燃料乙醇领域的专利状况分析

2013-10-11李煦颖张鑫蕊马秋娟张秀丽

化工进展 2013年10期

李煦颖，张鑫蕊，马秋娟，张秀丽

（1国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，医药生物部，北京 100190；2审查业务部，北京 100190）

燃料乙醇是以玉米、小麦、薯类、蜜糖或其它植物为原料，经过发酵、蒸馏后制成的，体积分数达到 99.5%以上的无水乙醇。燃料乙醇作为一种新兴的、燃烧清洁的可再生能源，能够降低对不可再生资源——石油的能源消耗。经研究发现，当采用玉米、小麦、薯类、甜高粱、稻壳、甘蔗、蜜糖等植物原料发酵生产燃料乙醇时，其燃烧所排放的CO2和作为原料的植物在生长时消耗的CO2数量基本持平，因而燃料乙醇的应用对降低大气污染、抑制温室效应具有重大意义。目前，美国和巴西等国家已经陆续实现燃料乙醇的产业化，而我国在国家政策的支持下，燃料乙醇产业也逐步发展起来。

1 各国的国家政策及技术发展现状

巴西是目前世界上最大的生物燃料生产国，早在20世纪70年代就开始实施生物燃料计划，截止目前生物燃料产值已经占到全国GDP的8%。

美国是世界上第二大可再生燃料生产国，从20世纪80年代开始投入研发，到2004年产量已达129亿升。在美国能源信息署（EIA）发布的《能源展望2010》中预测，2008—2035年间石油消费量的增长部分将全部由生物液体燃料提供，燃料乙醇的消费量可占到石油消费量的17%[1]。

欧盟委员会于 2003年通过了两项生物燃料指令[2]，规定含有燃料乙醇或生物柴油的燃料可免征燃油税，旨在推动欧盟发展燃料乙醇和生物柴油的生产。2004年，欧盟的燃料乙醇和生物柴油产量分别为5.26亿升和22亿升。

在我国，国家发展与改革委员会、科技部、能源局等多个部门均发布了燃料乙醇相关的产业政策。2011年3月，国家发改委发布的《产业结构调整指导目录（2011年版）》[3]中将涉及生物质纤维素乙醇等非粮生物质燃料生产技术开发与应用定义为受鼓励类的项目。2011年7月，科技部发布的《国家“十二五”科学与技术发展规划》[4]中指出，要重点发展纤维素基液体燃料、非粮作物燃料乙醇、生物液体燃料、能源植物良种选育及定向培育等5个方向的研发部署。2011年12月，国家能源局发布的《国家能源科技“十二五”规划》[5]中划分了 4个重点技术领域，其中之一即为包括生物质能在内的新能源技术，其重大研究内容涉及：生物质制备液体燃料技术、纤维素水解制备液体燃料及其综合利用示范工程、生物质热化学转化制备液体燃料及多联产示范工程，争取在2021年达到开发以木质纤维素为原料生产醇、丁醇等液体燃料及适应多种非粮原料的先进生物燃料产业化关键技术。

在上述国家政策的支持下，我国的燃料乙醇领域逐步发展起来。截至目前，以陈粮为原料的燃料乙醇技术已实现产业化，总产量约180万吨，以木薯等非粮作物为原料的燃料乙醇技术正在起步应用，已建成年产20万吨燃料乙醇的示范工厂；以纤维素为原料的燃料乙醇技术正处于研发及专利布局的重点时期，包括中粮、中国石化、诺维信等大型国企或外企已开展广泛的研发工作并实现中试阶段。总体而言，我国燃料乙醇领域正面临蓬勃发展的重要阶段，但核心技术仍然落后于世界先进水平，产业化仍处于试点示范阶段[6]。

2 各国(地区)专利申请的状况分析

众所周知，专利保护是技术发展的有力保障。在燃料乙醇领域，美国等发达国家仍然占据研发的主导地位。以美国为例，20世纪80～90年代是专利申请的起步阶段，相关专利申请缓慢上升，与此同时，美国政府制订一系列燃料乙醇的发展计划并制订相关补贴政策，为燃料乙醇技术走向快速成长期奠定坚实的基础。20世纪90年代至今是快速发展阶段，相关专利的申请量呈现爆炸式增长，其中涉及转基因植物新品种培育、发酵技术的优化等相关领域成为专利申请的重点。就我国而言，在 21世纪初期，我国的专利申请主要以大学、科研院所为主，自2008年以后，由于国家政策的倾斜及资金扶持，企业申请比例正逐年增加。

2.1 样本收集和数据准备

本文采用中国专利文摘数据库（CNABS）和德温特世界专利索引数据库（DWPI）中收录的专利文献作为数据来源。经前期预检、分类号统计以及文献筛选后，确定燃料乙醇主要涉及的分类号为C12P7/06、C12P7/08、C12P7/10、C12P7/12、C12P7/14。为了便于统计和更有针对性，样本的采集主要集中在上述分类号下。同时，采用燃料乙醇中涉及原料、酶、菌、生产技术等关键词与上述分类号结合的方式进行检索。

截止至2012年12月，在DWPI 数据库中共获得涉及燃料乙醇的专利申请约 4254 篇，在 CNABS数据库中共获得涉及燃料乙醇的专利申请约2644篇。

2.2 全球专利发展状况

图 1为世界范围内燃料乙醇专利申请产出趋势，从该技术领域的全球申请量发展趋势来看，燃料乙醇的发展分为以下几个阶段。

第一阶段（1978年前），自1970年起，燃料乙醇技术开始逐渐发展起来，到1977年总申请量达到45件。

第二阶段（1978—1985年），继前一阶段的技术发展，在该阶段申请量出现一个小高潮， 1978年申请量从原来的个位数突增到16件，此后几年进入一个较为稳步的增长阶段，并在1985年出现一个峰值，突破百件。

第三阶段（1986—1998年），从1987年起，申请量出现下降趋势，并且下降速度较快，较 1985年的104件减少了一半多，此后几年申请量均持续较低的水平，每年的申请量均不足50件。

第四阶段（1999年后），自1999年起的申请量开始恢复，上升至60件，此后开始逐年稳步增加，自2006年后，申请量增长极为迅速，并在2008年达到高峰；虽然2009—2012年的数据略有下降，但考虑到 2009—2012年还有大量尚未公开的专利申请，因此这三年的实际专利申请量仍然可能超过之前几年。

同时，燃料乙醇的专利授权时间趋势与申请量大体一致，截止到2012年，该领域的专利授权总量已达到2895件，占申请总量的68.2%，2004年前该领域每年的授权量都没有超过百件，从2006年开始，燃料乙醇的专利授权量进入一个黄金时代，2008年到达峰值，近年来基本稳定在较高的水平，该领域已经日趋发展成熟。

2.3 产出和目标国家或地区统计

从图2和表1可以看出，燃料乙醇专利申请产出排在前5位的分别是美国、欧洲、日本、中国和巴西，其中以美国的申请量最多，约占全部申请总数的 1/3，欧洲位居第二；日本和中国的申请量比较接近，仅就申请数量来看，这两个国家的实力相当；巴西作为世界第一大甘蔗种植国和全球最大的燃料乙醇出国口，从1975年就开始实施燃料乙醇替代能源发展战略，燃料乙醇技术创新已经成为该国专利发展的重点。

从图3和表2可以看出，由于美国、中国、欧洲、日本和加拿大在该领域占据主要市场，因此它们也是大多数企业认为需要进行专利保护和技术垄断的关键地区。其中，进入我国的相关专利位居第二位，一方面可能因为目前我国企业关注该领域的发展，国内申请人提交的专利申请较多；另一方面也预示了我国未来在该领域的市场竞争激烈，企业在实施技术时可能存在较多的专利壁垒。

表1 专利产出国家或地区排名

表2 申请目标国家或地区排名

2.4 三代燃料乙醇技术的趋势分析

按照生产原料划分，燃料乙醇技术的发展包括3个阶段，第1代燃料乙醇技术的生产主要来自于玉米、水稻、大豆等粮食作物，但面临“与民争粮，与粮争地”的困境；经过政策调整，目前的生产重点是第1.5代燃料乙醇技术，以木薯、甜菜等非粮淀粉类植物为主要原料；而燃料乙醇的未来发展方向是第2代燃料乙醇技术，采用麦秆、稻草和木屑等农林废弃物或藻类、纸浆废液为主要原料。

2.4.1 总体状况分析

图4和图5涉及1990—2012年期间第1代粮食类、第1.5代非粮淀粉类、第2代纤维素类原料专利申请量的年代变化趋势统计，全球范围内各原料申请量总体仍处于增长期，但由于专利公开的滞后性，且大多以PCT申请为主，申请周期比较长，因此 2010—2012年涉及全球范围内的专利申请实际数量可能远大于统计数量；其中第2代燃料乙醇技术在国内外均占据主要地位，均自2006年开始呈现快速增长的趋势；对于第1代燃料乙醇技术，由于粮食危机的出现以及伴随陈化粮的逐步消耗，该技术的申请量增长迟缓，正逐步退出研发市场；对于第1.5代燃料乙醇技术，国外的专利投入处于一个比较缓慢的发展期；与之相反的是，由于国内政策倾斜，我国正处于申请量的持续增长期。

2.4.2 第1代燃料乙醇技术的发展趋势

图6和图7涉及第1代原料的专利申请量。第1代粮食类原料技术在国内外发展都已经比较成熟，排名前三位的原料分别是玉米、小麦和稻。但是由于全球粮食短缺的日益严重，各国企业大多开始寻找采用非粮原料作为替代，因此第1代燃料乙醇技术的发展比较迟缓。在国内，玉米作为燃料乙醇生产原料的历史悠久，专利申请量也远高于其它品种的生产原料。

2.4.3 第1.5代燃料乙醇技术的发展趋势

图8和图9涉及第1.5代原料的专利申请量趋势。由于原料的产地原因，国内外第1.5代主要原料种类不同。在国外以蜜糖、甘蔗和马铃薯为主，在马铃薯、甘蔗种植大国如美国、巴西的推动下，以马铃薯、甘蔗为原料的燃料乙醇技术也成为近年来的热点，利用制糖工业的副产品废蜜糖为原料也是近年来比较环保的低成本生产方式；国内排名前三位的分别是木薯、甜菜和高粱，我国从2006年起鼓励发展第1.5代非粮食作物为原料的燃料乙醇技术，并在中粮集团等企业投放木薯乙醇工程试点，因此木薯成为国内第1.5代原料中主要研究投入对象[6]。

2.4.4 第2代燃料乙醇技术的发展趋势

图10和图11涉及第2代原料的专利申请量趋势。第2代燃料乙醇技术是燃料乙醇的未来发展趋势，国内外均以秸秆、蔗渣和柳枝稷的申请量最多。自2006年开始快速发展起来，特别是以秸秆为原料的相关技术已达到对数增长期。由于秸秆的来源广泛，且相对于以粮食为原料生产燃料乙醇技术，不仅可以避免与人争粮的问题，还可以减少环境污染[7]。因此秸秆正逐步成为燃料乙醇的原料发展趋势。而蔗渣、柳树稷则是近几年新近开发的原料来源，是目前研究和技术投入的新热点。