生物能源的发展现状与展望

生物能源的发展现状与展望

随着石油资源的日益匮乏和环境的恶化，生物能源的开发引起了全球各国的广泛关注。生物能源包括燃料乙醇(玉米乙醇和纤维素乙醇)、生物柴油、生物制氢、生物发电、沼气等,但目前全球范围内发展规模最大、最受关注的产品是纤维素乙醇和生物柴油等为代表的第二代生物能源。第二代生物能源的原料包括非粮作物,如秸秆、枯草、甘蔗渣、稻壳、木屑等废弃物,以及主要用来生产生物柴油的动物脂肪、藻类等,但从产业发展的规模、成本以及“不与粮争地、不与人争食”的原则来看,木质纤维素是最具前景的大规模原料,而通过酶解将木质纤维素原料中的纤维素和半纤维素转变为可发酵单糖的技术,己经成为制约纤维素乙醇等第二代生物能源商业化的最大瓶颈之一。本文以此为重点,就生物燃料用酶专利的发展现状和态势展开分析。1总趋势分析与木材纤维处理的一般趋势1.1纤维素的处理和应用木质纤维素的主要成分包含纤维素、半纤维素和木质素等三种大分子物质及少量的矿物质,其中,纤维素约占40%～50%,半纤维素约占10%～30%,木质素约占20%～30%。因此,纤维素的处理和应用也就成为生物燃料研发的重点。表现在专利上,截至2012年2月6日,德温特创新索引数据库(DII)中收录的纤维素处理用酶专利(族)达4473项,而半纤维素和木质素处理用酶专利量相差不大,分别为627项和650项。从具体的专利年度分布态势值(图1,由于专利公开及数据库录入的时滞,近两年专利量仅供参考,下同)来看,尽管2006年以来半纤维素和木质素处理用酶专利量也呈现出明显增长的态势,但与纤维素处理用酶专利的增长幅度相比仍有较大的差距。1.2拿大在筛选专利族的量从专利申请的优先权国家(地区)的专利(族)数量(图2)来看,美国、中国和加拿大在近几年申请的专利(族)量处于领先地位,这三国都是国土面积排名前四、且科技综合实力在全球处于前列的国家。日本和德国的技术实力雄厚,政府对于生物能源的支持力度很大,在全球木质纤维素处理用酶专利优先权国家(地区)排名中处于前列。1.3索维信公司和杰能科公司的技术开发比较从全球木质纤维素处理用酶专利的优先权人分布(图3)来看,诺维信公司(Novozymes)、丹尼斯克(Danisco)公司(目前已被杜邦收购)及被其收购的杰能科公司(Genencor)处在全球领先地位,这也是目前全球最主要的两家具备纤维素工业化水解酶生产实力的企业。诺维信公司是全球工业酶制剂和微生物制剂的主导企业,拥有超过40%的世界市场份额;而杰能科公司则是全球第二大生物技术和酶制剂公司,其专利主要在生物酶制剂的生产和应用方面。从专利(族)的数量和质量上看,其他专利权人与之相比的差距明显。从诺维信公司和杜邦(丹尼斯克)的技术实力来看,丹尼斯克在收购杰能科公司后,两公司的专利数量相加已经可与诺维信匹敌。再加上杜邦的研发基础,两强格局已经初步确立。2诺维信酶技术的专利技术分布诺维信是全球最大的酶制剂供应商,于2000年开始研发用于生产纤维素乙醇的酶制剂产品,其2010年研发经费约占销售额的14%,并曾两次获得美国能源部2930万美元总额的资助。2010年2月,诺维信推出实现纤维素乙醇商业化量产的酶制剂产品诺纤力赛力二代(CellicCTec2),使得每生产1加仑纤维素乙醇所需酶的成本仅为50美分,从而将纤维素乙醇的生产成本降至2美元/加仑,使纤维素乙醇成为极具竞争力的汽油替代品。作为一家总部位于丹麦的公司,诺维信申请木质纤维素处理用酶方面的专利共1000多个专利族(约6000多项专利),申请国家(地区)覆盖丹麦、法国、英国、美国、日本、韩国、中国、马来西亚、印度和巴西。在木质纤维素处理用酶方面,诺维信的专利申请布局可圈可点(图4):2001年,诺维信公司从丹麦著名的制药公司诺和诺德公司分离出来,在看准了美国生物燃料发展的市场前景之后,其专利申请的优先权国家(地区)重心由丹麦转向美国,而其生物燃料酶制剂在全公司销售收入比重也在短短几年内迅速增加至15%以上。出于对前景的乐观态度,诺维信近年来的研发布局和市场在全球进一步拓展,而其在欧洲、加拿大、中国的专利申请量也快速增长。在这一发展历程中,诺维信已经建立了一支较为稳定的研发团队:本世纪以来的专利发明中,很大一部分发明人为之前已经参与专利发明的发明人(原发明人),新发明人的数量总体上保持在20%～40%水平(图5)。从专利技术覆盖的领域来看(图6),诺维信酶技术专利体系覆盖从原料预处理到酶发酵的过程,可粗略地分为两类:第一类是将玉米和小麦转化成燃料乙醇(第一代燃料乙醇)生产用的酶制剂;第二类是针对纤维素转化为葡萄糖的过程所开发的纤维素燃料乙醇(第二代燃料乙醇)生产用的酶制剂。总体上看,用于第二代燃料乙醇的纤维素水解酶,成为诺维信公司在这一领域的发展重点,基于这些专利技术的酶制剂用于处理包括农业废弃物(如农作物的秸秆、叶和壳)、林业废弃物(如木材加工厂产生的木屑和锯屑、枯木和树枝)、能源作物(包括柳枝稷在内的速生草木)、固体生活垃圾(如家庭生活垃圾与废纸)以及食品加工与其他工业产生的副产品等在内的纤维素原料。3杰能科和斯德哥尔摩克的并购杰能科公司成立于1982年,并于1985年开展纤维素酶研究,目前已在欧洲、美国和中国建立了多个研究基地。在杜邦并购丹尼斯克后,杰能科作为丹尼斯克的制剂部门也并入杜邦,使杜邦集成了杰能科和丹尼斯克在生物燃料用酶研发方面的实力,使其进一步巩固纤维素乙醇技术的全球领先企业地位。不过,在丹尼斯克和杜邦的一系列并购过程中,由于重组等原因,杰能科公司作为专利权人的专利申请数量出现了明显下滑(图7)。从近年来申请的专利的发明人(图8)可以看出,与诺维信相比,以杰能科公司作为专利权人的专利发明人均为原先的发明人,也说明在重组过程中的变化。4生物燃料和木质素酶的应用与诺维信和杰能科相比,我国的生物燃料用酶专利仍主要局限于淀粉酶等局部领域,在可供工业化大规模生产的木质纤维素水解酶技术领域还很薄弱。目前的生物燃料用酶仍然主要局限于实验室研究,在纤维素酶领域形成专利相对较多的专利权人有中国科学