生物柴油领域专利信息分析

李 艳 李宏宇

随着当今世界经济的快速发展，对化石能源的开采量和使用量也随之增大，然而却使得能源短缺和生态危机成为世界各国主要关注的焦点性问题。这一现状已经使得世界各国达到了化石能源及环境承载力极限，那么如何开发并且合理运用清洁生物质能源成为处理这一问题的有效途径和重要手段之一。生物液体燃料作为目前生物质能源主要的利用模式，对于解决环境与能源问题发挥着重要作用。而生物柴油是生物液体燃料的一种重要组成部分，是由植物油或动物脂肪等可再生脂质燃料中提取的一种长链脂肪酸 (FAME) 的单烷基酯混合物，通常包括烷基脂肪酸(链长为C14－C22) 的短链酯醇，主要是甲醇或是乙醇。生物柴油的较高热值 (HHVs) 相对较高，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、无毒、低排放量等特点。而且能量密度较高、储存运输较安全、润滑性较好、抗爆性较好、燃烧较充分等良好的使用性能和环境友好性、可再生性以及良好的可替代性［2］。生物柴油作为各国重点研究的生物液体燃料，在改善环境及能源问题上具有战略意义，本文从专利的角度对生物柴油领域进行分析，旨在从生物柴油领域专利申请趋势分析、专利申请地域分析、竞争力分析、研发热点分析、核心专利分析方面对生物柴油领域进行剖析。

1 数据来源及分析工具

本文从德温特创新索引 (Derwent Innovations Index，简称DII) ，按照关键词结合手工代码的检索方法检索到生物柴油相关专利申请3 376项，检索的结果截至日为2014年12月23日。由于发明专利申请自申请日起18个月的公布周期，实用新型专利申请在授权后才能获得公布，因此在实际数据采集过程当中会出现2011年以后的专利申请数量比实际申请量少的情况。反映到该论文中的历年申请量的趋势图中，一般自2011年之后出现较为明显的下降，为此本论文主要以2011年以前的数据为主，力求能够准确的反映出该领域专利申请的实际情况。本文采用Excel及CiteSpace作为主要的分析软件。

2 专利分析

2.1 全球专利趋势分析

运用时间序列分析方法，来研究生物柴油领域专利申请量随时间逐年变化的情况，从而分析该领域整体的技术发展态势。

图1显示了生物柴油领域全球的专利申请数量随时间的变化趋势。可以看出2003年之前基本没有有关生物柴油的专利申请，由于原料、设备和各国政策的影响，各国在生物柴油领域的发展水平有限。从2003－2008年，专利申请数量一路高涨，这与在2002年之后，美国、欧盟、巴西、日本等国家制定了一系列促进机制和激励政策鼓励生物柴油在内的生物质燃料的产业发展紧密相关，《2005年能源税收政策法案》授权美国环保署全面实施RFS(可再生能源标准) ，要求每个汽油及柴油生产商和进口商向运输燃料中添加可再生燃料;2002年欧盟制订了统一的生物柴油的标准EN14214，其推广生物柴油的目标是到2010年达到800～1 000万吨，占柴油市场5.75%。全球专利在2008年时专利申请数量达到最高，各国开始大力研究生物柴油，并明显取得了一些成效。随后专利申请数量虽有少量下降，但总体趋势来看，生物柴油领域的专利申请一直处于增长阶段。

图1 生物柴油领域全球专利申请量趋势变化

2.2 全球专利申请区域分布分析

如图2所示，在生物柴油领域的专利申请中，在中国申请的有1 442件，占该领域总申请数的43%，处于第一位;其次是美国，占有22%的份额。中国和美国的专利申请总量占到总申请量的65%，远远领先于其他国家，反映出这两个国家在该领域有明显的竞争优势。

我国自改革开放以来，国民经济的不断发展使得我国对能源的需求持续增加，我国政府以及一些企业对生物柴油越来越重视。2001年9月，由海南省和生物能源公司投资，在河北建立起我国第一家生物柴油工厂，标志着我国生物柴油产业的诞生。2002年8月，四川古杉油脂化学公司成功开发利用植物油下脚料在绵阳建立了生物柴油生产线。2003年，湖南天源生物清洁能源有限公司成立了生物柴油工业化生产的示范点。2004年，科技部开始启动“十五”国家科技攻关计划“生物燃料油技术开发”项目，之后实施的国家“863”计划启动生物能源技术开发与产业化项目，2005年我国生物柴油产业开始进入高峰期，各种科研项目快速增加，生产生物柴油的生产线也加速扩大，生产力迅速提升［3］，2006年《中华人民共和国可再生能源法》正式实施，随后国家税务总局明确指出，消费税征税不包含以动植物油为原料而生产的生物柴油，但是2008年此条例被终止，直至2009年，生物柴油免征消费税政策才又重新出台［3］。这一系列的科研立项和国家政策的扶持，使得我国生物柴油领域的发展突飞猛进，专利的申请量超过美国、日本等国家位居世界第一。

图2 生物柴油领域专利分布饼图

2.3 专利权人分析

按专利申请人的申请量进行统计和排序，以此来研究相关领域中活跃的申请人，他们是该领域的主要竞争者。

2.3.1 专利权人专利申请总量分析

对专利申请人的申请量进行排名，列出前15名主要的申请人。通过对申请人在该领域的申请量分析，可以看出在该领域的主要带头人，他们在生物柴油领域占有重要的地位。

图3 排名前15的专利申请人专利申请总量图

通过整体的分析，生物柴油领域的专利主要来自企业和大学，位居前几名的国家主要是中国、法国、美国、韩国，其中中国石化集团 (CHINA PETROLEUM＆CHEM CORP) 、清华大学、昆明理工大学、法国石油研究院 (INST FRANCAISDU PETROLE) 、美国埃克森美孚 (EXXONMOBIL RES＆ENG CO) 依次排名前5名。就中国而言，排名靠前的基本上都是高校及科研院所，只有中国石化一家企业在榜首，这意味着我国需要加大产学研的力度，将科研工作尽可能地和产业结合，共同促进生物柴油领域的进一步发展。

2.3.2 前7名专利申请人专利申请数量逐年趋势分析

从图中可以看出中国相比其他国家在生物柴油领域的起步较晚，中石化在2005年才拥有自己的专利，自此之后中国的专利申请量开始一路高涨，每一年的专利申请数量都领先于其他国家，在生物柴油领域中国占着很大的比重。中国作为申请量最多的国家，在生物柴油领域拥有的先进的技术，成为该领域主要的领军国家。

图4 生物柴油领域相关技术主要申请人年份/申请量分布图

2.3.3 专利申请人技术领域分析

对生物柴油领域的主要申请人的技术分布分析，可以直接关注本领域的主要的竞争对手的专利研发动向以及行业的热点。为了系统的研究生物柴油领域的技术研究热点，本文以IPC分类号分别对主要的申请人进行分析。

表1 专利申请人技术领域分析

中国石化集团主要的研究重点在C10G3/00、C10L1/02、C10L1/04等，中国石化和石家庄炼油化工股份有限公司合作开发了高压醇解工艺［4］，清华大学的研究重点同样放在C10G3/00上，还有C12P7/64，在生物柴油的制备方面重点关注淀粉酶、脂肪酶转化、脂肪酶相结合、固体碱制备、耦合技术制备、微藻油脂、煤基甲醇与棕榈油超临界法、酶法催化等制备方法，昆明理工大学重点关注超临界流体转化、酯交换、高酸值油脂制备、酯交换制备、生物发酵耦合等方法上制备生物柴油以及相关的制备装置。法国石油研究院的研究重点放在C07C67/03、C11C3/00、C11C3/00等，生物柴油用固体碱催化剂技术是由该研究院最早开发出来的，而且该生物柴油固体催化制备技术后来被Axens公司推向市场并商业化，还建成了Esterfip－H工艺装置，这是世界上第一套固体催化工艺的工业化装置。美国埃克森美孚的研究重点放在 C10G3/00、C10L1/02、C10L1/19等，较为关注用生物微藻来制备生物柴油，还和美国加州的合成基因公司合作，共同研发制备生物液体燃料。韩国能源研究所的研究放在C10L1/32、C10L1/08等，荷兰壳牌的重点则在C10G3/00、C10L1/00、C10G3/06等，同样重点放在运用生物海藻来制备生物柴油。

2.4 研发热点分析

研发热点是目前在生物柴油领域最为关注的要点领域，对各个研发机构的技术发展和创新有着重要的意义。

CiteSpace是一款可视化的文献分析软件，能够对文献信息进行聚类分析，发掘隐藏在文献背后的内在联系并以可视化方式表示出来，从而形成这些文献所代表的学科或知识域的发展趋势与动向，形成若干前沿研究领域的演进历程［5］。将生物柴油3 376项专利数据经处理后导入CitespaceⅢ中，对数据当中的德温特手工代码共现后进行聚类，并对各个聚类以Log－likelihood Ratio(对数似然比) 算法命名，如图5所示。图5中聚类的序号是由聚类的大小降序排列的，因此cluster#0最大，该聚类以BIODIESEL(生物柴油) 进行标记，共有200个聚类成员，主要包含了通过产生脂肪酸分支醇酯降低温度生产生物柴油、生产生物柴油过程添加新煅烧的催化剂、酯交换来制备生物柴油等生产生物柴油的制备方法。其次cluster#1是producing lipids(生产脂质) ，聚类成员主要包含生产脂质和酶、植物油的制备、生产藻类等有关于生物柴油原料的生产制备。cluster#2是reducingwater content(降低水分含量) ，该聚类的组成部分主要包括减少脂肪或废弃油脂含水量、基于非均相固体碱催化剂的新甘油、加氢处理等关于生物柴油制备的工艺。cluster#3是dewaxing catalyst(脱蜡催化剂) ，主要的聚类成员包含了将生物燃料异构化或是脱蜡、氧化增加液态烃的数量、合成生物柴油的固体酸催化剂等有关生物柴油制备的化学反应过程。

图5 德温特手工代码聚类图谱

以德温特手工代码为关键词，结合发明名称中的突现词绘制得到共有137个节点，480条连线的混合共现网络，如图6所示。图6的每个圆圈代表一个德温特手工代码，每个小方块代表一个突现词，圆圈节点的大小和它出现的频率成正比，圆圈越大表示出现的频率越高，节点的颜色代表该手工代码出现的时间，节点圆圈上彩色的年轮表示对应的时间范围 (图片上方的彩色条带示出了不同年份所对应的颜色) ，其中有紫色外圈的节点是转折点，节点年轮中出现红色表示该手工代码是明显的热点 (代表他们的出现频次存在激增情况，即出现频次曾经急速增加或仍在急速增加) 。

图6 德温特手工代码 (MC) 聚类共现图谱

从图谱中来看，最大的节点是H06－B04A，分类含义是Biodiesel，表示气体或液体燃料中的生物柴油，其次是D10 － B02，表 示 Chemical modification of fats，oils，fatty acids，即由动物或植物油制成的化学改性脂肪、油脂、脂肪酸，产品;再次是E10－G02E，表示Other aliphatic monoester，production，芳香族和脂肪族环 (仅单环或双环) 脂肪酸单酯产品，这几个手工代码表达了从不同分类角度对生物柴油产品给出的分类位置。

而手工代码H06－P节点为明显热点，将热点节点的激增趋势展开可以得到两个手工代码的激增情况趋势图7。其中手工代码H09－F03(Municipal and agricultural waste treatment，市政和农业废物处理) 的出现频次在2010年达到最高，H06－P(Fuel preparation，气体和液体燃料中的燃料制备，包括燃料的制造技术和装置) 的出现频次在2012年达到最高。(由于发明专利在公开之前有18个月的保密期，使得至检索截止日 (2014年) 通过专利检索系统获得的专利公开数据不能准确代表2013－2014年的专利申请情况。) 由此，我们可以认为，驱动生物柴油领域专利申请目的，已经从单纯地处理废弃油脂将其变废为宝，转变为向农作物索要燃料来进行化石燃料替代。

图7 H06－P的激增情况

图8是排名前20名的最强引文激增的情况，整个时间段从2000－2014年。根据激增的情况，我们将整个时间划分为4个段。2000－2004年为一个时间段，在这期间，德温特手工代码主要集中在E10－G02P(Production of ester) ，主要是相关于生物柴油制备的酯的产物，由此可见在这一时期生产酯是主要的研究方向;2004－2006年为一个时间段，主要集中的 MC代码是 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) ，这些都是有关生物柴油的制备过程中的化学反应、催化剂、酯交换、油脂等较为集中的相关技术，这一期间，从最开始原料的生产加工上升到对反应过程的定位转变;2006－2009年为一个时间段，主要集中在N07－D07(Esterification，O－acylation，anhydride formation) ，A12－W11K(Catalysts and supports(polymer use) ) ，是关于酯化和催化剂的手工分类代码;2009－至今为一个时间段，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) ，在这一期间，大多数的手工代码是关于液体燃料的准备、处理，细胞培养等，这与第三代生物柴油的制备吻合，以藻类为原料，从藻细胞生物质中可以提取3种主要成分:油脂 (包括三酰甘油酯和脂肪酸) 、碳水化合物及蛋白质。油脂和碳水化合物是制备藻类生物质能源 (如汽油、生物柴油及航空燃料) 的前提。

图8 排名前20名的最强引文激增的情况

2.5 专利引证分析

通过运用信息分析的方法对生物柴油领域的专利申请数据进行加工和处理，来判断该领域的核心技术或是基础专利，使得研究方向更加明确，以核心专利为基础，进行更深层次的发明或是改进。

专利的引证信息可以用来识别孤立的或是活跃的专利，当专利被大量的在后申请的专利引用，那么则表明这些专利是影响力较大的专利，是活跃专利，具有很高的价值，反映了专利技术的重要程度。

表3 专利引证频次排名

由表3看出，专利被引证频次最高的专利是US20050106695，是由BERZIN ISAAC在2005年申请的发明，该发明是一个集成的燃烧和聚合物或燃料的一部分级油 (例如生物柴油) 的生产方法和系统，其中该光生物反应器内使用光合生物体被用于至少部分地去除包含燃烧气体中某些污染物的化合物，如CO2和NOx，然后从光生物反应器收获、处理并利用作为用于生成聚合物或有机分子含有副产物的来源 (如生物柴油) 或用作燃料源的燃烧装置 (例如一个发电机或焚烧炉) 。该专利对于去除燃烧气体并将此转化成生物质燃料具有重大的意义。其次是专利号为US20060510148的专利申请，这是在2006年SUNSOURCE IND申请的，用于从藻类生产生物柴油的方法，装置和系统，该系统包括各种机制在内流动的流体，如辊式机构，并且可以提供温度调节用的流体条块来调节太阳辐射或传导放射的热损失和增益的吸收。各种机制可被用于收集和处理藻类或藻类油转化成生物柴油或是其他产品。排名第三的是EP20050014428，这是耐斯特石油公司在2005年申请的专利，该专利涉及一种用于从可再生来源的烃，如植物油和动物油，包括加氢处理步骤和异构化步骤的制造中的改进方法，是一种用于柴油范围烃的生物油和脂肪的制造方法，该方法生产高品质的柴油组分，其中稀释的新鲜进料在加氢处理步骤中，在具有降低的反应温度的组合减少了不需要的副反应，提高了反应的选择性，特别是当使用含有游离脂肪酸的原料。除此之外值得注意的是在前20名里，被引用的专利申请时间最近的是专利号为US201213400358的专利，这是美国 HERSKOWITZ MORDECHAY等申请人在2012年申请的从植物和动物油生产柴油燃料的专利。可见，如今的生物柴油的重点还是以植物或动物的油脂为原料进行的生产制备。

从表3中看出，大部分被引用频次排名前20名的大部分都是来自美国的专利，可见，从技术方面，美国占据着该领域重大的比例，拥有着先进的制备生物柴油的技术，在该领域未来发展前景中有着很大的影响。相比中国来说，申请的专利数量虽然最多，但是在相关的技术方面稍稍落后于美国、日本、巴西等国家。

3 结论

生物柴油是替代化石能源的环保、清洁的生物液体燃料之一，本文从生物柴油的整体发展趋势，全球的区域布局，专利权人分析，研发热点分析，核心专利分析这五大方面进行专利的分析，从分析可以看出来，生物柴油领域的专利申请量基本呈逐渐走高的趋势，这也意味着生物柴油领域有着很好的发展前景，各国都将生物柴油的研发看作重点。而且，各国在知识产权保护方面做的也很好，包括中国在内等国家知识产权的意识在逐步提升。在专利申请方面，中国遥遥领先于其他国家，但从技术的发展方面来看，中国虽然专利的申请量在世界范围内占着很大比重，可是主要的核心专利基本上都是美国，日本，法国，英国等国家的专利申请，这也说明中国的研发能力有待加强，但不得不说的是，中国的改进开发能力很强，能够借鉴他国技术，在本领域的研发上继续加强。从专利的申请人上来看，国内的中国石化集团、清华大学、昆明理工大学、北京化工大学的专利申请都居前位，可见中国在生物柴油领域有着很强的研发团队，而且绝大部分都是高等院校的研发力量，而国外比较靠前的专利申请人基本上都是各个归属国家的石油机构，比如法国石油研究院、韩国能源研究所、巴西国家石油公司、英国石油公司等，研发的技术力量基本上有国家强有力的政策和资源的支持，在研发方面有很强的后盾基础。中国同样需要强大的政策支持及资金的保障来促进我国在生物柴油领域的进一步发展。

近年来，第三代生物柴油的研发逐渐跟进，即以非油脂类生物质或微生物油脂为原料的生物柴油制备，但是我国通过生物质气制备生物柴油反面还处于初级阶段，专利申请数量方面并不是很多，在原料和技术方面还不是很完备。目前，大多数的国家生物柴油的制备工艺从检索到专利分析可见，还是集中在酯交换方法和生物酶法上，加氢法制备工艺作为最新的制备方法，因为原料适用性强，生产成本较低等优点，引起了各国的高度重视［8］。

［1］Ayhan Demirbas.Progress and recent trends in biodiesel fuels［J］.Energy Conversion and Management，2008.

［2］赵宗保，等.中国如何突破生物柴油产业的原料瓶颈［J］.中国生物工程杂志，2005，25(11) :6－11.

［3］闵恩泽，姚志龙.近年生物柴油产业的发展——特色，困境和对策［J］.化学进展，2007，19(7) :1050－1059.

［4］Chen C.Searching for intellectual turning points:Progressive knowledge domain visualization［J］.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2004，101(1) :5303－5310.

［5］陈玉光，丁 ，刘盛博.基于CiteSpaceⅡ的专利知识可视化的实现机制及其应用［J］.情报学报，2010，29(4) :663－670.

［6］史国强，李军，邢定峰.生物柴油生产工艺技术概述［J］.石油规划设计，2013，(5) :29－34.

［7］刘军锋.第三代生物柴油的开发研究［D］.北京:北京化工大学，2013.