本(CN109652394A)。

上海海洋大学公开了一种曲霉菌F菌株，可分泌纤维素酶，利用马尾藻粉作为纤维素底物诱导产酶，直接将该菌株的酶解系统与马尾藻藻体纤维素直接作用，能有效酶解马尾藻中的纤维素物质，将其降解为还原糖等单糖物质，为生物乙醇的发酵直接提供发酵底物(CN105820957A)。

丹尼斯科美国公司公开了使用海藻糖酶改善发酵产物包括乙醇的收率，改善酵母健康状态，尤其是减小发酵结束DP2水平的方法(CN105722989A)。

2.3 预处理与生产工艺

希乐克公司提出，使用一定的加速电子辐射处理纤维素/木质纤维素原料，通过这种“淬火”过程改变原料的结构，例如减小原料的平均分子量、改变原料的晶体结构和/或增加原料的表面积和/或孔隙率，从而增加纤维素/木质纤维素在水解过程中的产率(WO2009134764A2)。同时还提出了通过常规电渗析、反向电渗析和/或双极性膜电渗析包含藻类原料处理得到的生物质液体中除去不想要的组分，如盐(例如离子)和酸(例如，有机酸)的方法和系统(WO2014138594A1)。

三星电子公司提供了一种用于预处理和糖化藻类生物质的方法，包括脱水、切割和糖化步骤(US20100209976A1，KR1020100093253A)。

中国科学院天津工业生物技术研究所公开了一种利用自由基预处理藻类的方法，将藻类进行干燥、粉碎、过筛、称重、醋酸～醋酸钠缓冲液浸泡以及向藻类浸泡液中加入硫酸亚铁溶液和过氧化氢溶液，用时短、能耗低、操作简单、无抑制物、无腐蚀性物质、环境友好、对预处理设备要求低，适用于藻类物质的大规模预处理(CN103555792B)。

中国科学院广州能源研究所提供了一种富碳微藻固体酸糖化发酵制备燃料乙醇的方法，以富含碳水化合物微藻为原料，在固体酸作为催化剂的条件下，将经过离心浓缩的微藻培养液置用高温液体水方法处理，然后发酵制备生产乙醇，简单环保，微藻易得且生长快速、细胞内纤维素氢键较弱，更易被降解为单糖(CN104073524A)。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所公开了一种以大型海藻生物质为原料高效生产燃料乙醇的方法，将大型海藻生物质进行清洗，破碎，添加水解催化剂得到醪液，进行脱毒处理、灭菌处理，添加氮源物质，接种发酵菌株发酵得到乙醇，大幅提高了发酵微生物对海藻生物质的转化效率，同时发酵液乙醇浓度也得到了大幅提高(CN102220380B)。

韩国海洋设计研究院提供了一种方法，以水或油为介质，对海藻提取物进行高压力液化，从而缩短发酵时间，提高乙醇的产率(WO2013157688A1，AU2008360491B2，KR100908425B1)。

青岛博研达工业技术研究所公开了一种浒苔高值化提取方法，以蛋白酶、果胶酶、纤维素酶制成复合酶，对原料进行预处理，提高海藻酸钠的提取率，制备燃料乙醇、浒苔有机肥，实现了浒苔的高值化综合利用(CN104341535B)。

华东师范大学公开了一种以水华蓝藻为原料制备生物乙醇的方法，采用再培养的方法，使得水华蓝藻中糖含量显著和生物可利用性上升，大大提高生物乙醇的产率，为水华蓝藻提供了有效的资源化途径(CN109628502A)。

韩国生产技术学院公开了用于从海藻类原料连续制备糖化液的工艺和装置(KR101096183B1)。

藻类生物过程有限责任公司公开了使用微藻底物同时糖化和发酵的工艺，调节培养液混合物的温度和pH以减缓葡萄糖转化速率并匹配微藻的葡萄糖代谢速率(CN107109442A)。

埃克森美孚研究工程公司提供用于增强从藻源生物质回收产物的工艺集成的系统和方法，允许增加来源于可再生来源的输入料流及其它试剂的使用，增加了从所述藻源生物质中提取的产物的总体可再生特性(CN103998583B)。

奥奇能生物能源公司/生物技术公司提供了用于接种蓝藻的并联连接的多个封闭的光生物反应器系统和生产方法(US20160024458A1)。

拜尔公司提供了一种用于藻类生长的光生物反应器，低沉本、高产率和易操作(WO2011034567A2)。

3 结语

通过以上专利概况和具体技术的分析，可以看到藻类燃料乙醇技术已经成为世界各研究机构、能源科技公司研究的热点，从基因工程对藻种的筛选，对发酵过程中酶和酵母的改进，到预处理和生产工艺，全流程都已经积累了很多技术创新，规模化在即，将替代现有的部分燃料乙醇制造工艺，成为市场关注的重点。分析中发现，国内做出相关研究的机构很多，研究方向覆盖也很全，但是在申请时对专利布局不够重视，仅申请核心专利，缺乏外围专利的构筑，容易在技术实施时被规避；同时，可能是由于经济或难度的限制，国内申请人并未积极在国外其他主要市场的国家申请专利，这将造成权利的损失。因此，在继续做好藻类燃料乙醇基础技术研究的同时，国内申请人需要在专利的申请上更加主动，加大布局力度，合理保护自身的利益。