基于專利分析的纖維素乙醇發(fā)酵的研究進(jìn)展

高 赟

國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心 廣州市黃埔區(qū)九龍鎮(zhèn)中新廣州知識城南起步區(qū) 510000

引言

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

木質(zhì)纖維素是一個超分子功能結(jié)構(gòu)聚集體，主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成[1]。木質(zhì)纖維素生產(chǎn)燃料乙醇需要經(jīng)歷原料預(yù)處理、酶解、發(fā)酵三個關(guān)鍵步驟。我國關(guān)于纖維素乙醇發(fā)酵技術(shù)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(lǐng)域有較多的專利申請，專利布局都比較完善，在行業(yè)競爭中處于絕對的優(yōu)勢地位[2]。本文選取纖維素乙醇生產(chǎn)工藝中原料預(yù)處理、酶解、發(fā)酵以及基因工程菌四個方面，分析我國纖維素乙醇發(fā)酵的專利技術(shù)現(xiàn)狀，以期為該項(xiàng)技術(shù)的研究方向和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供幫助。

一、標(biāo)題國內(nèi)專利技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 原料預(yù)處理 預(yù)處理的目的是去除或破壞植物細(xì)胞壁中的半纖維素和木質(zhì)素，改變纖維素的表面結(jié)構(gòu)，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(yù)處理方法包括堿預(yù)處理，酸預(yù)處理、蒸汽爆破預(yù)處理、液體熱水預(yù)處理、離子液預(yù)處理、甘油預(yù)處理等，例如專利CN104862344A公開了采用甘油有機(jī)溶劑預(yù)處理農(nóng)業(yè)生物質(zhì)廢棄物能夠?qū)崿F(xiàn)濃醪發(fā)酵，纖維素乙醇轉(zhuǎn)化率可達(dá)到70%以上。此外，將多種預(yù)處理方法聯(lián)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(jié)合預(yù)處理蘆葦，可以將原料中98%的纖維素轉(zhuǎn)化成葡萄糖。

1.2 酶解 盡管經(jīng)過預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素，纖維素與酶的可及性增強(qiáng)，但是酶水解反應(yīng)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(jīng)過預(yù)處理的木質(zhì)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(jié)合木質(zhì)素，降低木質(zhì)素對纖維素酶的吸附作用，從而進(jìn)一步提高酶解糖化效率。

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

1.4 基因工程菌 通過對相關(guān)專利發(fā)展的研究可以發(fā)現(xiàn)，為了提高纖維素乙醇發(fā)酵的產(chǎn)率，除了對纖維素乙醇發(fā)酵的三個關(guān)鍵工藝步驟進(jìn)行研究，而且對于能代謝五碳糖和六碳糖產(chǎn)乙醇的基因重組菌的研究也有很大的進(jìn)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(jìn)了乙醇得率的提高。

二、結(jié)語

從以上專利分析可以看出，目前對于纖維素乙醇發(fā)酵的研究主要集中在原料預(yù)處理、酶解、發(fā)酵和基因工程菌幾個方面，均是以提高乙醇產(chǎn)率為目標(biāo)的。國內(nèi)研究者應(yīng)在關(guān)鍵性技術(shù)方面進(jìn)行尋求突破并合理專利布局，以提高行業(yè)競爭力。