微藻开发应用的专利分析

1、微藻开发应用的专利分析微藻开发应用的专利分析江洪波毛开云陈大明(中国科学院上海生命科学信息中心,上海200031)doi:103969/jissn16740319201106008微藻(Microalgae)是一类在陆地,海洋分布广泛,营养丰富且光合利用度高的微型自养植物,具有分布广且不占用耕地,生物量大,光合效率高,环境适应能力强,细胞结构简单且生长周期短,油脂含量高和环境友好等突出特点,因而在生物柴油的开发中得到重视.此外,微藻通过细胞代谢产生的藻多糖,蛋白质,色素,氨基酸等,为丰富的人体必需营养活性成分,可以作为功能保健品和某些疾病的专方或辅助药物,因而在食品,药品,化妆品等领域得到广泛

2、应用.本文以专利分析为基础,对微藻开发应用的态势进行分析,尤其是对微藻柴油的专利发展态势进行深入研究.1全球微藻开发的总体态势在过去的几十年间,世界各国的科学家对微藻的种群分类,营养代谢进行了大量的研究,预计全球约存在5000种微藻,在工业生产,环境保护,食品营养等方面均有应用.从常见的作者简介江洪波,博士,副研究馆员.主要从事科技查新咨询,专利战略和行业情报研究.1l:02I-54922971Email:hbjiangsibs.ac.ca参考文献MataTM,MartinsAACaetanoNSMicroalgaeforbiodieselproductionandotherapplicati

3、ons:areviewRenewSustainEnergyRev,14r2010).PP217232www.biobusiness.COJ2011.06(11月).49微藻的专利分布来看,20世纪后期以来,全球微藻的研究不断增多(图1)(由于专利公开及录入滞后等原因,近几年,尤其是近两年专利数据仅供参考,下同).从专利产出地区的数量分布来看,中国,日本和美国是微藻研究主要的三个国家(地区).21世纪以来,中国在微藻专利数量方面的增长贡献明显,而除中国,美国和日本外的世界其他地区,在微藻专利方面的申请也增长较快.与之相比,美国和日本的微藻专利产出保持在相对稳定的状态.从微藻专利的专利权人方面来看

4、,竞争力较强的主要是食品企业和化工巨头.例如,美国婴儿食品原料制造商马泰克生物科学公司,在专利前景方面占据领先优势;马亚西亚长青企业国际集团(CNI国际集团)下属的升康力公司则拥有堪称全球最大型的SunChlorella生物养殖场,因而在专利的综合竞争力排名中也居于前列:德国的化工巨头巴斯夫则除了拥有一定量优势的专利外,在企业的综合资源条件上与其他专利权人相比处于领先地位;美国的杜邦公司一直非50磐I2011.06(11月).WWW-cn常重视可再生能源和资源方面的技术投入,在微藻研究中亦处于领先地位(图2).2微藻柴油的专利分析2.1微藻柴油专利的总体发展态势2l世纪以来,在社会各界对可再生

5、能源的关注度不断提高的背景下,微藻在生物柴油领域的开发应用也日渐成为热点.与传统的生物柴油原料油料经济作物(大豆,油菜,向日葵),粮食(玉米),农林废弃物(木质素,纤维素和半纤维素),动植物油脂相比,微藻柴油的开发存在诸多优势.微藻能直接利用阳光,二氧化碳,以及氮,磷等简单营养物质快速生长并在胞内合成大量油脂(主要是甘油三酯),为生物柴油生产提供油脂资源.部分微藻可以在高盐,高碱环境的水体中生长,因此可充分利用滩涂,盐碱地,沙漠进行大规模培养,也可利用海水,盐碱水,工业废水等非农用水进行培养,还可以利用工业废气中的碳源.微藻含油量高,特别是一些微藻在异养或营养限制条件下脂肪含量可高达307O%

6、,按藻细胞含30油脂(干重)计算,每平方公顷土地的年油脂产量是玉米的341倍,大豆的132倍,油菜籽的49倍(表1).l竺兰!l兰兰竺!兰.淡水中的微藻Botryococcussp.25.075.0Chaetocerosmuelleri33621.8Chaetoceroscalcitmns14.616.4/39817.6Chlorellaemersonii25.063.010.350.0Chlorellaprotothecoides14.657.81214Chlorellasorokiniana19.022.0447Chlorellavulgaris5.058.011.240.0Chlorel

7、lasp.10.O48.042.1Chlorellapyrenoidosa20CMorellasp.18057.018-7Chlorococcumsp.19.353.7Ellipsoidionsp,27447.3Haematococcuspluvialis25.0Scenedesmusobliquus11.055.0Scenedesmusquadnauda1.918.435.1Scenedesmussp.19.621.140.853.9Dunaliellasalina6.025.0116.0Dunaliellaprimolecta23.1Dunaliellatertiolecta16.771.

8、0Dunaliellasp.17.567.033.5Isochrysisgalbana7.040.0lsochrysissp.7.13337.8NannocMorissp.20.056.060_g76.5Nannochloropsisoculata22.729_784.0142.0Nannochloropsissp12.O53.060.976.5Neochlorisoleoabundans29.O65.090.0134.0Pavlovasalina30.949.4Pavlovaluthe35.540.2Phaeodactylumtricornutum18.057.044.8Spirulinap

9、latensis4.016.6因此,21世纪以来,尤其是2005年以来,微藻柴油的专利呈现快速增长的态势(图3).尽管其数量在微藻相关专利中的比例仍然较少,但微藻柴油的研发已经成为微藻开发和生物能源研发的焦点.2.2微藻柴油专利的地区分布从专利量上看,美国处于全球微藻柴油开发的领先地位(图4).事实上,早在1978年,美国能源部通过国家可再生能源实验室启动的一项利用微藻生产生物柴油的水生生物种计划(U.S.DepartmentofEnergysAquaticSpeciesProgram:BiodieselfromAlgae),耗资近5亿美元,研究人员经过十多年的努力,开展了从微藻生物资源普查,

10、到藻种选育,再到微藻规模培养等一系列卓有成效的探索工作.尽管这一计划在20世纪后期没有得以延续,但为美国生物柴油的开发奠定了研究基础.近年来,随着油价的上涨和技术的进步,微藻柴油又重新进入研究机构和企业的研发视角,相应的研究和专利申请均不断增多.中国在十一五期间,国家加大了对可再生能源研究的资助力度,微藻柴油作为重要研究内容之一,研究成果产出较之前有了明显的提升.日本在20世纪90年代,便由国际f2011.06(11月).f箬5I贸易和工业部资助了一项名为地球研究更新技术计划的项目,耗资近3亿美元,分离出10000多种微藻,筛选出多株耐受高CO浓度,高温,生长速度快,能形成高细胞密度的藻种,建

11、立起了光合生物反应器的技术平台以及微藻生物质能源开发的技术方案,为微藻生物能源技术的发展奠定了很好的基础.在此基础上,筑波大学,电力中央研究所,大阪大学等在21世纪均对微藻柴油进行了大量的研究,其研究成果也在专利数量上得以体现.2.3微藻柴油专利的专利权人分布从专利权人方面看,美国的企业处于领先地位,Solazyme公司,雪佛龙公司(ChevronCorporation),马泰克生物科学有限公司(MartekBiosciencescorp),Petroalgae公司,极光生物燃料公司(AuroraBiofuels,Inc)的综合排名均处于全球前十(图5).其中,Solazyme公司是世界上第一

12、家利用微生物开发出喷气燃料的公司,该公司于2008年7月9日生产出第一批海藻基可再生生物柴油,并已通过美国材料试验协会(ASTM)D一975规格的认证.美国第二大石油公司雪佛龙(Chevron)公司则联合美国能源部可再生能源实验室,Solazyme公司等合作开发微藻柴油技术.52前景(%专利数+%分类+%引用)国UnassignedSolazymeIncChevronCorporation0UnivTsinghua0InhaIndPartnership1nn0MartekBiosciencesCorpOCognisFrance0UnivAImeriaPetroalgaeLIc.FloridaA

13、uroraBiofuelsInc0SyngentaAgoUnivBenGurionSolixBiofuelsIncUniversityofCalifornia癌MikrobiologickyUstafAvcrBioArchitectureLabIncBiotronLimitedLivefuelsInc0+AddavilaLtd0AlgentechLimited表示重名.Unassigned一未知专利权人;Solazymelnc.一Solazyme公司(美国);ChevronCorporation一雪佛龙公司(美国);TsinghuaUniversity一清华大学(中国);lnhalndPart

14、hershiplnst.一lnhalndParthership研究所(韩国);MartekBiosciencesCorp一马泰克生物科学有限公司(美国);CognisFrance一法国科尼公司;UnivAlmeria一阿尔梅里亚大学(西班牙):Petroalgae,LLC,FloridaPetroalgae公司(佛罗里达);AuroraBiofuels,lnc一极光生物燃料公司(美国);SyngentaAg一先正达集团(瑞士);UnivBenGurion一本一古里安大学(以色列);SolixBiofuels,Ine索里克斯生物燃料公司(美国)tUniversityofCalifornia一)3

15、13011大学(美国):MikrobiologickyUstavAvcr一捷克科学院微生物研究所:BioArchitectureLab,lnc一生物结构实验室公司(美国);BiotronLimited-Biotron公司(韩国);LivefuelslncLivefuels公司(美国):AddavitaLtdAddavita有限公司(英国);AlgentechLimitedAlgentech有限公司(英国)堂声I2011.06(11月).1ww,V.biobusiness-corn?ca一一一皋+凶尜+<./o一照尽管由于专利数量不多,公司总体规模较小,美国OriginOil公金藻(Iso

16、chrysis):褐藻门.拟球藻(Nannochloropsis);甲藻J微藻开发应用的专利分析黄藻门.单肠藻(Monallanthus).其中,小球藻生物柴油一直是国内司专利权人在竞争力分析图中未得门.隐甲藻(Crypthecodinium);外研究的热点(图6).到体现,但该公司的几项专利技术都极具价值.该公司的微藻培养系统由孵化,生长,收集和提取等系统构成,其中Helix生物反应器技术(HelixBioReactor)和量子压裂技术(QuantumFracturing)是该公司的藻油生产核心技术.Helix生物反应器技术集成了便携式组合光照生物反应器的藻类培养方法和流体系统,允许将横向和

17、竖向的Helix生物反应器堆栈_0riginOil被授予专利的系统技术放入到集成的全自动,可携式和远程控制生长单元的网络里,得以监控和调整最佳生长条件.微生物的溶解和提取过程专利则利用量子压裂技术,用超声波将微藻细胞破碎,从而实现了低能耗的微藻油转化.2.4微藻柴油专利技术的分析专利分析表明,目前应用于生物柴油制备的主要藻类有:绿藻门.小球藻(a),衣藻(Ctdamydomonas),杜氏藻(Dunaliella),栅列藻(Scenedesmus),葡萄藻(Boyococcus),扁藻(Tetraselmis),微绿球藻(Nannochloris),新绿球藻(Neochloris);硅藻门.褐

18、指藻(Phaeodactylum),菱形藻(Nitzschia),筒柱藻(Cylindrotheca);金藻门.等鞭目【;j开岛曩臌&疆穗癌口置皇害重沥B弓丽疆即l甄前景(%专利数+%分类+%引用)0UnassignedInhaIndPartnershiplastCognisFrBn0UnivAlmeria0MartkBiosciencesCorpOPetroalgae.LIc.Flodde0UnivBenGurion0SolixBiofuelsIncMikrobiologickyUstavAvcrBiolmnLimild0.AddavitaLtd0SyngentaAgAlgentec

19、hLimitedMicroalgaeS.pa0UnivArizonaFoundation0GeneralAtomisCaliforniaBloFuelSystemsS.IKoInslitlaOfScience0AuroraBiofools.Inc0USCommerce表示重名.Unassigned一未知专利权人;InhaIndParthershipInst.1nhaIndParthership研究所(韩国);Cognisfrance一法国科尼公司:UnivAlmeria一阿尔梅里亚大学(西班牙);MartekBiosciencescorp一马泰克生物科学有限公司(美国);Petroalgae,LIe,florida.Petroalgae公司(佛罗里达);UnivBenGurion:本-古里安大学(以色列);solixbiofuels,inc.索里克斯生物燃料公司(美国);MikrobiologickyUstavAvcr一捷克科学院微生物研究所;BiotronLimited.Biotron公司(韩国):AddavitaltdAddavita有限公司;SyngentaAg.先正达集团(瑞士);AlgentechLimitedAlgentech有限公司(英国);MicroalgaS.p.a.(意大利);UnivArizonaFotmd