木质纤维素乙醇专利分析研究

马文君，王忠明，刘改萍

(中国林业科学研究院林业科技信息研究所，北京 100091)

1 引言

目前，人类面临着经济发展和环境保护的双重压力，面对石油产量的下降、能源需求的增长、温室效应的加剧，寻求可再生清洁能源、走可持续发展之路已经成为全球共识。除了风能、太阳能、潮汐能等洁净能源，生物质能源由于低污染、广分布、总量丰富等优势，日益受到人们的重视。

由于“第一代生物质能源”的生产消耗了大量的农产品，并可能造成粮食安全问题，因此近年来“第二代生物质能源”——纤维素燃料乙醇，受到了越来越多关注，美国制定的长期“30×30”目标以及欧盟一系列法律的颁布都意味着纤维素燃料乙醇已经引起了国际上的普遍重视［1］。

第二代生物质能源具有巨大的发展潜力，目前我们还未能很好的进行开发和利用。每年有超过40万t的不可食用的植物材料产生，包括小麦茎秆、玉米秸秆(秸秆和叶)、锯木刨花，其中大部分都被扔掉了。将这些被丢弃的植物原料变成第二代生物燃料，不会对粮食产生威胁，因此，具有巨大的吸引力［2］。

2 木质纤维素乙醇概述

木质纤维素主要是指植物的根、茎、叶及果实的外壳，如硬木、软木以及农林副产物如玉米芯、甘蔗渣、秸秆、树皮、木屑等。木质纤维素类生物质能源的原料丰富，不仅可以使用上述材料，还可以利用一些废弃物，变废为宝。生物质中的70%～75%为纤维素原料，主要由纤维素、半纤维素和木质素构成，它们主要以细胞形式存在。其中，纤维素是纤维的骨骼物质，而木质素与半纤维素以包容物质的形式分散在纤维之中及其周围。脱去木质素的纤维素很容易被木霉菌分解成葡萄糖和木糖等单糖［3］。

木质纤维素生产乙醇过程可以分为两步:木质纤维素原料经过水解处理转变成相应糖类;糖类发酵转变为乙醇。一般微生物发酵法制备乙醇产品含4个流程:预处理、酶解、发酵以及回收，目前发酵法生产乙醇的方式主要有:异步糖化发酵法(separate hydrolysis and fermentation，SHF)、同步糖化发酵(simultaneous saccharification and fermentation，SSF)、联合生物加工(consolidated bioprocessing，CBP)等［1］。

预处理主要包括对纤维素、半纤维素和木质素组分的粉碎、溶解、水解和分离［4］。为了提高纤维素的水解率，必须对木质纤维素进行预处理，其目的是降低纤维素的聚合度和结晶度，破坏木质素、半纤维素的结合层，脱去木质素，增加有效的比表面积。目前预处理方法主要分为物理法、化学法、物理化学结合法和生物法［3］。尽管预处理能够得到一部分单糖，但大部分还是以不能直接供菌体发酵的多糖分子存在，因此水解是发酵前必要的步骤。水解主要是将纤维素、半纤维素多糖转变成可发酵的单糖(六碳糖和五碳糖)［1］。纤维素的糖化是木质纤维素制燃料乙醇的关键，其工艺主要有酸解法和酶解法两种工艺。发酵是将由预处理和水解产物中的五碳糖和六碳糖等糖类发酵生成乙醇及其副产物的过程［1］。蒸馏是一种在工业范围内从发酵液中回收乙醇的可选方法。

3 专利分析

3.1 数据来源与研究方法

研究采用欧洲专利局世界专利数据库作为采集源，采集截至2012年2月中旬(专利公开日)的木质素乙醇相关专利数据，建立了世界木质素乙醇专利数据库，共采集到相关专利文献722篇。

由于专利申请有18个月的公布周期，因此，部分专利虽然申请日期早于2012年2月份但仍未被列入此次分析之中。本文分析的年度纬度如果没有特殊说明，均选取优先权年，优先权年可以反映一项发明的最早出现时间。本研究采用的专利分析主要包括两个步骤:数据采集和数据分析。

数据采集使用计算机检索和人工排查相结合的方式进行。在欧专局世界专利数据库的标题(title)、摘要(abstract)和国际专利分类(IPC)3个字段进行组合检索，检索式如下:title=(lignocellulose* or lignin*)and(ethanol* or biofuel* or fuel*)or abstract=(lignocellulose*and ethanol*)and IPC=(C12 or D21 or C13)，然后，进行数据清洗和分类标引。

采用的专利分析方法主要包括定量分析、定性分析、拟定量分析和图表分析。专利分析内容主要包括技术发展趋势分析、技术生命周期分析、申请人分析、国家技术实力分析、关键技术分类分析、同族分析。

3.2 分析结果

截至2012年2月中旬，与木质素乙醇相关的世界专利共772件，根据欧专局的同族信息进行合并后，共有基本专利129件。基本专利量是专利总量的6倍，说明掌握该技术的专利权人已经开始注意专利布局，但是专利布局的范围还不是很广。

3.2.1 发展趋势分析

从申请趋势来看(图1)，关于木质素乙醇的专利申请始于1979年，在之后的20年中发展十分缓慢，每年只有一两件的相关专利申请，直到2011年相关申请量开始增多，2005年以后快速增长，2007年达到申请量的最高峰，2008年申请量基本与2007年持平，略有下降。从发展趋势来预测，2009年之后几年内，申请量不会再大幅增长，但是每年将会保持较高的申请数量。

图1 木质素乙醇相关世界专利的申请趋势

根据本研究采集到的数据，最早的木质素乙醇相关专利是由美国的加利福尼亚大学(University of California)在 1979年 3月 23日申请的，专利号“US19790023338”，专利名称“纤维素和木质纤维材料的利用(UTILIZATION OF CELLULOSIC AND LIGNOCELLULOSIC MATERIALS)”。该专利说明了将木质纤维原料转化成有用的产品，如乙醇、甲醇、甲烷、有机酸和糠醛的方法，其步骤和方法包括两阶段水解、湿式氧化法和发酵。

3.2.2 技术生命周期分析

通过对专利申请数量与时间序列关系、专利申请企业数与时间序列关系等分析研究，绘制出全球木质素乙醇技术生命周期图(图2)。根据专利技术生命周期的一般规律来看，从1980～2005年属于技术引入期，专利数量和专利申请人都较少，且集中度较高;2006以后该技术进入发展期，专利数量和专利申请人数量都大量增加。

3.2.3 各国技术实力分析

图2 木质素乙醇技术生命周期

通过对专利优先权国家的分析，可以反映出各个国家之间的技术实力。数据表明:共有26个国家和地区申请了木质素乙醇相关的专利，专利申请最多的是美国(402件)，其次是加拿大(123件)和瑞典(59件)，排名前10位的还有丹麦、法国、澳大利亚、英国、芬兰、印度和西班牙(图3)，这10个国家的专利量之和占专利总量的97%。中国排在第21位，中国台湾排在第12位。分析结果表明:木质素乙醇专利技术分布主要掌握在欧美国家手中，美国的技术实力遥遥领先，其专利申请量占世界专利总量的52%。另外，印度排名第9，实力也不可小觑。

美国是世界可再生能源利用较早的国家，也是目前可再生能源利用最先进的国家之一。美国对可再生能源的拨款增长迅速，大力支持可再生能源的发展是美国能源战略的重要组成部分。目前美国推广使用生物能源的政策包括监管法令、经济激励和研发计划［5］。

图3 木质素乙醇相关专利量排名前10位的优先权国家

3.2.4 主要技术竞争者分析

通过对专利权人的专利量进行统计分析，可以发掘木质素乙醇技术的主要竞争者。数据表明(表1)，专利量排名前十位的专利权人拥有木质素乙醇技术专利总量的50%，因此他们是该技术领域最强有力的竞争者，也是目前该技术领域的领跑者。10位专利人中，美国占7位，可见美国在这一技术领域具有绝对的优势。排名第一的是美国的希乐克公司(XYLECO INC)，其次是美国的麦斯科玛公司(MASCOMA CORP)和加拿大的艾欧基能源公司(IOGEN ENERGY CORP)。通过对这10位专利权人申请专利的地域进行分析发现，其专利布局主要集中在美国、欧洲、加拿大和澳大利亚。另外，这些主要的技术竞争者对中国市场也十分重视，10位专利权人中，有8位都在中国进行了相关技术的专利申请，排名前5位的专利权人均在中国布局了相关专利。

表1 木质素乙醇技术专利申请量排名前10位的专利权人

美国希乐克公司共申请了112件木质素乙醇相关专利，根据欧专局的同族信息进行同族分析，发现其基本专利共7件(表 2)，在中国布局相关专利 5件(CN20078047397、 CN20098124437、 CN20098142821、CN20098150758、CN20108005392)，最大的专利族有53个成员。希乐克公司的这些专利主要是关于木质素乙醇生产过程中的预处理技术及工艺，其涉及的预处理方法主要包括辐射、超声、热解、氧化和蒸汽爆炸，在实施方案中可以使用两种或多种不同的预处理方法，如辐射和超声、超声和氧化、超声和热解、氧化和热解等。以辐射和超声预处理为例，辐射可以是电子束的形式，在具体实施方案中，施加的电子束辐射的总剂量为大约10 Mrad，施加的超声的总能量在5 MJ/m3以上。辐射可以在超声前进行，或超声可以在辐射前进行，或辐射和超声可以在同时或几乎同时进行。

表2 美国希乐克公司木质素乙醇相关基本专利

美国的麦斯科玛公司共申请了54件木质素乙醇相关专利，进行同族分析发现，其基本专利8件(表3)，在中国申请了3件相关专利(CN20088024031、CN20068040876、CN20088024031)。通过对这8件基本专利的分析发现，该公司木质素乙醇技术专利涉及预处理、水解、发酵、回收4个阶段，非常全面，但主要侧重于木质素乙醇制造过程中的水解和发酵技术及工艺，从方法来看，主要是利用嗜热或嗜温微生物处理来提高乙醇浓度。

表3 美国麦斯科玛公司木质素乙醇相关基本专利

加拿大的艾欧基能源公司共申请了45件木质素乙醇相关专利，进行同族分析可知其基本专利5件，在中国申请相关专利1件(CN20088109945)。对该公司的相关专利分析发现，其与美国的麦斯科玛公司一样，主要侧重于水解和发酵的技术及工艺，从方法来看，主要侧重于酶技术和酵母菌株的研究，提高糖和醇的产量。

表4 加拿大艾欧基能源公司木质素乙醇相关基本专利

对排名前3的这3家公司进行比较发现，从进入木质素乙醇技术领域的时间上来看，加拿大的艾欧基能源公司最早涉足，其早在2000年就申请了相关技术专利，直到现在，其研发活动仍然非常活跃。美国希乐克公司和麦斯科玛公司则在2005年、2006年才有相关专利申请，其研发活动一直也十分活跃。通过专利族的同族数量可以反映出专利技术的商业价值，一般来说，同族数越大，其专利价值也越高。美国希乐克公司的专利族是3家公司中最强大的，因此，其关于木质素乙醇的预处理的专利技术价值也较高。

4 关键技术分类分析

本文选取木质素乙醇生产一般工艺中的预处理、水解和发酵3个关键技术进行深入分析。首先对采集到的专利数据进行技术分类标引。一件专利可能同时被标引两次，如一件专利技术同时涉及2个或3个关键技术。

数据分析结果表明(图4、图5)，有关发酵、预处理、水解的木质素乙醇技术专利量分布比较均衡，分别是241件、236件、224件。从各类技术的发展趋势来看也基本相同，1979～2006年，各类技术专利申请量都不多，且增长缓慢，2007年开始申请量增多，且增幅较大。

图4 各类木质素乙醇相关技术专利量

图5 各类木质素乙醇相关技术发展趋势

4.1 预处理技术

在预处理技术方面，专利族成员最庞大的是美国希乐克公司优先权号为US20060854519P的美国专利，其专利簇成员共53个，已经在美国、欧洲、中国、日本、韩国、加拿大、澳大利亚等14个国家和地区布局该专利技术，其中最新的授权专利公开号是US7932065B2，专利名称为生物质的加工(Processing Biomass)，其预处理技术方法如下:生物质原料首先经过机械研磨和剪切，然后进行电子束照射，电子束辐射的剂量率至少需要1.0 Mrad/s，并为生物质原料提供大约10Mrad到150Mrad的辐射量，才能使辐射后的生物质材料更容易受到化学，酶和/或生物的作用。

根据各类预处理技术的专利量来看，目前的主要预处理技术有:机械研磨剪切、辐射、超声、蒸汽爆炸、碱性溶液处理、氨纤维爆裂(AFEX)、离子液体处理、阻断预处理(阻断多肽和蛋白质)、酸处理、亚硫酸盐蒸煮预处理。

根据专利申请时间来看，最新的预处理技术包括2010年韩国专利KR20100040826揭露了一种预处理方法，其特点在于湿式研磨、微波处理和爆破处理，其处理的生物质原料即可以来自松木和栎树等木本植物，也可是芦苇等草本植物。2010年韩国专利KR20100008497利用湿式研磨法和爆破法进行预处理。2009年的台湾专利TW20090136797，揭露了一种多功能连续式生物质预处理组合装置及其应用方法，其特征在于包括由——高压系进料槽组、——压力隔离进出料棋组、——低温螺旋输送反应器组、——挤压输送器组、——高温螺旋输送反应器组、——压力释放器组、——闪化槽组、——蒸汽注入模块及——药剂注入模块所构成，将进料、输送、混酸或碱、高温高压反应、固液分离及高压闪化之手段结合连续操作模式应用于纤维生物质原料。2009年美国专利 US20090170805P通过去除抑制化合物进行木质纤维素生物质预处理，丹麦专利DK20090000050揭露一种用于预处理的快速混合介质的装置及方法。

4.2 水解技术

在水解技术方面，专利族成员最庞大的是美国中西部研究所(Midwest Research Inst)优先权号为US20000634978的美国专利，其专利簇成员共17个，已经在美国、欧洲、加拿大、英国、澳大利亚、丹麦、西班牙7个国家和地区布局了该专利技术。专利族中的最新授权专利公开号是US6660506B2，名称是通过烯酸水解法将部分干燥的木质纤维素制备成乙醇(Ethanol Production with Dilute Acid Hydrolysis Using Partially Dried Lignocellulosics)，该专利技术可提高可溶性糖的产量，其水解技术是两阶段烯酸水解法，第一水解阶段，将经酸浸渍过的纤维素生物质颗粒在水解反应器中的温度在130～220℃之间，pH值控制在5左右，再经过逆流提取工艺，从第一水解阶段回收超过95%的可溶性糖;第二水解阶段，温度控制在190～240℃之间，pH值控制在4.5左右。优先权号为US19970833435的美国专利，拥有14件同族专利，提出了一种提高水解率的方法，即在同步糖化发酵(SSF)过程中，使用超声波处理，从而提高纤维素酶的水解能力，减少其用量。

根据各类水解技术的专利量来看，目前的主要水解技术有两大类:一是酶水解，即利用纤维素酶进行酶水解，酶水解工艺基本上可以分为两类。第一类工艺是分别水解和发酵工艺，简称SHF，纤维素废弃物的水解和糖液的发酵在不同的反应器内进行;第二类工艺是同时糖化和发酵工艺，简称SSF，纤维素的水解和糖液的发酵在同一个反应器内进行。二是酸水解，即利用酸容易来分解纤维素和半纤维素，稀酸水解常分两步进行:第一步用较低温度分解半纤维素;第二步用较高温度分解纤维素。水解反应器主要有逆流式和并流式两种。

根据专利申请时间来看，最新的水解技术包括2010年法国申请的国际WO2011117728A3名称为“新型CBH1－EG1融合蛋白及其用途”，该专利技术将新型CBH1－EG1融合蛋白用于将木质纤维素原料转化为乙醇，主要用于酶促水解阶段。2009年优先权号为TW20090136799的台湾专利，提出一种提高水解效率的方法，其特征在于水解反应中使用农业生产乳酪的副产物乳浆及其它相似性质的有机溶液作为添加剂，水解温度应为50℃，放置于转速100rpm的振荡水浴槽中，反应时间72h，可以提高10%的水解率和30%的总体浓度。

4.3 发酵技术

在发酵技术方面，专利族成员最庞大的是美国达特莫斯大学(Dartmouth College)优先权号为WO2007 US67941 和US20050731674 P的美国专利。专利族中的最新授权专利公开号是US6660506 B2，名称是“将木质纤维素生物质转化为乙醇的嗜热生物”，该专利公开了消耗多种生物质衍生的底物的嗜热突变生物体，确切地说是消除乙酸激酶和磷酸转乙酷酶表达的解糖热厌氧杆菌菌株。该生物体可以用于，例如，在对纤维素酶洁性最适的温度下进行的嗜热SSF和SSCF反应，以产生近于理论的乙醇产率。

大多数发酵技术的专利是涉及发酵微生物和菌种的选择及相应的发酵工艺，多用几种微生物混合，以提高发酵效率。专利文献中提出的发酵微生物和菌种主要有:新的马克斯克鲁维氏酵母(Kluyverαnyces marxianus)耐热型菌株，发酵生物Pichia stipitis、Pichia segobiensis 、Candida shehatae，真菌Chalara SP(也可以和真菌Trametes sp组合使用)，Thermoanaerobacter Mathranii 菌 株 BG1，梭 菌Thermocellum、Thermoanaerobacterium Saccharolyticum，厌氧嗜热细菌Italicus亚种、微生物克鲁维酵母菌株等。

根据专利申请时间来看，最新发酵技术方面的专利技术主要有，2010年优先权号为US20100298790 P的美国专利，其特征在于提供重组微生物，用于表达一个或多个酶，并在代谢途径工程中起作用。2009年优先权号为DK20090070297的丹麦专利发现厌氧嗜热细菌Italicus亚种适合于发酵，特别是由木质素纤维素生产乙醇。

5 结语

木质素乙醇技术目前正处于技术发展期，未来发展势头良好。目前该技术主要掌握在美国、加拿大、瑞典、丹麦这几个国家的大型企业手中，如美国希乐克公司和麦斯科玛公司、加拿大艾欧基能源公司，大学和科研机构也掌握有一定的专利技术。相对于上述国家，中国整体技术实力还比较薄弱，应加大技术创新力度，密切关注木质素乙醇技术领域的发展趋势和主要竞争者，充分利用核心专利文献，发挥后发优势，消化吸收再创新，逐步形成自主知识产权，争取在本领域的未来竞争中赢得一席之地。

［1］崔永强，林燕，华鑫怡，等.木质纤维素为原料的燃料乙醇发酵技术研究进展［J］.化工进展，2010，29(10):1868 ～1876.

［2］Sanderson K.Lignocellulose:A chewy problem.［J］.Nature，2011，474(7352):12～14.

［3］张 越，聂莉莉，宋 建，等.木质纤维素为原料的燃料乙醇预处理技术研究进展［J］.天津农业科学，2011，17(4):113 ～116.

［4］张宇昊，王 颉，张 伟，等.半纤维素发酵生产燃料乙醇的研究进展［J］.酿酒科技，2004(5):72～74.

［5］陈大明.美国生物能源产业政策［EB/OL］.［2010－11－12］.http://www.hyqb.sh.cn/publish/portal3/tab342/info5654.htm.