微藻生物质能源专利发展态势分析

李祯祺 苏 燕 王 玥 徐 萍

（中国科学院上海生命科学信息中心，上海 200031）

微藻生物质能源专利发展态势分析

李祯祺 苏 燕 王 玥 徐 萍

（中国科学院上海生命科学信息中心，上海 200031）

随着全球石油资源日渐匮乏和生态环境不断恶化，环境友好型的生物能源技术日益获得人们的青睐，而微藻由于生长速率快、储存能量高、适应范围广等特征，被公认为是最具发展潜力的第三代生物能源原料。以Thomson Innovation数据库中收录的微藻生物质能源专利为数据，利用Thomson Data Analyzer和Innography等工具对其发展态势进行了分析。

李祯祺，硕士，馆员，主要从事生命科学与生物技术领域的学科情报及战略情报研究工作。

E-mail:lizhenqi@sibs.ac.cn

近年来，随着全球人口的不断增长与世界经济的飞速发展，化石燃料的消耗正在日益加剧。由此带来的能源短缺和环境污染等问题正在凸显。由于微藻生物质能源不仅具有光能利用率高、生长速度快、生长环境要求低及储能物质含量高等优点1，而且其大规模培养与现有农业结构、农业生产不冲突，兼具废水废气的综合利用能力，被公认为是最具发展潜力的第三代生物能源原料。

微藻是一种介于微生物与高等植物细胞之间的单细胞生物，能够通过光合作用有效地利用太阳能，将水、CO2和无机盐转化为有机物2。且其固碳效率可以达到普通植物的10倍以上，从而解决CO2的点源排放问题3。此外，微藻在生长过程还需要大量的N/P等营养元素，可以应对废水中N/P富营养化等问题4。以微藻为原料的生物质能源技术是以微藻生物学为基础，利用生物学和工程学原理，研究微藻藻种选育、细胞培养及其装备、采收及水的循环利用与处理、藻细胞的深加工及其应用等的生物技术5。

DILLSCHNEIDER R, STEINWEG C, ROSELLO-SASTRE R, et al.Biofuels from microalgae: photoconversion efficiency during lipid accumulation.Bioresource Technology, 2013, 142(4): 647-654.

HU Q, SOMMERFELD M, JARVIS E, et al.Microalgal triacylglycerols as feedstocks for biofuel production: perspectives and advances.Plant J, 2008, 54(4): 621-639.

SINGH S K, SUNDARAM S, KISHOR K.Carbon-concentrating mechanism of microalgae, in photosynthetic microorganisms.Berlin: Springer, 2014: 63-81.

CHINNASAMY S, BHATNAGAR A, HUNT R W, et al.Microalgae cultivation in a wastewater dominated by carpet mill effluents for biofuel applications.Bioresource Technology, 2010, 101(9): 3097-3105.

杨晓秋, 吴寅嵩, 闫金定, 等.基于文献计量学的微藻生物技术发展趋势.生物工程学报, 2015, 31(10): 1415-1436.

BOLLMEIER W S, SPRAGUE S.Aquatic species program.Golden: Solar Energy Research Institute, 1989.

US Department of Energy.National algal biofuels technology roadmap, 2010.

1 专利发展概况

文中的专利数据以T h o m s o n Innovation（TI）数据库中收录的发明专利（以下简称“专利”）为数据源，以微藻通用名称的不同表述方式与目前已有的生物质能源类型作为主题检索依据，以TI数据库首次收录专利的公开年为年度划分依据，辅以Thomson Data Analyzer（TDA）和Innography等软件工具展开分析。数据检索日期为2016年4月15日，由于专利申请审批周期及专利数据库录入迟滞等原因，2014～2015年数据可能尚未完全收录，仅供参考。

图1 微藻生物质能源专利年度发展趋势

截至2015年，全球微藻生物质能源专利数量累计2931件，总体呈不断上升趋势（图1）。在各国对生物燃料技术关注与碳减排行动的推动下，尽管专利数量在1982～2005年间不断波动，但整体呈平稳上升趋势。2006～2008年，由于石油价格持续大幅上涨，面向微藻能源的产业化技术研发开始突飞猛进，微藻生物质能源专利数量迅速上升，于2014年达到峰值（543件）。以50件专利为阈值，可将微藻生物质能源技术的发展分为萌芽期（1982～2007年）和发展期（2008年至今）。

将相关专利导入Innography中进行聚类分析（图2），从2242件专利的题目与摘要的专业术语中形成264个具有层级关系的文本聚类，主要形成了藻类（ALGAE）、脂肪酸（FATTY ACID）、光生物反应器（PHOTO BIOREACTOR）、二氧化碳（CARBON DIOXIDE）、后续步骤（FOLLOWING STEPS）和低成本（LOW COST）6个与微藻生物质能源相关的一级文本聚类。

图 2 微藻生物质能源专利文本聚类分析

图3 微藻生物质能源专利前10 IPC分类⑦

2 技术发展态势

微藻生物质能源技术涵盖多个环节，是一个复杂的系统工程。其主要包括藻种选育技术、基因工程改造技术、大规模培养技术、生物质采收技术、油脂提取技术与产品制备技术等。

从微藻生物质能源专利前10 IPC分类（图3）可以发现，相关专利多分布在藻类（C12N-0001/12、C12R-0001/89）、基因工程改造（C12N-0001/13）、微生物学装置（C12M-0001/00、C12M-0001/04、C12M-0003/00）、燃料生产技术（C12P-0007/64、C11B-0001/10、C10G-0003/00）及燃料产品类型（C10L-0001/02）相对应的IPC分类号。这些技术分类覆盖了从原料到技术、再到产品的全技术链。

通过对不同技术类型的专利年度数量（图4）进行统计分析，微藻生物质能源技术在近年来发展迅速，尤其是研发阶段开始较早的藻种选育技术、发酵或酶法合成技术及微生物学装置。2008年前后，以萃取法生产技术、利用气体导入方法的微生物学装置、藻类培养装置及基因工程改造技术为代表的专利数量开始快速增长。

从已存在技术类型与新技术类型的年度趋势对比（图5）可以看出，在微藻生物质能源技术研发的萌芽期，除了2001年与2005年基本没有出现新技术类型外，每年均有新技术产生。在发展期的初始阶段（2008～2010年），新技术的产出比例达到45%以上。近五年，新技术产出比例占26%～40%。在近三年首次出现的技术类型中，既有涉及微藻油脂处理的化学或物理方法及其有关设备，也有利用好氧工艺进行废水、污水或污泥的处理技术。

图4 不同技术类型的专利年度发展趋势

图5 已 存在技术类型与新出现技术类型的年度趋势对比

3 全球竞争态势

除了世界知识产权组织与欧洲专利组织这两个区域性专利组织外，从优先权国家/地区/组织分布情况来看（图6），美国拥有1211件微藻生物质能源专利，为全球首位，占据技术研发的主导地位。中国在该领域研发能力仅次于美国，排在全球第2位，专利数量为663件；韩国为371件，位列第3名。法国、日本、澳大利亚、德国和印度等国家相继排在第4～8位，基本位于同一个数量级水平。

不仅各国的专利数量有所差异，而且重点发展的技术类型也各有侧重（图7）。美国主要对原料、生物学装置与生产技术展开研究，并对微藻的基因工程改造进行技术布局；中国与韩国的研发重点类似，主要集中在原料利用方面，相关专利数量占比约为50%；法国与日本在微藻原料方面的技术研发布局均超过了60%；澳大利亚和德国对萃取法与气体导入法等技术具有颇深的积淀，后者在生物学装置方面重点展开布局。

从不同国家/组织的专利年度发展趋势能够发现，各国都在积极推动微藻生物质能源技术的发展（图8）。美国能源部始于1976年的“水生生物物种计划”6为该领域技术发展带来积极影响，尤其是产油微藻的大规模生产技术开始获得关注。该研究领域最早的专利出现在1982年。随着时间的推移，韩国、日本、英国、法国与澳大利亚等国家相继将微藻能源技术列入重大研究计划，进一步推动相关专利的发展，并在全球碳减排一致行动的助力下掀起了该领域的研究热潮。

图6 微藻 生物质能源专利优先权国家/地区/组织分布情况

图7 不同国家/组织的重点研发技术类型占比情况

自美国于2007年针对微藻能源推出“微型曼哈顿计划”后，美国总统候选人奥巴马在2008年竞选中对推广生物燃料做出进一步承诺，并于2010年发布美国《国家藻类生物燃料技术路线图》7，这些行动直接促进了美国相关专利数量的指数型增长。我国在该领域研究的支持方面起步也较早。在“十五”期间，我国科学技术部就启动了与微藻能源相关的重点项目，并予以持续性的大力资助，在《能源发展战略行动计划（2014～2020年）》中重点部署，这些政策扶持与国家资助推动了我国微藻生物质能源专利的迅速增长。

从近三年的微藻专利研发数量占总体比例可以发现，中国（63%）与韩国（70%）的研发势头迅猛，日本（55%）、法国（50%）和澳大利亚（49%）维持良好的发展态势，美国（39%）在较高基数的前提下仍以较快的研发速度稳步增长，德国（18%）增速渐缓。

4 机构竞争态势

以微藻生物质能源专利权人所拥有的专利数量进行排名，美国太阳酵素公司（Solazyme）拥有280件专利，以远超其他机构的专利数量排名第1位；美国蓝宝石能源公司（Sapphire Energy）以65件的专利数量位列第2名；美国马泰克生物科学公司（Martek Biosciences，该公司于2011年被荷兰皇家帝斯曼集团收购）与韩国生物科学与生物技术研究所（51件）并列第3名；我国清华大学（44件）与新奥科技发展有限公司（39件）分别排在第6位与第8位（图9）。从该领域的主要专利权人可以看出，美国机构拥有坚实的技术基础和绝对的话语权，技术开发以企业为主，兼具高校与科研院所的成果转移转化；韩国机构的研发力量也不容小觑，以科研院所为主要研发力量；而中国机构已取得一些成果，具备较大的发展潜力，正在进行“产学研”研发管线的优化配置与合理布局。

图8 不同国家/组织的专利年度发展趋势

图9 微藻生物质能 源主要专利权人

从近三年微藻生物质能源专利的主要专利权人的专利数量（表1）来看，美国Solazyme公司仍位列第1，韩国生物科学与生物技术研究所、韩国能源研究所、美国Sapphire Energy公司与韩国仁荷大学产业伙伴研究院这4家机构在近三年同样位居前10。以印度科学与产业研究理事会、中国石油化工集团公司和南非科学与产业研究理事会为代表的亚非机构，以美国Microvi生物技术公司为代表的美洲机构，以芬兰耐思特石油（Neste Oil）公司为代表的欧洲机构在近三年研发的专利成果颇为显著。其中，美国Microvi生物技术公司与中国石油化工集团公司是近三年首次出现的研发机构，属于该领域的新兴优秀企业。

4.1 美国Solazyme公司

美国Solazyme公司自2003年成立以来，专注于微藻衍生品（如生物柴油、化学原料）的生产，目前已经成为藻类燃料产业的领导厂商，并与巴斯夫（BASF）、联合利华等公司展开深度合作。该公司拥有众多微藻生物质能源专利，其开发的一种从微藻发酵中提取专用原料油的工艺被授予2014年美国总统绿色化学挑战奖中的绿色合成路线奖。

排名 主要专利权人 专利数量/件1美国Solazyme公司 135 2韩国生物科学与生物技术研究所 36 3韩国能源研究所 29 4印度科学与产业研究理事会 28 5美国Microvi生物技术公司 27 6美国蓝宝石能源公司 25 7韩国仁荷大学产业伙伴研究院 23 8中国石油化工集团公司 20 8南非科学与产业研究理事会 20 10 芬兰Neste Oil公司 18

美国Solazyme公司的主要专利布局在美国本土，并向全球化发展。2007～2015年，该公司以Franklin、Scott和Somanchi为核心的专家团队进行了280件微藻生物质能源专利研发，近三年研发专利数量占总数量比例达48%，并在藻类选育、发酵合成技术与基因工程改造方面具备技术优势。

4.2 美国Sapphire Energy公司

美国Sapphire Energy公司创立于2007年，致力于以藻类生产环境友好的可再生能源，并与美国能源部、美国农业部建立了良好的关系。该公司不仅建立了面积高达2200英亩（1英亩约合4046.8平方米）的世界首个“绿色原油农场”，而且已经将从微藻中提炼出来的航空煤油在中国航空公司和日本航空公司的两条航线上进行了试用，其生产的汽油与柴油也成功通过了汽车测试。

美国Sapphire Energy公司的专利主要在美国本土布局，兼顾全球化发展模式。该公司于2008～2015年研发了65件微藻生物质能源专利，近三年研发专利数量约占总数量的38%，并在酶或微生物的测定或检验方法、微生物的基因工程改造技术方面具备优势。

4.3 清华大学

清华大学是我国较早进入微藻生物质能源专利研发的科研机构之一，在微藻生物学及敞开式培养等方面展开系列研究。清华大学在该领域研发专利的申请主要集中在本土，在世界知识产权组织申请的专利相对较少。2003～2015年，该机构研发微藻生物质能源专利44件，近三年研发专利数量占总数量的41%，在发酵合成技术、油脂制备技术等方面开展了较多研究。

4.4 新奥科技发展有限公司

新奥科技发展有限公司致力于利用微藻固定CO2并生产生物能源的可持续发展途径，拥有国家级微藻生物能源产业化示范项目，并获得“863”计划的专项支持。

新奥科技发展有限公司的研发专利全部在本土申请。2009～ 2015年，该公司开展了39件微藻生物质能源专利的研发工作，近三年研发专利数量占总比例达33%，技术布局主要集中在以微藻为原料的发酵合成方面。

［致谢：本项目得到国家高技术研究发展计划（“863”计划）项目（2014AA021503）的支持。］

10.3969/j.issn.1674-0319.2016.03.008