基于专利角度的纤维素降解生物法预处理研发进展

第 26 卷第 2 期 2018 年 6 月纤维素科学与技术 Journal of Cellulose Science and Technology文章编号：1004-8405(2018)02-0082-07DOI: 10.16561/ki.xws.2018.02.05Vol. 26 No. 2 Jun. 2018基于专利角度的纤维素降解生物法预处理研发进展郑玉荣 1， 靳军宝 1,2， 白光祖 1， 吴新年 1*， 刘秋艳 1,2（1. 中国科学院兰州文献情报中心，甘肃 兰州 730000；2. 中国科学院大学，北京 100049）摘 要：纤维素生物转化主要技术瓶颈在于预处理技术不够成熟、纤维素酶活性较低及转化效率不高等，造成生产成本过高。

预处理各方法中物理化学法、化学法、物理法，在效率相对较高的同时带来新的环境污染与能源消耗问题，生物法需要解决效率和成本问题，属于颠覆性技术方向，是未来研究的热点。

收集国内外纤维素降解生物法预处理专利数据，应用主流情报分析软件，对纤维素降解生物法预处理总体研发态势、主要研发方向和核心专利技术进行分析。

纤维素降解生物法预处理总体上还处于发展期，研发力度有限、成本较高、酶解效率有待提高，美国的研发布局相对完善，我国的产业化特征不明显。

目前的研发重点有两个，一是选育分泌高效降解组合酶的菌株，二是通过遗传工程对降解木质纤维素起作用的基因片段进行基因改造，从而提高降解效率。

关键词：木质纤维素；生物法预处理；专利技术；核心专利中图分类号：TQ352文献标识码：A纤维素降解研发及产业化是全球热点方向之一，全球范围内天然纤维素原料非常丰富（包括农作物秸 秆、林业副产品、城市垃圾等），将纤维素进行转化生产生物燃料、饲料、食品等生物质产品对于解决环 境污染、资源浪费、食品短缺、能源危机等方面具有现实意义[1-2]。

全球纤维素利用主要通过糖平台（生物 法）和热化学平台转化[3-4]，糖平台先将纤维素原料转化为可发酵型糖，再利用酵母发酵转化为生物产品， 热化学平台则先气化纤维素原料再转化为生物产品。

木质纤维素预处理物理法 物理化学法化学法 生物法酶水解发酵其他用途分步糖化发酵 同步糖化发酵 同步糖化过滤和发酵 统合生物工艺图 1 天然纤维素利用流程纯化分离产品生物燃料 化工产品其他纤维素的生物转化利用分为原料预处理、酶水解、糖发酵 3 个阶段（如图 1 所示），目前主要的技术 瓶颈在于预处理技术不够成熟、纤维素酶活性较低及转化效率不高等，造成生产成本过高[5]。

预处理阶段应用较多的是物理化学法（包括蒸汽爆破、氨纤维爆破等）、化学法（酸处理、碱处理、离子液体处理等）、收稿日期：2018-01-08 基金项目：中国科学院文献情报“十三五”规划重点培育方向项目；“基于多数据源的颠覆性技术识别路径研究”研究成果之一。

作者简介：郑玉荣（1974~），男，硕士；研究方向：产业技术情报分析。

∗ 通讯作者：吴新年（1968~），男，博士，研究员；研究方向：情报理论与方法、产业技术情报分析。

wuxn@第2期郑玉荣等：基于专利角度的纤维素降解生物法预处理研发进展83物理法等[6]，在效率相对较高的同时带来新的环境污染与能源消耗问题，后续处理也存在其他方面的问题 （如抑制问题）。

生物法克服了其他方法的缺点，但存在效率有待提高和成本过高的问题（时间成本和经 济成本），但是从长远看，通过生物技术和生物工程解决效率和成本问题[7-8]，生物法将得到快速发展[9-10]。

全球围绕生物法的效率问题和成本问题进行了大量的基础研究，经由相关研究机构和企业合作，建设 纤维素产业化利用示范装置，推进纤维素的生物转化进程。

我国《可再生能源发展十三五规划》新增投资 2.5 万亿元发展包括生物质利用在内的可再生能源，美国和欧盟也以立法形式规定了将来某时间段纤维素 燃料在整个燃料体系中的比例，并且以政策形式进行支持。

本文收集了国内外纤维素降解生物法预处理方面的发明专利（数据来源：Derwent Innovations Index）， 应用 Thomson Data Analyzer、INNOGRAPHY 等主流情报分析软件，对全球范围内纤维素降解生物法预处 理总体研发情况、技术研发脉络、重点技术方向及核心技术发展态势进行了分析。

1 专利总体研发进展1.1 总体研发态势 截止 2017 年底（检索日为 2017 年 12 月 31 日），全球纤维素降解生物法预处理专利数为 572 条，占到整个预处理技术的 6.93%（总预处理专利技术 8256 条），总体上不占优势，处于发展期（图 1），其中 2015 年达到 74 条，为历年最高（注：因专利数据滞后，2016、2017 年的专利数据不全）。

80其他 20%美国46%60日本8%401985 1988 1990 1992 1994 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015 201720 0图2 纤维素降解生物法预处理专利技术年际变化欧专 11%中国 15%图3 纤维素降解生物法预处理专利技术主要研发国家如图 2 所示，美国是纤维素降解生物法预处理专利主要的研发国，另外中国、欧洲、日本也是重要的 研发地区。

如表 1，诺维信是纤维素降解生物法预处理专利技术最主要的专利权人（109 条，占整个生物 法预处理技术的 19.06%，下同），其他还包括荷兰帝斯曼（38 条，占 6.64%）、加拿大 IOGEN（29 条，占 5.07%）、杜邦丹尼斯克、法国石油与新能源研究院等（如表 1 所示）。

序号1 2 3 4 5 6表 1 纤维素降解生物法预处理主要研发机构主要研发企业/机构 诺维信荷兰帝斯曼 加拿大 IOGEN 杜邦丹尼斯克 法国石油与新能源研究院王子制纸专利数109 38 29 17 12 11占比/ % 19.06 6.64 5.07 2.97 2.10 1.9284纤维素科学与技术第 26 卷（续表 1） 7 8 9 10肯考迪亚大学 Inbicon 公司中国石化 本田汽车其他91.5781.4081.4081.4036263.291.2 主要研发方向 纤维素降解生物法预处理专利技术主要涉及发酵技术与工艺（包括产品，占 78.40%）、酶工程技术（占43.39%）、菌种选育技术（占 38.91%）三个技术方向，其中能产生高效降解酶的菌种选育技术是生物法预 处理的关键。

如表 2，经分析相关专利技术研发脉络，上世纪 80 年代开始，纤维素降解生物法预处理专利技术经历 了酶的分离与培养、微观层面研发（包括纤维素细胞壁结构、DNA 序列等）、破除木质素结合键、减少酶 用量及提高发酵率、同步糖化发酵、产业化的经济性及可行性、基因改造与表达、多阶段联合处理、耐高 温多功能降解菌种等（如表 2 所示）。

时间段 1999 年以前 2000～20042005～2009表 2 纤维素降解生物法预处理技术演进主要技术方向 生物法降解纤维素专利技术主要集中在过氧化物酶、菌株培养等方面。

研发重点转向更微观的主题，包括植物的细胞组织（如细胞壁）、DNA 编码、非淀粉原料等。

重点包括木质素结构、破除木质素结合（键）、降解条件、预处理后的工序、低酶用量、酶解多肽、 羧基末端活性分子、经济性可行性、同步发酵水解、酶发酵率等方面。

2010 年以来工艺重点包括同步糖化发酵、单级加压、工序产品供给与分离、多阶段联合处理工序等，在酶培养 及处理方面包括酶活性增强、β-葡萄糖苷酶等，在遗传基因技术方面包括多肽编码与基因序列、改 性微生物、遗传组织构建等。

另外原料也趋于多样化，以软木质纤维素原料为主；产品方面也多样化，除了乙醇外还包括丙酮、乙酸、甲醇等。

诱变选育技术的主要研发机构包括诺维信、加拿大 IOGEN、杜邦丹尼斯克等，技术重点是选育的菌株 分泌高效组合酶对木质素进行降解，组合酶的重要特征一是表现出显著协同作用，二可以全流程作用起作 用，减少后期糖化和发酵阶段的外源酶加入量。

具体技术点包括极端环境菌种（宽 pH 范围、高热、低温 等）筛选技术、菌株高通量筛选技术（包括微流控真菌高通量筛选技术、流式细胞仪细菌高通量筛选技术 等）、五碳糖六碳糖共利用菌株选育技术、高效物理化学组合诱变技术、高效菌定向选育技术、应用于固 态发酵菌种选育技术、高效物理（紫外、重离子、等离子辐射等）诱变技术、高耐热工程菌模拟预测技术、 流程化选育平台、多菌协同培育技术等。

基因工程选育技术是通过遗传工程对降解木质素（半纤维素）起作用的基因片段进行基因改造，从而 提高降解效率。

研发主要集中在两个方向上，一是对新基因（核酸序列）的筛选、鉴定、分离，二是通过 遗传工程改造基因并进行菌株表达。

具体的技术点包括蛋白组学技术、多基因融合技术、菌种突变技术、 定向进化集成技术、基因定向突变技术、高效降解菌基因（组）鉴定技术、同源重组增强技术、不需预处 理生物降解菌改造技术、活性位点识别技术、高效纤维素菌株基因组（群）融合技术等。

近年来，国内针对纤维素降解生物法预处理在酶种选培育、基因工程改造、成本控制等方面开展了大 量的研究，中国石化通过选育木霉属菌株去除预处理阶段引入的多种抑制物[11]、华中科技大学张晓昱团队第2期郑玉荣等：基于专利角度的纤维素降解生物法预处理研发进展85通过担子菌对木质纤维素原料进行预处理、降解与转化[12]，山东尤特尔采用中性纤维素酶预处理木质纤维素 以降低成本[13]，另外青岛蔚蓝、南京百斯杰、宁夏夏盛、华东师范大学等也有针对性的开展了相关研发活动。

1.3 后续研发重点 引用专利数据集的文献，称为该专利数据集的后引文献，通过后引文献可以分析该数据集专利技术对后续专利技术研发、应用等方面的作用与影响，尤其核心专利技术对后续研发的影响具有重要作用，很多 后续研发的专利技术会围绕核心专利进行专利布局，其结果会影响产业布局和经济利益。

分析相关后续研发机构分布，除了诺维信、杜邦丹尼斯克、荷兰帝斯曼、加拿大 IOGEN、私有酶技术 公司等研发主力外，英国石油公司、壳牌石油公司、美国可再生能源国家实验室、阿本戈生物能源等一些 石油和能源公司也对相关技术进行大量引用。

分析后引专利的技术方向可以发现，后引主要以应用为主，涉及到制备目标产品、所使用的酶、所使 用的材料、发酵的工艺等，其中在堆制有机肥料、肥料与土壤调理剂的混合物、有机废料回收或加工、动 物饲料、添加酶或微生物进行谷物材料发酵等技术是以后热点的研发方向，一定程度上说明降解研发方向 和降解产品趋向多元化。

1.4 研发基础分析 科学技术能持续不断的向前推进，是因为建立在之前的基础研究之上。