生物能源的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

生物能源的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

隨著石油資源的日益匱乏和環(huán)境的惡化，生物能源的開發(fā)引起了全球各國的廣泛關注。生物能源包括燃料乙醇(玉米乙醇和纖維素乙醇)、生物柴油、生物制氫、生物發(fā)電、沼氣等,但目前全球范圍內(nèi)發(fā)展規(guī)模最大、最受關注的產(chǎn)品是纖維素乙醇和生物柴油等為代表的第二代生物能源。第二代生物能源的原料包括非糧作物,如秸稈、枯草、甘蔗渣、稻殼、木屑等廢棄物,以及主要用來生產(chǎn)生物柴油的動物脂肪、藻類等,但從產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)模、成本以及“不與糧爭地、不與人爭食”的原則來看,木質(zhì)纖維素是最具前景的大規(guī)模原料,而通過酶解將木質(zhì)纖維素原料中的纖維素和半纖維素轉(zhuǎn)變?yōu)榭砂l(fā)酵單糖的技術,己經(jīng)成為制約纖維素乙醇等第二代生物能源商業(yè)化的最大瓶頸之一。本文以此為重點,就生物燃料用酶專利的發(fā)展現(xiàn)狀和態(tài)勢展開分析。1總趨勢分析與木材纖維處理的一般趨勢1.1纖維素的處理和應用木質(zhì)纖維素的主要成分包含纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等三種大分子物質(zhì)及少量的礦物質(zhì),其中,纖維素約占40%～50%,半纖維素約占10%～30%,木質(zhì)素約占20%～30%。因此,纖維素的處理和應用也就成為生物燃料研發(fā)的重點。表現(xiàn)在專利上,截至2012年2月6日,德溫特創(chuàng)新索引數(shù)據(jù)庫(DII)中收錄的纖維素處理用酶專利(族)達4473項,而半纖維素和木質(zhì)素處理用酶專利量相差不大,分別為627項和650項。從具體的專利年度分布態(tài)勢值(圖1,由于專利公開及數(shù)據(jù)庫錄入的時滯,近兩年專利量僅供參考,下同)來看,盡管2006年以來半纖維素和木質(zhì)素處理用酶專利量也呈現(xiàn)出明顯增長的態(tài)勢,但與纖維素處理用酶專利的增長幅度相比仍有較大的差距。1.2拿大在篩選專利族的量從專利申請的優(yōu)先權國家(地區(qū))的專利(族)數(shù)量(圖2)來看,美國、中國和加拿大在近幾年申請的專利(族)量處于領先地位,這三國都是國土面積排名前四、且科技綜合實力在全球處于前列的國家。日本和德國的技術實力雄厚,政府對于生物能源的支持力度很大,在全球木質(zhì)纖維素處理用酶專利優(yōu)先權國家(地區(qū))排名中處于前列。1.3索維信公司和杰能科公司的技術開發(fā)比較從全球木質(zhì)纖維素處理用酶專利的優(yōu)先權人分布(圖3)來看,諾維信公司(Novozymes)、丹尼斯克(Danisco)公司(目前已被杜邦收購)及被其收購的杰能科公司(Genencor)處在全球領先地位,這也是目前全球最主要的兩家具備纖維素工業(yè)化水解酶生產(chǎn)實力的企業(yè)。諾維信公司是全球工業(yè)酶制劑和微生物制劑的主導企業(yè),擁有超過40%的世界市場份額;而杰能科公司則是全球第二大生物技術和酶制劑公司,其專利主要在生物酶制劑的生產(chǎn)和應用方面。從專利(族)的數(shù)量和質(zhì)量上看,其他專利權人與之相比的差距明顯。從諾維信公司和杜邦(丹尼斯克)的技術實力來看,丹尼斯克在收購杰能科公司后,兩公司的專利數(shù)量相加已經(jīng)可與諾維信匹敵。再加上杜邦的研發(fā)基礎,兩強格局已經(jīng)初步確立。2諾維信酶技術的專利技術分布諾維信是全球最大的酶制劑供應商,于2000年開始研發(fā)用于生產(chǎn)纖維素乙醇的酶制劑產(chǎn)品,其2010年研發(fā)經(jīng)費約占銷售額的14%,并曾兩次獲得美國能源部2930萬美元總額的資助。2010年2月,諾維信推出實現(xiàn)纖維素乙醇商業(yè)化量產(chǎn)的酶制劑產(chǎn)品諾纖力賽力二代(CellicCTec2),使得每生產(chǎn)1加侖纖維素乙醇所需酶的成本僅為50美分,從而將纖維素乙醇的生產(chǎn)成本降至2美元/加侖,使纖維素乙醇成為極具競爭力的汽油替代品。作為一家總部位于丹麥的公司,諾維信申請木質(zhì)纖維素處理用酶方面的專利共1000多個專利族(約6000多項專利),申請國家(地區(qū))覆蓋丹麥、法國、英國、美國、日本、韓國、中國、馬來西亞、印度和巴西。在木質(zhì)纖維素處理用酶方面,諾維信的專利申請布局可圈可點(圖4):2001年,諾維信公司從丹麥著名的制藥公司諾和諾德公司分離出來,在看準了美國生物燃料發(fā)展的市場前景之后,其專利申請的優(yōu)先權國家(地區(qū))重心由丹麥轉(zhuǎn)向美國,而其生物燃料酶制劑在全公司銷售收入比重也在短短幾年內(nèi)迅速增加至15%以上。出于對前景的樂觀態(tài)度,諾維信近年來的研發(fā)布局和市場在全球進一步拓展,而其在歐洲、加拿大、中國的專利申請量也快速增長。在這一發(fā)展歷程中,諾維信已經(jīng)建立了一支較為穩(wěn)定的研發(fā)團隊:本世紀以來的專利發(fā)明中,很大一部分發(fā)明人為之前已經(jīng)參與專利發(fā)明的發(fā)明人(原發(fā)明人),新發(fā)明人的數(shù)量總體上保持在20%～40%水平(圖5)。從專利技術覆蓋的領域來看(圖6),諾維信酶技術專利體系覆蓋從原料預處理到酶發(fā)酵的過程,可粗略地分為兩類:第一類是將玉米和小麥轉(zhuǎn)化成燃料乙醇(第一代燃料乙醇)生產(chǎn)用的酶制劑;第二類是針對纖維素轉(zhuǎn)化為葡萄糖的過程所開發(fā)的纖維素燃料乙醇(第二代燃料乙醇)生產(chǎn)用的酶制劑?？傮w上看,用于第二代燃料乙醇的纖維素水解酶,成為諾維信公司在這一領域的發(fā)展重點,基于這些專利技術的酶制劑用于處理包括農(nóng)業(yè)廢棄物(如農(nóng)作物的秸稈、葉和殼)、林業(yè)廢棄物(如木材加工廠產(chǎn)生的木屑和鋸屑、枯木和樹枝)、能源作物(包括柳枝稷在內(nèi)的速生草木)、固體生活垃圾(如家庭生活垃圾與廢紙)以及食品加工與其他工業(yè)產(chǎn)生的副產(chǎn)品等在內(nèi)的纖維素原料。3杰能科和斯德哥爾摩克的并購杰能科公司成立于1982年,并于1985年開展纖維素酶研究,目前已在歐洲、美國和中國建立了多個研究基地。在杜邦并購丹尼斯克后,杰能科作為丹尼斯克的制劑部門也并入杜邦,使杜邦集成了杰能科和丹尼斯克在生物燃料用酶研發(fā)方面的實力,使其進一步鞏固纖維素乙醇技術的全球領先企業(yè)地位。不過,在丹尼斯克和杜邦的一系列并購過程中,由于重組等原因,杰能科公司作為專利權人的專利申請數(shù)量出現(xiàn)了明顯下滑(圖7)。從近年來申請的專利的發(fā)明人(圖8)可以看出,與諾維信相比,以杰能科公司作為專利權人的專利發(fā)明人均為原先的發(fā)明人,也說明在重組過程中的變化。4生物燃料和木質(zhì)素酶的應用與諾維信和杰能科相比,我國的生物燃料用酶專利仍主要局限于淀粉酶等局部領域,在可供工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的木質(zhì)纖維素水解酶技術領域還很薄弱。目前的生物燃料用酶仍然主要局限于實驗室研究,在纖維素酶領域形成專利相對較多的專利權人有中國科學