木质纤维素生物炼制专利分析

杨礼通 李祯祺 于建荣

（1 中国科学院上海生命科学信息中心，上海 200031；2 中国科学院大学，北京 100049）

木质纤维素生物炼制专利分析

杨礼通1,2李祯祺1于建荣1

（1 中国科学院上海生命科学信息中心，上海 200031；2 中国科学院大学，北京 100049）

杨礼通，中国科学院大学，中国科学院上海生命科学信息中心在读硕士研究生。

E-mail:ltyang@sibs.ac.cn

随着社会的不断发展，资源短缺、能源危机和环境恶化逐渐成为人类面临的严重社会问题和经济问题，寻求可再生清洁生物质能源逐渐成为了各国可持续发展的动力之一。木质纤维素是自然界中丰富的生物质资源，估计全球年总产量高达1500亿吨，蕴储着巨大的生物质能（6.9×1015千卡），可为人类提供生物燃料、化学制品及聚合物等。传统的生物质转化技术的原料主要来源于粮食作物，这类原料价格昂贵，而且会面临粮食短缺的问题，而木质纤维素生物质原料主要来源于林业、农业和工业废弃物以及能源作物（如甘蔗、高粱、柳枝稷等）。木质纤维素具有价廉、丰富和可再生的优点，有巨大的发展潜力，对于解决当前世界的能源危机、粮食短缺和环境污染问题具有重要的意义，是当前生物质转化的研究热点，但尚未得到很好的利用和开发。随着木质纤维素生物炼制技术的进步，目前主要依赖化石燃料制造加工的工业生产模式可以得到改变，木质纤维素生物炼制对于解决未来的全球能源短缺以及社会需求与粮食短缺之间的矛盾将发挥重要的作用。

1 木质纤维素生物炼制概述

木质纤维素主要由碳水化合物的聚合物（纤维素和半纤维素）和芳香族聚合物（木质素）等难以分解的高分子化合物混合构成，通常纤维素占比38%～50%，半纤维素占比20%～35%，木质素占比15%～25%。生物炼制就是以生物质（农业废弃物、植物基淀粉和木质纤维素材料等）为基础，用预处理和酶水解等生物转化平台将其分别转化成各种糖类，再加工成各种化学品、燃料和生物基材料。木质纤维素生物炼制过程主要分为三个步骤：木质纤维素的预处理、水解以及发酵。木质纤维素的预处理是木质纤维素转化为乙醇或者其他产品的关键步骤，目的是把木质素纤维素连接的顽固性结晶结构破坏，提高纤维素的酶解效率，主要有物理法、化学法、物理化学法和生物法等。木质纤维素的水解包括酸解和酶解，酸水解的主要作用是促使原料部分化学键断裂，从而水解形成部分单糖，同时也可以抑制糠醛及衍生物、芳香化合物等发酵产物的产生，但是转化率较低；酶解主要利用纤维素酶将预处理完成的木质纤维素原料水解成可发酵糖，酶解转化率较高，但是技术成本也较高，经济上可行性低。木质纤维素的发酵是木质纤维素生物炼制的最后一步，目的是生产出纤维素乙醇或其他生物基产品，目前发酵工艺可以分为二段发酵法（separate hydrolysis and fermentation， SHF ）、同步糖发酵法（simultaneous saccharification and fermentation， SSF）、同步糖化共发酵法（simultaneous saccharification and cofermentation ，SSCF）、直接微生物转化法（consolidated bioprocessing，CBP）、固定化细胞发酵法。

2 木质纤维素生物炼制专利状况

2.1 总体发展态势

近些年来，随着各国对木质纤维素生物炼制技术的重视，该领域的专利数量不断增长。通过德温特专利索引数据库（Derwent Innovation Index，DII）检索2005～2014年收录的木质纤维素生物炼制专利，得到5006件相关专利（族）（检索时间为2015年8月8日，由于专利申请的审批周期和数据库录入滞后等原因，2013～2014年数据并未完全录入，仅供参考）。

图1 木质纤维素生物炼制专利的优先权年分布

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Mosier N, Wyman C, Dale B, et al. Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass. Bioresource Technology, 2005, 96(6):673-686.

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刘芸, 刘文卓, 沈小卓. 木质纤维素的生物转化综述. 广东化工, 2014, 41(10):107-109.

从木质纤维素生物炼制专利（族）数量的优先权年分布来看，自2005年以来，木质纤维素生物炼制的相关专利（族）数量增长迅速，2012年专利（族）数量最多，达到804件， 接近2005年专利（族）数量的6倍（图1）。自2005年开始，世界各地积极开展木质纤维素生物炼制技术的研发，各国出台相应的政策鼓励生物、能源和化工企业对木质纤维素生物炼制技术的开发，如美国的《生物质技术路线图》、欧洲的《21世纪可持续化学工业路线图》、加拿大的《基于生物的基础原料、燃料以及工业产品科技创新路线图》，这是2005年后木质纤维素技术专利产出迅速的重要原因之一。

图2 木质纤维素生物炼制专利的前十国家/地区/组织

图3 美国、中国与加拿大木质纤维素生物炼制专利的优先权年与分布

2.2 国家（地区）分布

从木质纤维素生物炼制相关专利的优先权国家（地区）分布来看，排名前五位的分别是美国（1807件，占全球的36%），中国（1758件，占全球的35%）、加拿大（813件，占全球的16%）、日本（578件，占全球的12%）、韩国（330件，占全球的7%）［由于一个专利对应一个或多个优先权国家（地区），所以会导致在优先权国家专利总数计算的过程中出现不可避免的冗余现象。此处全球专利数量指去掉专利重复计算次数的专利总和，故各国比例相加后会超过100%］。美国和中国申请的木质纤维素生物炼制相关专利数量远高于其他国家和地区（图2）。

2012年之前，美国在该领域的年度专利申请数量位居全球首位；2005年之后中国申请的专利增长迅速，2012年中国申请的生物炼制专利数量首次超过美国；加拿大申请专利数量的增长速度于2005年之后有比较明显的提升，其专利数量仅次于美国和中国（图3）。

该研究领域中，在美国申请的专利权人主要有诺维信公司 （205件）、杜邦公司 （68件）、Iogen 能源公司（53件），主要专利类别包括发酵工艺和设备、工业发酵-水解酶非固定酶、发酵剂；在中国申请的专利权人主要有东华大学 （55件）、中国石油化工集团公司 （39件）、江南大学（24件）、中国科学院过程工程研究所 （24件），主要专利类别涉及发酵工艺和设备、工业发酵-水解酶非固定酶、乙醇生产（表1）。

2.3 主要专利布局

从木质纤维素生物炼制技术专利领域包含的数量来看，排名前十的专利布局分别是发酵工艺和设备、工业发酵-水解酶非固定酶、发酵乙醇、发酵剂、乙醇生产、有机废物处理、其他酶方法、纤维素衍生物、糖化、城市和农业废弃物处理。从不同专利类别的申请数量来看，发酵工艺和设备、工业发酵-水解酶非固定酶、发酵乙醇、发酵剂和乙醇生产是目前木质纤维素生物炼制专利申请的主要技术领域（图4）。

表1 木质纤维素生物炼制专利申请数量排名前十国家（地区）及主要专利权人

图4 木质纤维素生物炼制专利的主要专利布局

通过前三个专利布局的优先权年分布，可以发现：2005～2008年，它们的专利（族）数量增长迅速；2008～2010年，专利（族）数量略有减少或出现小幅波动。发酵工艺和设备的专利申请数量增长最快，在2008年达到峰值，计266件专利（图5）。

诺维信公司在这三个专利布局申请的专利（族）数量均排名第一，特别是工业发酵-水解酶非固定酶技术领域共申请了150件专利，约为丹尼斯克公司专利（族）数量的4倍，在该领域的专利申请中占绝对主导地位。Codexis公司在这三个技术领域都有相应的专利申请，且专利（族）申请数量均排名前五。杜邦公司、Iogen能源公司、荷兰皇家帝斯曼公司和法国石油研究院在木质纤维素生物炼制的主要专利布局中各有侧重。值得一提的是，中国石油化工集团公司在发酵乙醇的专利申请方面排名第三位（表2）。

图5 木质纤维素生物炼制主要专利布局的优先权年分布

表2 木质纤维素生物炼制主要专利布局的专利权人分布

2.4 主要专利权人

按照木质纤维素生物炼制相关专利权人的申请数量（表3），排名前五的分别是诺维信公司、杜邦公司、帝斯曼公司、丹尼斯克公司、Iogen能源公司。排名第一的诺维信公司申请的专利数量达到259件，主要的申请国家（地区）是美国（205件）、加拿大（70件），近三年专利产出占比15%（本文中近三年专利产出占比指的是2012～2014年专利申请数量占2005～2014年专利申请数量的比例），与其他前十公司相比略低，说明其近三年专利申请的增长速度有所减缓。东华大学排名第六，在该领域申请了55件专利，其专利都是在国内申请，近三年专利产出较多。

表3 木质纤维素生物炼制专利的主要专利权人分布

近三年专利产出占比较高的公司主要有荷兰皇家壳牌公司（近三年专利产出占比53%）与荷兰皇家帝斯曼公司（近三年专利产出占比41%），两者都是荷兰的跨国公司。荷兰皇家帝斯曼公司申请的专利数量排名第三位，达到64件，主要申请国家（地区）是欧盟（47件）、美国（29件）、加拿大（21件）。荷兰皇家壳牌公司申请的专利数量排名第九位，达到43件，近三年专利产出占比最大，主要申请国家（地区）是美国（29件）、加拿大（21件）、欧盟（13件）。

2.4.1 诺维信公司

诺维信公司专注于酶制剂的开发，是目前全球最大的工业酶制剂生产商，占有全球48%的市场份额。2000年，诺维信公司开始研发用于生产纤维素乙醇的酶制剂，并于2009年推出第一款生产纤维素乙醇的酶制剂复合纤维素酶Cellic CTec。时隔一年，诺维信公司推出Cellic CTec 2，首次将纤维素酶成本降低到业界可以接受的情况，每加仑（1加仑约等于3.79升，下同）纤维素乙醇所需酶制剂的成本仅为50美分。2012年，Cellic CTec 3投放市场，使纤维素乙醇的生产成本进一步降低，并且Cellic CTec 3效果比Cellic CTec 2增强1.5倍，该产品可用于多种预处理的木质纤维素原料，如玉米秸秆、玉米芯、玉米纤维、麦草、甘蔗渣、木浆和城市固体废弃物等。2013年，意大利贝塔可再生能源公司和丹麦诺维信公司共同投资组建了世界首个商业规模的利用农田废物与能源作物生产生物乙醇的工厂，每年可以为欧洲市场提供7500升生物乙醇。2014年，诺维信公司与M＆G化学品公司合作在中国生产生物基塑料，前者将向后者在中国建立的世界上第一个生物质制乙二醇生物炼制厂提供生物酶技术。

诺维信公司专利的主要技术类别涵盖了D05-A02C（工业发酵-水解酶非固定酶）、D05-C（发酵剂）、D05-H16B（转基因植物）。2005～2014年，专利被引频次排名前五的分别是：WO2005074647-A2、US2007077630-A1、WO2007019442-A2、US2009151026-A1、WO2009073709-A1，这些专利主要涉及的是可用于增强分解纤维素的新型多肽产品，以提高木质纤维素的利用率（表4）。

2.4.2 杜邦公司

表4 诺维信公司在木质纤维素生物炼制领域的主要专利例举

表5 杜邦公司在木质纤维素生物炼制领域的主要专利例举

杜邦公司是位于美国的一家大型化学公司，经营范围主要涉及军工、农业、化工、煤炭、石油、食品等20余个行业。该公司近十年来逐步剥离石油资产，购买生物技术公司并组织农业综合企业。2008年，杜邦公司与丹尼斯克公司旗下的杰能科公司共同组建杜邦丹尼斯克纤维素乙醇有限责任公司。2011年，杜邦公司正式收购了丹尼斯克公司，并在一年后与费根（Fagen）公司签约，在美国爱荷华州和内华达州建设商业化纤维素乙醇生物炼制厂。2015年7月，杜邦公司与吉林省新天龙实业股份达成协议，拟建中国最大的纤维素乙醇生产设施项目。

杜邦公司在木质纤维素生物炼制领域申请了68件专利，专利数量位居世界第二。主要的技术类别包括E11-M（发酵工艺和设备）、D05-A02C（工业发酵-水解酶非固定酶）、D05-A04A （有机废物、城市垃圾或污泥发酵）。2005～2014年，专利被引频次排名前五的分别是WO2006110901-A2、WO2006110891-A2、WO2006110900-A2、WO2006110899-A2、US2008274525-A1，这些专利主要涉及生物质的预处理技术、纤维素乙醇的生产技术等（表5）。

2.4.3 荷兰皇家帝斯曼公司

荷兰皇家帝斯曼公司总部位于荷兰，是一家国际性的营养保健品、化工原料和医药集团，在欧洲、亚洲、南北美洲等设有200多个机构。该公司近年来致力于寻求可替代能源以及生物基材料等市场，在木质纤维素生物炼制领域的近三年专利产出比高达41%。2014年，荷兰皇家帝斯曼集团和美国POET公司的合资企业POETDSM先进生物燃料有限公司的第一家商业级纤维素乙醇工厂竣工投产，用于生产可再生燃料。该工厂在满负荷运转的情况下，每天可以处理770吨生物质，每年生产2000万加仑乙醇，后续产量预计提高到每年2500万加仑。

荷兰皇家帝斯曼公司申请的专利类别主要涉及D05-C（发酵剂）、E11-M （发酵工艺和设备）、D05-A02C （有机废物、城市垃圾或污泥发酵）。2005～2014年，专利被引频次排名前五的分别是：US2009064567-A1、WO2008052991-A2、WO2011000949-A1、WO2011098577-A1、WO2011098580-A1，这些专利主要涉及一些用于以木质纤维素为原料的菌类品种及相关的发酵技术（表6）。

2.4.4 丹尼斯克公司

表6 荷兰皇家帝斯曼公司在木质纤维素生物炼制领域的主要专利例举

表7 丹尼斯克公司在木质纤维素生物炼制领域的主要专利例举

表8 Iogen能源公司在木质纤维素生物炼制领域的主要专利例举

丹尼斯克公司是全球领先的食品添加剂生产商，旗下的杰能科公司世界上最大的工业用生物酶开发商和制造商之一，也是世界上最大的生物技术公司之一，主要产品有酶制剂、纤维素酶、葡萄糖氧化酶等。2008年，丹尼斯克公司和杜邦公司展开了相关业务的商业合作，共同开发开发生产纤维素乙醇。2011年，杜邦公司以63亿美元收购了丹尼斯克公司。

丹尼斯克公司申请的专利中有超过50%专利与杰能科公司共享。主要的技术类别有D05-A02C（工业发酵-水解酶非固定酶）、D05-H14 （重组细胞）、D05-H12E （载体）。2005～2014年，专利被引频次排名前五的分别是WO2005001036-A2、WO2006074005-A2、WO2005001065-A2、WO2010096673-A1、WO2011038019-A2，这些专利主要涉及水解酶、发酵液等（表7）。

2.4.5 Iogen能源公司

Iogen 能源公司位于加拿大的渥太华， 创建于20 世纪70 年代，是目前利用农业残留物和其他有机废物等生产纤维素生物燃料（称为第二代生物燃料，或第二代乙醇）的领先企业。该公司在该领域的研究时间超过35年，投资了约5亿美元用于相关技术研发，并于2004年建立了世界上第一家使用现代“酶水解”技术生产商业纤维素乙醇的工厂。在木质纤维素原料的预处理、合成酶、酶水解和乙醇发酵工艺上都具有核心技术。2010年，荷兰皇家壳牌公司加大了对于Iogen能源公司的投资，用于开发Iogen能源公司下一代的R8和R9技术，这两种技术可大大降低纤维素乙醇的投资和运转成本。2013年，诺维信公司斥资6750万加元收购Iogen能源公司的工业酶制剂业。

2005～2014年，Iogen能源公司在木质纤维素生物炼制领域申请了56件专利，近三年申请专利只占4%，在该领域的发展速度相对滞后。Iogen能源公司的专利类别主要有D05-A02C（工业发酵-水解酶非固定酶）、E11-M（发酵工艺和设备）。近十年，专利被引频次排名前五的分别是：WO2006007691-A1、WO2006063467-A1、WO2005099854-A1、WO2006128304-A1、WO2008025164-A1，这些专利主要涉及木质纤维素原料的预处理、酶解反应及分离技术（表8）。

3 小 结

自2005年以来，各国政府和相关企业积极开展木质纤维素生物炼制领域的研发，木质纤维素生物炼制的相关专利（族）数量在这十年中增长迅速。目前，木质纤维素生物炼制相关专利主要集中于发酵工艺和设备、工业发酵-水解酶非固定酶以及发酵乙醇等技术领域。美国在木质纤维素生物炼制领域占据主导地位，其专利权人主要是一些大型跨国公司，如诺维信公司、杜邦公司。中国在这十年中也积极开展木质纤维素生物炼制技术的研发，相关专利（族）数量也增长迅速，2012年申请的专利（族）数量首次超过美国，在国内申请专利的主要是高校与科研院所，中国石油化工集团申请了较多的专利，国内机构在该领域申请的专利主要聚焦于纤维素乙醇的生产。

在木质纤维素生物炼制相关领域专利的主要专利权人有诺维信公司、杜邦公司、帝斯曼公司、丹尼斯克公司和Iogen能源公司。目前诺维信公司在木质纤维素生物炼制领域发展迅速，申请了最多的专利，并占据主导地位，其专利主要集中于工业发酵-水解酶非固定酶；杜邦公司也逐步布局木质纤维素生物炼制领域，积极与该领域企业开展合作，专注于纤维素乙醇的生产；丹尼斯克旗下的杰能科公司是世界上最大的工业用生物酶开发商和制造商之一，主要产品有酶制剂、纤维素酶、葡萄糖氧化酶等，在该领域有较强的竞争优势；Iogen能源公司是第一家拥有生产纤维素乙醇的工厂，建立了比较完善的技术体系，其专利优先权年主要集中于2005～2010年间，最近三年专利申请较少；荷兰皇家帝斯曼公司和荷兰皇家壳牌公司加速布局木质纤维素生物炼制产业，在最近三年专利产出较多；国内的东华大学申请了较多的专利，其专利主要在国内申请。

综上所述，由于各国政府对于木质纤维素生物炼制的重视，该领域正处于快速发展阶段。诺维信公司虽占据全球研发的主导地位，但同时也面临着众多优秀企业不断涌现所带来的竞争压力。尽管中国在该领域发展迅速，但专利集中在本土申请，专利权人多为高校和科研院所，技术研发与转化相对较弱。国内研发机构应该借鉴国外成功经验，进一步发展国内木质纤维素生物炼制产业。

10.3969/j.issn.1674-0319.2015.05.006

木质纤维素是自然界中最丰富的可再生资源之一，蕴藏着巨大的生物质能。它不仅来源广泛，而且转化产品丰富。文章以汤森路透公司的Derwent Innovation Index数据库为数据源，利用Thomson Data Analyzer软件对过去十年木质纤维素生物炼制相关专利进行分析，对该领域的国际发展态势做简要阐述。