生物柴油領域專利信息分析

李 艷 李宏宇

隨著當今世界經濟的快速發展，對化石能源的開采量和使用量也隨之增大，然而卻使得能源短缺和生態危機成為世界各國主要關注的焦點性問題。這一現狀已經使得世界各國達到了化石能源及環境承載力極限，那么如何開發并且合理運用清潔生物質能源成為處理這一問題的有效途徑和重要手段之一。生物液體燃料作為目前生物質能源主要的利用模式，對于解決環境與能源問題發揮著重要作用。而生物柴油是生物液體燃料的一種重要組成部分，是由植物油或動物脂肪等可再生脂質燃料中提取的一種長鏈脂肪酸 (FAME) 的單烷基酯混合物，通常包括烷基脂肪酸(鏈長為C14－C22) 的短鏈酯醇，主要是甲醇或是乙醇。生物柴油的較高熱值 (HHVs) 相對較高，它的HHVs(39～41兆焦/千克) 比汽油 (46兆焦/千克) 、石油柴油 (43兆焦/千克) ，或石油 (42兆焦/千克) 略低，但比煤 (32～37兆焦/千克) 高［1］。它具有生物降解、無毒、低排放量等特點。而且能量密度較高、儲存運輸較安全、潤滑性較好、抗爆性較好、燃燒較充分等良好的使用性能和環境友好性、可再生性以及良好的可替代性［2］。生物柴油作為各國重點研究的生物液體燃料，在改善環境及能源問題上具有戰略意義，本文從專利的角度對生物柴油領域進行分析，旨在從生物柴油領域專利申請趨勢分析、專利申請地域分析、競爭力分析、研發熱點分析、核心專利分析方面對生物柴油領域進行剖析。

1 數據來源及分析工具

本文從德溫特創新索引 (Derwent Innovations Index，簡稱DII) ，按照關鍵詞結合手工代碼的檢索方法檢索到生物柴油相關專利申請3 376項，檢索的結果截至日為2014年12月23日。由于發明專利申請自申請日起18個月的公布周期，實用新型專利申請在授權后才能獲得公布，因此在實際數據采集過程當中會出現2011年以后的專利申請數量比實際申請量少的情況。反映到該論文中的歷年申請量的趨勢圖中，一般自2011年之后出現較為明顯的下降，為此本論文主要以2011年以前的數據為主，力求能夠準確的反映出該領域專利申請的實際情況。本文采用Excel及CiteSpace作為主要的分析軟件。

2 專利分析

2.1 全球專利趨勢分析

運用時間序列分析方法，來研究生物柴油領域專利申請量隨時間逐年變化的情況，從而分析該領域整體的技術發展態勢。

圖1顯示了生物柴油領域全球的專利申請數量隨時間的變化趨勢。可以看出2003年之前基本沒有有關生物柴油的專利申請，由于原料、設備和各國政策的影響，各國在生物柴油領域的發展水平有限。從2003－2008年，專利申請數量一路高漲，這與在2002年之后，美國、歐盟、巴西、日本等國家制定了一系列促進機制和激勵政策鼓勵生物柴油在內的生物質燃料的產業發展緊密相關，《2005年能源稅收政策法案》授權美國環保署全面實施RFS(可再生能源標準) ，要求每個汽油及柴油生產商和進口商向運輸燃料中添加可再生燃料;2002年歐盟制訂了統一的生物柴油的標準EN14214，其推廣生物柴油的目標是到2010年達到800～1 000萬噸，占柴油市場5.75%。全球專利在2008年時專利申請數量達到最高，各國開始大力研究生物柴油，并明顯取得了一些成效。隨后專利申請數量雖有少量下降，但總體趨勢來看，生物柴油領域的專利申請一直處于增長階段。

圖1 生物柴油領域全球專利申請量趨勢變化

2.2 全球專利申請區域分布分析

如圖2所示，在生物柴油領域的專利申請中，在中國申請的有1 442件，占該領域總申請數的43%，處于第一位;其次是美國，占有22%的份額。中國和美國的專利申請總量占到總申請量的65%，遠遠領先于其他國家，反映出這兩個國家在該領域有明顯的競爭優勢。

我國自改革開放以來，國民經濟的不斷發展使得我國對能源的需求持續增加，我國政府以及一些企業對生物柴油越來越重視。2001年9月，由海南省和生物能源公司投資，在河北建立起我國第一家生物柴油工廠，標志著我國生物柴油產業的誕生。2002年8月，四川古杉油脂化學公司成功開發利用植物油下腳料在綿陽建立了生物柴油生產線。2003年，湖南天源生物清潔能源有限公司成立了生物柴油工業化生產的示范點。2004年，科技部開始啟動“十五”國家科技攻關計劃“生物燃料油技術開發”項目，之后實施的國家“863”計劃啟動生物能源技術開發與產業化項目，2005年我國生物柴油產業開始進入高峰期，各種科研項目快速增加，生產生物柴油的生產線也加速擴大，生產力迅速提升［3］，2006年《中華人民共和國可再生能源法》正式實施，隨后國家稅務總局明確指出，消費稅征稅不包含以動植物油為原料而生產的生物柴油，但是2008年此條例被終止，直至2009年，生物柴油免征消費稅政策才又重新出臺［3］。這一系列的科研立項和國家政策的扶持，使得我國生物柴油領域的發展突飛猛進，專利的申請量超過美國、日本等國家位居世界第一。

圖2 生物柴油領域專利分布餅圖

2.3 專利權人分析

按專利申請人的申請量進行統計和排序，以此來研究相關領域中活躍的申請人，他們是該領域的主要競爭者。

2.3.1 專利權人專利申請總量分析

對專利申請人的申請量進行排名，列出前15名主要的申請人。通過對申請人在該領域的申請量分析，可以看出在該領域的主要帶頭人，他們在生物柴油領域占有重要的地位。

圖3 排名前15的專利申請人專利申請總量圖

通過整體的分析，生物柴油領域的專利主要來自企業和大學，位居前幾名的國家主要是中國、法國、美國、韓國，其中中國石化集團 (CHINA PETROLEUM＆CHEM CORP) 、清華大學、昆明理工大學、法國石油研究院 (INST FRANCAISDU PETROLE) 、美國埃克森美孚 (EXXONMOBIL RES＆ENG CO) 依次排名前5名。就中國而言，排名靠前的基本上都是高校及科研院所，只有中國石化一家企業在榜首，這意味著我國需要加大產學研的力度，將科研工作盡可能地和產業結合，共同促進生物柴油領域的進一步發展。

2.3.2 前7名專利申請人專利申請數量逐年趨勢分析

從圖中可以看出中國相比其他國家在生物柴油領域的起步較晚，中石化在2005年才擁有自己的專利，自此之后中國的專利申請量開始一路高漲，每一年的專利申請數量都領先于其他國家，在生物柴油領域中國占著很大的比重。中國作為申請量最多的國家，在生物柴油領域擁有的先進的技術，成為該領域主要的領軍國家。

圖4 生物柴油領域相關技術主要申請人年份/申請量分布圖

2.3.3 專利申請人技術領域分析

對生物柴油領域的主要申請人的技術分布分析，可以直接關注本領域的主要的競爭對手的專利研發動向以及行業的熱點。為了系統的研究生物柴油領域的技術研究熱點，本文以IPC分類號分別對主要的申請人進行分析。

表1 專利申請人技術領域分析

中國石化集團主要的研究重點在C10G3/00、C10L1/02、C10L1/04等，中國石化和石家莊煉油化工股份有限公司合作開發了高壓醇解工藝［4］，清華大學的研究重點同樣放在C10G3/00上，還有C12P7/64，在生物柴油的制備方面重點關注淀粉酶、脂肪酶轉化、脂肪酶相結合、固體堿制備、耦合技術制備、微藻油脂、煤基甲醇與棕櫚油超臨界法、酶法催化等制備方法，昆明理工大學重點關注超臨界流體轉化、酯交換、高酸值油脂制備、酯交換制備、生物發酵耦合等方法上制備生物柴油以及相關的制備裝置。法國石油研究院的研究重點放在C07C67/03、C11C3/00、C11C3/00等，生物柴油用固體堿催化劑技術是由該研究院最早開發出來的，而且該生物柴油固體催化制備技術后來被Axens公司推向市場并商業化，還建成了Esterfip－H工藝裝置，這是世界上第一套固體催化工藝的工業化裝置。美國埃克森美孚的研究重點放在 C10G3/00、C10L1/02、C10L1/19等，較為關注用生物微藻來制備生物柴油，還和美國加州的合成基因公司合作，共同研發制備生物液體燃料。韓國能源研究所的研究放在C10L1/32、C10L1/08等，荷蘭殼牌的重點則在C10G3/00、C10L1/00、C10G3/06等，同樣重點放在運用生物海藻來制備生物柴油。

2.4 研發熱點分析

研發熱點是目前在生物柴油領域最為關注的要點領域，對各個研發機構的技術發展和創新有著重要的意義。

CiteSpace是一款可視化的文獻分析軟件，能夠對文獻信息進行聚類分析，發掘隱藏在文獻背后的內在聯系并以可視化方式表示出來，從而形成這些文獻所代表的學科或知識域的發展趨勢與動向，形成若干前沿研究領域的演進歷程［5］。將生物柴油3 376項專利數據經處理后導入CitespaceⅢ中，對數據當中的德溫特手工代碼共現后進行聚類，并對各個聚類以Log－likelihood Ratio(對數似然比) 算法命名，如圖5所示。圖5中聚類的序號是由聚類的大小降序排列的，因此cluster#0最大，該聚類以BIODIESEL(生物柴油) 進行標記，共有200個聚類成員，主要包含了通過產生脂肪酸分支醇酯降低溫度生產生物柴油、生產生物柴油過程添加新煅燒的催化劑、酯交換來制備生物柴油等生產生物柴油的制備方法。其次cluster#1是producing lipids(生產脂質) ，聚類成員主要包含生產脂質和酶、植物油的制備、生產藻類等有關于生物柴油原料的生產制備。cluster#2是reducingwater content(降低水分含量) ，該聚類的組成部分主要包括減少脂肪或廢棄油脂含水量、基于非均相固體堿催化劑的新甘油、加氫處理等關于生物柴油制備的工藝。cluster#3是dewaxing catalyst(脫蠟催化劑) ，主要的聚類成員包含了將生物燃料異構化或是脫蠟、氧化增加液態烴的數量、合成生物柴油的固體酸催化劑等有關生物柴油制備的化學反應過程。

圖5 德溫特手工代碼聚類圖譜

以德溫特手工代碼為關鍵詞，結合發明名稱中的突現詞繪制得到共有137個節點，480條連線的混合共現網絡，如圖6所示。圖6的每個圓圈代表一個德溫特手工代碼，每個小方塊代表一個突現詞，圓圈節點的大小和它出現的頻率成正比，圓圈越大表示出現的頻率越高，節點的顏色代表該手工代碼出現的時間，節點圓圈上彩色的年輪表示對應的時間范圍 (圖片上方的彩色條帶示出了不同年份所對應的顏色) ，其中有紫色外圈的節點是轉折點，節點年輪中出現紅色表示該手工代碼是明顯的熱點 (代表他們的出現頻次存在激增情況，即出現頻次曾經急速增加或仍在急速增加) 。

圖6 德溫特手工代碼 (MC) 聚類共現圖譜

從圖譜中來看，最大的節點是H06－B04A，分類含義是Biodiesel，表示氣體或液體燃料中的生物柴油，其次是D10 － B02，表 示 Chemical modification of fats，oils，fatty acids，即由動物或植物油制成的化學改性脂肪、油脂、脂肪酸，產品;再次是E10－G02E，表示Other aliphatic monoester，production，芳香族和脂肪族環 (僅單環或雙環) 脂肪酸單酯產品，這幾個手工代碼表達了從不同分類角度對生物柴油產品給出的分類位置。

而手工代碼H06－P節點為明顯熱點，將熱點節點的激增趨勢展開可以得到兩個手工代碼的激增情況趨勢圖7。其中手工代碼H09－F03(Municipal and agricultural waste treatment，市政和農業廢物處理) 的出現頻次在2010年達到最高，H06－P(Fuel preparation，氣體和液體燃料中的燃料制備，包括燃料的制造技術和裝置) 的出現頻次在2012年達到最高。(由于發明專利在公開之前有18個月的保密期，使得至檢索截止日 (2014年) 通過專利檢索系統獲得的專利公開數據不能準確代表2013－2014年的專利申請情況。) 由此，我們可以認為，驅動生物柴油領域專利申請目的，已經從單純地處理廢棄油脂將其變廢為寶，轉變為向農作物索要燃料來進行化石燃料替代。

圖7 H06－P的激增情況

圖8是排名前20名的最強引文激增的情況，整個時間段從2000－2014年。根據激增的情況，我們將整個時間劃分為4個段。2000－2004年為一個時間段，在這期間，德溫特手工代碼主要集中在E10－G02P(Production of ester) ，主要是相關于生物柴油制備的酯的產物，由此可見在這一時期生產酯是主要的研究方向;2004－2006年為一個時間段，主要集中的 MC代碼是 H04－E(Other petroleum processes) 、N07－K(Other chemical reactions) 、H06－B04A(Biodiesel) 、H04－F02E(Preparation/composition of catalysts for other petroleum processes) 、N07－E03(Transesterification，ether/acetal exchange) 、H04 － A(Petroleum processing－treating) 、E11－H01(Transesterification;ether/acetal) 、D10－A(Oils and fats，perfumes) 、N05－A(H，metal hydride/alkoxide，aryl－ oxide，alkyl，aryl－ coordination complex，organic compound catalyst) ，這些都是有關生物柴油的制備過程中的化學反應、催化劑、酯交換、油脂等較為集中的相關技術，這一期間，從最開始原料的生產加工上升到對反應過程的定位轉變;2006－2009年為一個時間段，主要集中在N07－D07(Esterification，O－acylation，anhydride formation) ，A12－W11K(Catalysts and supports(polymer use) ) ，是關于酯化和催化劑的手工分類代碼;2009－至今為一個時間段，主要集中在H06－P(Fuel preparation) 、E11－W(Environmentally friendly inventions(compositions/applications) ) 、H06－B07(Other liquid biofuels) 、H06－X01(Treatment of fuels) 、D05－H08(Cellor tissue culture) 、D05 －H06(Newly discovered，testing of，isolation of，identification of and detection of viruses and other) ，在這一期間，大多數的手工代碼是關于液體燃料的準備、處理，細胞培養等，這與第三代生物柴油的制備吻合，以藻類為原料，從藻細胞生物質中可以提取3種主要成分:油脂 (包括三酰甘油酯和脂肪酸) 、碳水化合物及蛋白質。油脂和碳水化合物是制備藻類生物質能源 (如汽油、生物柴油及航空燃料) 的前提。

圖8 排名前20名的最強引文激增的情況

2.5 專利引證分析

通過運用信息分析的方法對生物柴油領域的專利申請數據進行加工和處理，來判斷該領域的核心技術或是基礎專利，使得研究方向更加明確，以核心專利為基礎，進行更深層次的發明或是改進。

專利的引證信息可以用來識別孤立的或是活躍的專利，當專利被大量的在后申請的專利引用，那么則表明這些專利是影響力較大的專利，是活躍專利，具有很高的價值，反映了專利技術的重要程度。

表3 專利引證頻次排名

由表3看出，專利被引證頻次最高的專利是US20050106695，是由BERZIN ISAAC在2005年申請的發明，該發明是一個集成的燃燒和聚合物或燃料的一部分級油 (例如生物柴油) 的生產方法和系統，其中該光生物反應器內使用光合生物體被用于至少部分地去除包含燃燒氣體中某些污染物的化合物，如CO2和NOx，然后從光生物反應器收獲、處理并利用作為用于生成聚合物或有機分子含有副產物的來源 (如生物柴油) 或用作燃料源的燃燒裝置 (例如一個發電機或焚燒爐) 。該專利對于去除燃燒氣體并將此轉化成生物質燃料具有重大的意義。其次是專利號為US20060510148的專利申請，這是在2006年SUNSOURCE IND申請的，用于從藻類生產生物柴油的方法，裝置和系統，該系統包括各種機制在內流動的流體，如輥式機構，并且可以提供溫度調節用的流體條塊來調節太陽輻射或傳導放射的熱損失和增益的吸收。各種機制可被用于收集和處理藻類或藻類油轉化成生物柴油或是其他產品。排名第三的是EP20050014428，這是耐斯特石油公司在2005年申請的專利，該專利涉及一種用于從可再生來源的烴，如植物油和動物油，包括加氫處理步驟和異構化步驟的制造中的改進方法，是一種用于柴油范圍烴的生物油和脂肪的制造方法，該方法生產高品質的柴油組分，其中稀釋的新鮮進料在加氫處理步驟中，在具有降低的反應溫度的組合減少了不需要的副反應，提高了反應的選擇性，特別是當使用含有游離脂肪酸的原料。除此之外值得注意的是在前20名里，被引用的專利申請時間最近的是專利號為US201213400358的專利，這是美國 HERSKOWITZ MORDECHAY等申請人在2012年申請的從植物和動物油生產柴油燃料的專利。可見，如今的生物柴油的重點還是以植物或動物的油脂為原料進行的生產制備。

從表3中看出，大部分被引用頻次排名前20名的大部分都是來自美國的專利，可見，從技術方面，美國占據著該領域重大的比例，擁有著先進的制備生物柴油的技術，在該領域未來發展前景中有著很大的影響。相比中國來說，申請的專利數量雖然最多，但是在相關的技術方面稍稍落后于美國、日本、巴西等國家。

3 結論

生物柴油是替代化石能源的環保、清潔的生物液體燃料之一，本文從生物柴油的整體發展趨勢，全球的區域布局，專利權人分析，研發熱點分析，核心專利分析這五大方面進行專利的分析，從分析可以看出來，生物柴油領域的專利申請量基本呈逐漸走高的趨勢，這也意味著生物柴油領域有著很好的發展前景，各國都將生物柴油的研發看作重點。而且，各國在知識產權保護方面做的也很好，包括中國在內等國家知識產權的意識在逐步提升。在專利申請方面，中國遙遙領先于其他國家，但從技術的發展方面來看，中國雖然專利的申請量在世界范圍內占著很大比重，可是主要的核心專利基本上都是美國，日本，法國，英國等國家的專利申請，這也說明中國的研發能力有待加強，但不得不說的是，中國的改進開發能力很強，能夠借鑒他國技術，在本領域的研發上繼續加強。從專利的申請人上來看，國內的中國石化集團、清華大學、昆明理工大學、北京化工大學的專利申請都居前位，可見中國在生物柴油領域有著很強的研發團隊，而且絕大部分都是高等院校的研發力量，而國外比較靠前的專利申請人基本上都是各個歸屬國家的石油機構，比如法國石油研究院、韓國能源研究所、巴西國家石油公司、英國石油公司等，研發的技術力量基本上有國家強有力的政策和資源的支持，在研發方面有很強的后盾基礎。中國同樣需要強大的政策支持及資金的保障來促進我國在生物柴油領域的進一步發展。

近年來，第三代生物柴油的研發逐漸跟進，即以非油脂類生物質或微生物油脂為原料的生物柴油制備，但是我國通過生物質氣制備生物柴油反面還處于初級階段，專利申請數量方面并不是很多，在原料和技術方面還不是很完備。目前，大多數的國家生物柴油的制備工藝從檢索到專利分析可見，還是集中在酯交換方法和生物酶法上，加氫法制備工藝作為最新的制備方法，因為原料適用性強，生產成本較低等優點，引起了各國的高度重視［8］。

［1］Ayhan Demirbas.Progress and recent trends in biodiesel fuels［J］.Energy Conversion and Management，2008.

［2］趙宗保，等.中國如何突破生物柴油產業的原料瓶頸［J］.中國生物工程雜志，2005，25(11) :6－11.

［3］閔恩澤，姚志龍.近年生物柴油產業的發展——特色，困境和對策［J］.化學進展，2007，19(7) :1050－1059.

［4］Chen C.Searching for intellectual turning points:Progressive knowledge domain visualization［J］.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2004，101(1) :5303－5310.

［5］陳玉光，丁 ，劉盛博.基于CiteSpaceⅡ的專利知識可視化的實現機制及其應用［J］.情報學報，2010，29(4) :663－670.

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