生物能源專利技術(shù)管窺

　生物能源產(chǎn)業(yè)前景廣闊

　　生物能源是指綠色植物、藻類、細(xì)菌等通過(guò)光合作用，捕獲太陽(yáng)能，經(jīng)新陳代謝，儲(chǔ)存于生物物質(zhì)中的化學(xué)量被人工方法重新提取、聚集、加工后獲得的新能源。它是一種可再生能源。隨著石油等不可再生能源日益走向枯竭，生物能源漸漸成為各國(guó)政府和企業(yè)重點(diǎn)發(fā)展的替代能源。例如，2006年1月，美國(guó)總統(tǒng)國(guó)情咨文指出，美國(guó)要在六年內(nèi)讓生物乙醇成為與汽油并駕齊驅(qū)的車用燃料。德國(guó)計(jì)劃用生物能源完全替代核能，并最終替代不可再生能源。2005年，德國(guó)生物柴油消費(fèi)量已超過(guò)120萬(wàn)噸，是全球使用生物柴油最多的國(guó)家之一。巴西更是全球開(kāi)發(fā)利用生物能源的典范。目前，生物能源在全球能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中約占13.6%，巴西則超過(guò)40%，該國(guó)僅生物乙醇的年消費(fèi)量就已達(dá)110億升左右。

　　我國(guó)在生物能源領(lǐng)域已經(jīng)有數(shù)十年的技術(shù)積累，總體技術(shù)實(shí)力居全球前三位，很多重大領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力居全球第一位，我國(guó)在該領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)能力居全球前兩位。由于國(guó)際石油價(jià)格長(zhǎng)期居高不下，而且我國(guó)中央和地方政府陸續(xù)出臺(tái)了強(qiáng)制推廣生物能源的政策，我國(guó)生物能源產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)一個(gè)快速發(fā)展的新階段。目前，我國(guó)四川、安徽等地已經(jīng)出現(xiàn)設(shè)計(jì)產(chǎn)能超10萬(wàn)噸的大型生物能源工廠，其技術(shù)水平、制造能力居全球前列。

　　為了繼續(xù)提高我國(guó)生物能源技術(shù)的開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化水平，我國(guó)科技部頒布了《863計(jì)劃生物和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域“生物能源技術(shù)開(kāi)發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”課題研究計(jì)劃》，號(hào)召全國(guó)企事業(yè)單位在燃料乙醇、生物柴油、沼氣技術(shù)、可移動(dòng)農(nóng)林廢棄物冷成型顆粒燃料加工設(shè)備、生物乙醇制取乙烯等五大領(lǐng)域開(kāi)展創(chuàng)新研究。其中，燃料乙醇項(xiàng)目的指導(dǎo)性研究方向是：分別以淀粉質(zhì)原料、糖質(zhì)原料、木質(zhì)纖維素類原料為基礎(chǔ)的燃料乙醇生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)，燃料乙醇生產(chǎn)的關(guān)鍵共性支撐技術(shù)。生物柴油項(xiàng)目的指導(dǎo)性研究方向是：考察原料中酸值、脂肪酸分布和脂肪酸不飽和度對(duì)反應(yīng)的影響，研究開(kāi)發(fā)能適應(yīng)多種品質(zhì)原料的新型加工工藝，副產(chǎn)甘油的精制或深加工轉(zhuǎn)化技術(shù)；高活性固體催化劑的研制及規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)；進(jìn)行新工藝的中試研究，解決工藝放大出現(xiàn)的各種工程問(wèn)題，并評(píng)估新工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平；可移動(dòng)式生物柴油生產(chǎn)裝置及配套工藝的研究；2至5萬(wàn)噸級(jí)工業(yè)示范生產(chǎn)裝置工藝包設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行。隨著863計(jì)劃相關(guān)課題項(xiàng)目的深入開(kāi)展，我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的生物能源技術(shù)將大量增加。

　　我國(guó)生物能源專利技術(shù)分布

　　第一，用生物乙醇制備乙烯的技術(shù)。例如，01822680.9號(hào)文獻(xiàn)涉及一種含氧化合物轉(zhuǎn)化為烯烴產(chǎn)品的方法。它將分子篩催化劑與含氧化合物在含氧化合物轉(zhuǎn)化區(qū)進(jìn)行接觸，使一部分含氧化合物轉(zhuǎn)化為烯烴產(chǎn)物；其次，它將催化劑與烯烴產(chǎn)物分離，并將一部分分出的催化劑送入再生器；再次，它將再生催化劑與選自甲醇、乙醇、1－丙醇、1－丁醇或它們的混合物的醇在醇接觸區(qū)進(jìn)行接觸；最后，它將接觸過(guò)醇的催化劑從醇接觸區(qū)送到含氧化合物轉(zhuǎn)化區(qū)，從而制備乙烯、丙烯和丁烯。

　　第二，沼氣制備技術(shù)。例如，200510037108.9號(hào)文獻(xiàn)涉及一種綜合利用水葫蘆植株殘?bào)w生產(chǎn)沼氣的方法及裝置。其步驟包括：用除草劑對(duì)水葫蘆葉面進(jìn)行噴霧，使水葫蘆根系腐爛，植株失水而散架，水葫蘆失水減重后，打撈收集水葫蘆植株殘?bào)w；將水葫蘆植株殘?bào)w置于浸泡池中與生活廢水混合并浸泡，通過(guò)雙剪切機(jī)將植株破碎，加入適量發(fā)酵劑，制得水葫蘆植株殘?bào)w發(fā)酵料；再將發(fā)酵料送到水葫蘆植株殘?bào)w發(fā)酵池進(jìn)行厭氧發(fā)酵，生產(chǎn)沼氣。水葫蘆是一種典型的入侵生物，繁殖能力極強(qiáng)，嚴(yán)重威脅淡水生態(tài)安全。而且，水葫蘆不能做禽畜飼料，也不適合造紙，缺乏工農(nóng)業(yè)應(yīng)用價(jià)值。該技術(shù)可以變廢為寶，使水葫蘆變?yōu)橹匾娜剂蟻?lái)源。

　　第三，燃料乙醇制備技術(shù)。例如，02145503.1號(hào)文獻(xiàn)涉及一種燃料乙醇熱泵恒沸精餾工藝及裝置。它包含乙醇脫水塔、夾帶劑回收塔和酒精回收塔，三個(gè)塔的塔頂蒸汽加壓升溫后直接用作塔底再沸器的熱源，塔頂不需要冷凝器，也不需要鍋爐供熱系統(tǒng)以及循環(huán)泵等公用工程，整個(gè)物流系統(tǒng)全封閉操作。03127107.3號(hào)文獻(xiàn)涉及一種改良濕法生產(chǎn)燃料乙醇的工藝。200410034454.7號(hào)文獻(xiàn)涉及一種酒精及燃料乙醇專用糖化營(yíng)養(yǎng)復(fù)合酶及其應(yīng)用。200410094085.0號(hào)文獻(xiàn)涉及一種燃料乙醇生產(chǎn)方法。

　　第四，生物汽油的制備技術(shù)。例如，01138935.4號(hào)文獻(xiàn)涉及一種利用植物纖維制取丙烷液化氣和高辛烷值汽油的方法。它包括以下步驟：將植物纖維如玉米秸稈、稻草、蘆葦?shù)龋斖ㄟ^(guò)真空干餾裂解反應(yīng)生成一氧化碳和丙烷混合氣，采用PSA變壓吸附法將一氧化碳和丙烷混合氣體分離，分別生成、提純氫氣，對(duì)二氧化碳進(jìn)行回收，制取丙烷液化氣，將上述步驟制成的CO、CO2、H2用ICI低壓法進(jìn)行甲醇的合成，最后采用MTG法將甲醇制成汽油。

　　第五，微生物油的制備技術(shù)。例如，01814301.6號(hào)文獻(xiàn)涉及一種微生物油的分離工藝，例如，首先裂解微生物細(xì)胞的細(xì)胞壁以釋放出油；其次，從細(xì)胞壁碎片中分離油料。此外，03814383.6號(hào)文獻(xiàn)涉及一種包含多不飽和脂肪酸的微生物油的制備工藝。

　　第六，生物柴油發(fā)明。例如，01805562.1號(hào)文獻(xiàn)涉及一種包含生物柴油和表面活性劑的燃料組合物，其特征在于該表面活性劑包含一種鏈烷醇酰胺、烷氧基化的醇和烷氧基化的脂肪酸或其衍生物的混合物。02813303.X號(hào)文獻(xiàn)涉及一種生物柴油和費(fèi)－托合成烴類調(diào)合油，還涉及一種用于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的調(diào)合組分以及調(diào)節(jié)烴類燃料密度的方法。

　　第七，生物柴油制備方法。例如，200410038292.4號(hào)文獻(xiàn)涉及一種固體酸、堿催化制備生物柴油的方法。其特征是在固體酸或固體堿催化劑存在的條件下，利用大豆油和甲醇的酯交換反應(yīng)得到生物柴油。反應(yīng)結(jié)束后先用離心機(jī)將催化劑從反應(yīng)溶液中分離出去，然后靜置分層，上層為粗制產(chǎn)品，下層為甘油和甲醇的混合物。將上層粗酯水浴蒸餾后得生物柴油，下層水浴蒸餾后得純凈的甘油，蒸餾出的甲醇可再循環(huán)使用。200510036639.6號(hào)文獻(xiàn)涉及一種生物催化高酸值油脂進(jìn)行酯交換反應(yīng)生產(chǎn)生物柴油的方法。03114294.X號(hào)文獻(xiàn)涉及一種生物催化油脂轉(zhuǎn)酯生產(chǎn)生物柴油的方法。01107895.2號(hào)文獻(xiàn)涉及一種生物柴油的生產(chǎn)方法。它以酸化植物油、下水道油及回收煎炸油為原料，經(jīng)酯化后，在真空條件下蒸出甲酯，在甲酯的蒸餾過(guò)程中加入適量的阻聚劑，阻止甲酯的進(jìn)一步聚合反應(yīng)，提高了甲酯的收率。在酯化反應(yīng)后蒸餾過(guò)程中將餾出物冷卻到零攝氏度，過(guò)濾除去析出物后，所得液體即為生物柴油。200480007538.X號(hào)文獻(xiàn)涉及一種精制生物柴油的方法和裝置。200510073176.0號(hào)文獻(xiàn)涉及一種利用微藻油脂制備生物柴油的方法。

　　此外，200310117290.X號(hào)文獻(xiàn)涉及一種由植物油生產(chǎn)生物柴油的新方法。其特征在于：以植物油與小分子醇類為反應(yīng)物、加入共溶劑，在超臨界條件下進(jìn)行酯交換反應(yīng)，把脂肪酸甘油酯轉(zhuǎn)化為脂肪酸小分子醇酯，即生物柴油。200510131852.5號(hào)文獻(xiàn)涉及一種用高酸值潲水油制備生物柴油的新工藝。其特征是：以廢棄的動(dòng)植物油脂和小分子醇類為反應(yīng)物，加入催化劑，在常壓下進(jìn)行酯交換反應(yīng)，把脂肪酸甘油酯轉(zhuǎn)化為脂肪酸小分子醇酯即生物柴油。其中，小分子醇動(dòng)植物油的摩爾比為3至9比1，經(jīng)5至7個(gè)小時(shí)反應(yīng)后，即生產(chǎn)出生物柴油。200410013796.0號(hào)文獻(xiàn)涉及一種利用油菜籽發(fā)酵法制取生物柴油的生產(chǎn)工藝。它分為如下步驟：原材料預(yù)處理、菌種培養(yǎng)、中和，然后洗滌干燥分餾。利用該工藝，平均每噸油菜籽可制取245公斤生物柴油，且會(huì)產(chǎn)生10%的副產(chǎn)品——甘油和飼料酵母。200510123492.4號(hào)文獻(xiàn)涉及一種以高芥酸菜籽油為原料制備生物柴油及芥酸甲酯的應(yīng)用。200610055167.3號(hào)文獻(xiàn)涉及一種微波法制備生物柴油的方法。200610055172.4號(hào)文獻(xiàn)涉及一種中溫低壓法制備生物柴油的方法。200510043766.9號(hào)文獻(xiàn)涉及一種以鹽生植物為原料制備生物柴油的方法。

　　第八，生物柴油催化劑、添加劑、穩(wěn)定劑發(fā)明。例如，200510040898.6號(hào)文獻(xiàn)涉及一種生物柴油催化劑及利用該催化劑合成生物柴油的方法。03825109.4號(hào)文獻(xiàn)涉及一種提高生物柴油儲(chǔ)存穩(wěn)定性的方法。98811315.5號(hào)文獻(xiàn)涉及一種生物柴油和生物燃料油的添加劑。

　　第九，生物油制備方法。例如，02145154.0號(hào)文獻(xiàn)涉及一種催化裂解精制生物油的方法。02111779.9號(hào)文獻(xiàn)涉及一種由生物質(zhì)水解殘?jiān)苽渖镉偷姆椒ā?00510033827.3號(hào)文獻(xiàn)涉及一種利用單糖、低聚糖及其糖醇生產(chǎn)液態(tài)生物能源的方法，包括以下步驟：以單糖、低聚糖及其糖醇為原料，添加甲醇和脫水劑及濃硫酸進(jìn)行回流反應(yīng)，使糖類醚化；在70至7攝氏度蒸餾，收集冷凝液；或者加入干燥的氫氧化鈣除去濃硫酸，過(guò)濾，收集濾液；獲得的冷凝液或者濾液即醚化的生物能源。

　　第十，裝置和設(shè)備發(fā)明。例如，200510009735.1號(hào)文獻(xiàn)涉及一種能夠熱解生物質(zhì)燃料并聯(lián)產(chǎn)生物油、可燃?xì)?、活性炭、熱能蒸汽或熱水?shù)腻仩t。它由供料系統(tǒng)、外熱式熱解裝置、換熱式熱解裝置、鍋爐等組成。它的供料系統(tǒng)能夠?qū)⑸镔|(zhì)燃料脫水、脫氣、升溫，使其能量密度達(dá)到最大值；外熱式熱解裝置能將制備后的燃料在高溫環(huán)境中快速熱解，產(chǎn)生熱解汽，換熱式熱解裝置利用外熱式熱解裝置產(chǎn)生的900℃高溫?zé)峤馄跓o(wú)氧的條件下熱解生物質(zhì)材料，然后制造活性炭，可聯(lián)產(chǎn)或單產(chǎn)生物油、可燃?xì)?、活性炭、熱能等?/span>

　　此外，03825289.9號(hào)文獻(xiàn)涉及一種生物柴油的制造方法及制造裝置。200610024679.3號(hào)文獻(xiàn)涉及一種制造生物柴油的方法及裝置。它將一定量的脂肪酸、油酸、酸化油、地溝油的混合原料或其中之一，投放于反應(yīng)罐內(nèi)，并按5%－10%的比例加入甲醇，加溫?cái)嚢枵{(diào)和15分鐘，再按5%－10%的比例加入正丁醇，0.1%的比例加入聚乙烯－醋酸乙烯酯，0.1%比例加入硝酸辛酯，0.05%比例加入烷基萘，加溫?cái)嚢枵{(diào)和5分鐘；再按0.1%－0.2%的比例加入乙二胺和高堿值環(huán)烷酸鈣，加溫?cái)嚢枵{(diào)和5分鐘即成生物柴油。其裝置由反應(yīng)罐、高速攪拌裝置、操作平臺(tái)、支架和PLC控制系統(tǒng)組成。01134142.4號(hào)文獻(xiàn)涉及一種低成本無(wú)污染的生物質(zhì)液化工藝及裝置。200510011104.3號(hào)文獻(xiàn)涉及一種汽爆秸稈發(fā)酵剩余物熱解制備液體燃料的方法及裝置。200410064280.9號(hào)文獻(xiàn)涉及一種車用生物柴油的生產(chǎn)裝置及其制造方法。生產(chǎn)裝置包括：反應(yīng)器、第一閃蒸塔、加熱器、換熱器、第二閃蒸塔、沉降分離器、減壓蒸餾塔、中和水洗器，以及脫硫精制塔。其特征在于反應(yīng)器分為第一段管式反應(yīng)器和第二段管式反應(yīng)器，并且，在第一段管式反應(yīng)器與第二段管式反應(yīng)器之間設(shè)有第一閃蒸塔和加熱器。200510057215.8號(hào)文獻(xiàn)涉及一種生物質(zhì)熱解液化的工藝方法及其雙塔式裝置系統(tǒng)。

　　國(guó)外專利部署態(tài)勢(shì)值得借鑒

　　我國(guó)專利部署側(cè)重工藝方法，設(shè)備專利較少，生物能源產(chǎn)品專利極少，尤其具有較大產(chǎn)業(yè)覆蓋面、較強(qiáng)市場(chǎng)壟斷力的“石油生物”專利更加罕見(jiàn)。我國(guó)863等重大科研計(jì)劃也側(cè)重工藝、設(shè)備研究，沒(méi)有注重更加基礎(chǔ)的新產(chǎn)品、新用途和新石油生物研究。

　　例如，石油生物是經(jīng)提純或發(fā)酵等加工后就可當(dāng)做燃料油或石油產(chǎn)品的生物。目前，全球已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多石油生物，主要是一些夾竹桃科、大戟科、菊科以及豆科植物，如油菜、蓖麻、小桐子、烏桕、大豆、花生等。另外，全球還有三百多種灌木、四百多種花卉屬于石油生物。除了植物，微生物也可成為石油生物。例如，日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，一種淡水藻類屬于石油生物。它的二氧化碳吸收率高，生物燃料提取能力強(qiáng)。其大約兩克重的藻塊在十天內(nèi)就可生長(zhǎng)到十克，其中約含五克生物燃料。原則上，這些科研成果都可獲得專利保護(hù)。

　　除了新發(fā)現(xiàn)的生物產(chǎn)品用途、新分離和純化的生物本身，經(jīng)過(guò)品種選育和品質(zhì)優(yōu)化的石油生物本身也可以申請(qǐng)專利。目前，西方國(guó)家正在對(duì)已發(fā)現(xiàn)的四十多種石油生物進(jìn)行品種選育和品質(zhì)優(yōu)化工作，并積極搶注專利。例如，公開(kāi)號(hào)為JP2006055127的文獻(xiàn)涉及一種培養(yǎng)微生物的方法和設(shè)備，用相關(guān)方法制備的微生物，以及用該微生物生產(chǎn)氫燃料的方法。實(shí)際上，未來(lái)使用的石油生物很可能局限于效率較高的少數(shù)選育生物。獲得相關(guān)生物本身的專利，這對(duì)提升我國(guó)產(chǎn)業(yè)的全球?qū)＠?jìng)爭(zhēng)力非常重要。不過(guò)，我國(guó)當(dāng)事人尚未注意部署此類基礎(chǔ)專利。在863計(jì)劃中，我國(guó)也沒(méi)有開(kāi)展相關(guān)研究。

　　除此之外，一些轉(zhuǎn)基因生物也可用于提高生物能源的生產(chǎn)效率，具有廣闊的產(chǎn)業(yè)前景。例如，公開(kāi)號(hào)為NZ506792的文獻(xiàn)涉及一種基因片段和轉(zhuǎn)入該片段的微生物。本發(fā)明的基因片段能促進(jìn)β－葡萄糖苷酶的合成，進(jìn)而提高燃料乙醇的產(chǎn)量。這樣，作為生物工廠，新的轉(zhuǎn)基因生物能大大提高燃料乙醇的產(chǎn)量。經(jīng)深入檢索發(fā)現(xiàn)，西方國(guó)家非常重視此類轉(zhuǎn)基因技術(shù)的專利部署，專利保護(hù)范圍涉及核苷酸分子、載體、細(xì)胞、生物本身等。從現(xiàn)有的石油生物中釣取和克隆有用的基因，并搶先部署專利網(wǎng)，這對(duì)我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也非常重要。

　　再則，國(guó)外還出現(xiàn)了不少專利文獻(xiàn)，用于保護(hù)生物燃料電池、生物燃料本身等基礎(chǔ)發(fā)明。例如，公開(kāi)號(hào)為JP2006085911的文獻(xiàn)涉及一種通用生物燃料電池。公開(kāi)號(hào)為UA68591的文獻(xiàn)涉及一種生物燃料混合物。相比之下，我國(guó)當(dāng)事人公開(kāi)的相關(guān)專利文獻(xiàn)極少。

　　總之，為了提高我國(guó)科研規(guī)劃的效率和水平，為了防止企業(yè)開(kāi)展一些重復(fù)、低級(jí)、缺乏市場(chǎng)前途、缺乏技術(shù)和商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的科研活動(dòng)，更為了提高我國(guó)科研人員借鑒、吸收、規(guī)避、超越國(guó)外專利技術(shù)成果的能力，我國(guó)政府和企業(yè)都要在生物能源領(lǐng)域開(kāi)展大量的專利技術(shù)情報(bào)檢索、分析工作，制作高質(zhì)量的專利作戰(zhàn)圖。根據(jù)專利地圖，我國(guó)相關(guān)行業(yè)的骨干企業(yè)要快速構(gòu)筑專利壁壘，爭(zhēng)取用數(shù)百、數(shù)千篇專利獲得穩(wěn)固的技術(shù)和商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。（知識(shí)產(chǎn)權(quán)報(bào)　作者　魏衍亮）