基于專利分析的纖維素乙醇發酵的研究進展

高 赟

國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心 廣州市黃埔區九龍鎮中新廣州知識城南起步區 510000

引言

隨著化石能源的日益枯竭和全球環境問題的日益突出，可再生能源燃料乙醇的開發利用成為世界各國研究的熱點。木質纖維素來源廣泛，種類繁多，年產量巨大，是一種廉價的可再生資源，其綜合利用既可帶來經濟效益，又能夠減少因焚燒等引起的環境污染。

木質纖維素是一個超分子功能結構聚集體，主要由纖維素、半纖維素和木質素組成[1]。木質纖維素生產燃料乙醇需要經歷原料預處理、酶解、發酵三個關鍵步驟。我國關于纖維素乙醇發酵技術的專利申請量雖然從2013年開始迅猛增長，但是杜邦、希樂克、諾維信等公司在該領域有較多的專利申請，專利布局都比較完善，在行業競爭中處于絕對的優勢地位[2]。本文選取纖維素乙醇生產工藝中原料預處理、酶解、發酵以及基因工程菌四個方面，分析我國纖維素乙醇發酵的專利技術現狀，以期為該項技術的研究方向和產業發展提供幫助。

一、標題國內專利技術現狀

1.1 原料預處理 預處理的目的是去除或破壞植物細胞壁中的半纖維素和木質素，改變纖維素的表面結構，增加酶對纖維素的有效接觸，提高纖維素的酶解效率[1]。目前常用的預處理方法包括堿預處理，酸預處理、蒸汽爆破預處理、液體熱水預處理、離子液預處理、甘油預處理等，例如專利CN104862344A公開了采用甘油有機溶劑預處理農業生物質廢棄物能夠實現濃醪發酵，纖維素乙醇轉化率可達到70%以上。此外，將多種預處理方法聯用能夠顯著提高纖維素的降解效率，例如專利CN106011183A公開了蒸汽爆破和氧化鈣結合預處理蘆葦，可以將原料中98%的纖維素轉化成葡萄糖。

1.2 酶解 盡管經過預處理后的木質纖維素，纖維素與酶的可及性增強，但是酶水解反應時間仍然較長，容易染菌。為了提高纖維素酶的水解效率，可以在經過預處理的木質纖維素中加入溶菌酶(例如專利CN103981235A)降低纖維素酶的無效吸附失活。專利CN105671088A還公開了在纖維素酶催化纖維素水解時加入表面活性劑，通過競爭性結合木質素，降低木質素對纖維素酶的吸附作用，從而進一步提高酶解糖化效率。

1.3 發酵 發酵方法的研究主要以分別水解發酵工藝和同步糖化發酵工藝為主。根據研究內容與專利申請量分析可以發現，我國領域研究者對于同步糖化發酵工藝一直處于不斷進步的狀態。為了解決纖維素乙醇濃醪發酵乙醇效率低的技術問題，專利CN105838743A公開了一種分批補料半同步糖化濃醪發酵乙醇的方法，可同時實現纖維素乙醇發酵的高濃度(＞60g/L)、高生產效率(＞2g/(L·h))的雙重指標。

1.4 基因工程菌 通過對相關專利發展的研究可以發現，為了提高纖維素乙醇發酵的產率，除了對纖維素乙醇發酵的三個關鍵工藝步驟進行研究，而且對于能代謝五碳糖和六碳糖產乙醇的基因重組菌的研究也有很大的進展。例如專利CN103289908A和CN109609540A公開的重組釀酒酵母菌株可同時高效代謝葡萄糖和阿拉伯糖的能力，專利CN110042067A公開的重組釀酒酵母菌株大幅提高木糖的利用，從而促進了乙醇得率的提高。

二、結語

從以上專利分析可以看出，目前對于纖維素乙醇發酵的研究主要集中在原料預處理、酶解、發酵和基因工程菌幾個方面，均是以提高乙醇產率為目標的。國內研究者應在關鍵性技術方面進行尋求突破并合理專利布局，以提高行業競爭力。