生物固碳藻類培養工藝專利分析

（國家知識產權局專利局專利審查協作天津中心，天津 300300）

摘要：“雙碳”背景下，藻類固碳技術成為當前最重要、最有效的綠色固碳手段之一，其中藻類培養工藝是其核心技術。以藻類培養工藝專利技術為研究對象，對該領域專利進行分析。研究有助于了解藻類培養工藝在生物固碳方面的專利布局，并為藻類在固碳方面的產業化發展提供參考。

關鍵詞：藻類;固碳;培養工藝;專利分析

藻類等光合固碳生物通過光合作用的暗反應（卡爾文循環）可以將無機碳化合物轉化為有機碳化合物。微藻是高效的光合固碳生物，在微藻生物質中碳約占50%，1 t微藻可固定CO2約1.83 t。因此，藻類固碳技術被認為是目前最重要、最有效的生物固碳方法之一。同時微藻自身或者代謝產物具有一定的經濟價值，所以藻類在廢水處理、生產保健食品、藥物等方面有著廣泛的應用。隨著大規模生產生物柴油的出現，藻類因其在不利生長條件下可以大量積累脂質的能力而備受關注，而藻類培養工藝是影響藻類生長的重要因素。

1數據來源

本文以incopat作為專利檢索數據庫，結合藻類培養、固碳相關概念確定分類號和關鍵詞，對2024年4月30日前公開的專利申請進行了檢索，去噪后獲得1 181篇專利（簡單同族以一篇專利為代表），隨后對藻類固碳技術專利情況進行了分析。由于專利從申請到公開有18個月的滯后期，檢索日期前18個月的數據并非完整的全年數據，僅供參考。

2專利申請態勢

2.1整體情況

從藻類培養工藝的全球專利申請總體趨勢來看，2008年之前處于研發初期，盡管數量較少，但每年都會保持著相對穩定的數值。自2008年以后，受到能源危機和環保壓力的影響，作為生物固碳的主要技術分支，藻類培養工藝專利的發展進入了發展黃金期，專利數量呈階梯式快速增長。受疫情影響，2019—2022年發展漸緩，2023年后出現一個明顯的回升趨勢。

2.2申請國別分布和申請人分析

從專利申請量的國別分布數據（中國53%，美國12%，韓國9%，日本9%，巴西3%，德國2%，澳大利亞2%，其他10%）可以看出，藻類培養工藝的申請以國內申請為主，占比達53%，申請量較高的國家為美國、日本和韓國。但同時需要注意，與其他多數技術領域有所不同，我國固碳領域藻類培養工藝專利在數量上并未占據絕對優勢，國外相關的研發也占據了較高的份額，除幾大國外，其他國家仍占有高達17%的比例，說明在全球，利用藻類進行生物固碳都是研究熱點。國內主要申請人為中國科學院、中國石油化工有限公司、新奧科技發展有限公司，其中，中國石化科學研究院微藻生物技術研發團隊瞄準微藻高值化利用的方向開展了深入研究，開發了涉及優良藻種選育、微藻規模養殖、采收加工到微藻生物質利用的全產業鏈成套技術。國內其他申請量較高的申請人以高校為主，集中于藻類培養的實驗室研究階段［1］。

3藻類固碳培養工藝專利情況

對藻類培養工藝專利進行人工閱讀標引后可以看出，我國藻類培養工藝方面的研究熱點集中于通過營養供給的手段縮短藻類生長周期以及提高藻類產品附加值，簡化工藝方面的研究內容較少。但是，相關專利申請數量多于其他國家，并且在如何簡化工藝方面的專利申請優勢明顯，其余方面專利申請數量差別不大。

3.1營養供給

適當濃度的氮、磷、鉀、微量元素以及調節各營養物質的最佳比例能夠促進藻類的快速生長和CO2的高效固定。因此，技術研究重點多集中于確定培養液的最佳組成。例如，羅蓋特公司提供了一種微藻的無菌培養方法，向培養基中添加適量磷酸鉀鹽、硫酸銨鹽、鎂鹽、鈣鹽、鐵鹽以及有機碳源，在鼓入空氣條件下進行培養，以此加快藻類生長繁殖。青島科技大學提供了一種原多甲藻的培養基與培養方法，該方法給出了原多甲藻培養基的最適營養鹽配方，可提高原多甲藻毒素產量并降低養殖成本。同時，為了進一步降低成本，部分專利申請將諸如污水、煙氣、農業廢棄物等含有微藻生長的大部分營養元素物質作為微藻生長的營養來源。清華大學提供了一種利用秸稈纖維水解液培養微藻的方法，其以農業秸稈纖維水解液為基質，用于培養具備異養能力的蛋白核小球藻和普通小球藻，該方法所得藻液濃度高、藻細胞生長速度快，可為微藻生物質產品的生產提供廉價的生物質原料，降低生產成本，產出的微藻生物質滿足不同用途的使用要求，且實現了對秸稈廢棄物資源的有效回收利用。

3.2CO2利用策略

由于CO2利用策略會影響CO2在藻液中的溶解量，從而影響微藻的生長及CO2固定效率，進而影響到藻類培養的生產成本，因此，研究重點多在如何提高CO2的溶解量上。例如，Mehran Parsheh等提供一種藻類培養池，如CO2擴散器，該擴散器可以設置為類似文丘里管的結構，以此將CO2與藻體培養液充分混合，提高CO2的溶解量，使其更易被微藻吸收，以此提高了微藻生長速度和微藻固碳效果;北海生巴達生物科技有限公司提供了一種增加微藻培養用水CO2溶解度的方法，其采用抽水泵將微藻培養槽中的污水抽入高濃度氣體溶解裝置中，同時向高濃度氣體溶解裝置中通入CO2，通過控制所述高濃度氣體溶解裝置使CO2均勻溶解于污水中獲得高CO2水，然后通過所述高濃度氣體溶解裝置的排水孔將高CO2回放至微藻培養槽中。上述方法能提高水中無機CO2濃度，降低原生動物污染機會，抑制氨氮病原菌，降低微藻死亡率，促進微藻生長，增加微藻產量，提高微藻品質，CO2溶于水的過程為無氣泡溶解，避免損傷藻類，提高微藻培養純度，降低微藻培養成本。

3.3光管理

光是影響藻類生長的最重要因素，它不僅為藻類生長提供能量，還作為信號分子調控細胞中多種代謝產物的生物合成。因此，光照強度和光質選擇始終是研究熱點。例如，中國農業大學提供了一種利用深色度沼液培養微藻的方法。該方法基于光衰減模型確定光生物反應器內平均光強與入射光強的變化關系，依據上述變化關系在培養微藻過程中動態調節入射光強，以保證所述平均光強滿足微藻生長需求。該方法使平均光強維持在微藻生長的適宜范圍內，從而促進微藻的生長。Richard Redpath提供了一種用于刺激藻類生長的方法，該方法階段性調整激光燈波長的比率和類型，在藻類的萌發初期使用單個藍色激光燈，接著使用兩個激光燈，一個藍色，一個紅色，以這種方式減少激光燈的布置面積，刺激藻類生長，消耗更少的能量來生產生物制品。

3.4營養方式優化

藻類的營養方式主要包括光自養、混養和異養。其中，藻類在光自養和混養時可以進行光合作用，從而將CO2固定下來產生藻油等生物制品。但是藻類在這兩種培養模式下很難實現超高細胞密度生長（生物量超過200 g/L），而異養則需要利用有機碳源進行發酵，并在短時間內達到較高的細胞密度。因此，如何結合3者的優點是培養方式優化的主要研究內容。例如William McCaffrey等提供了一種生產藻類產品的方法，包括在第一異養或光異養生長條件下生長藻類，以增加藻類細胞分裂的速率和藻類細胞數，之后在第二自養生長條件下吸收CO2以產生藻類產物，其中在第二生長條件下藻細胞數沒有顯著變化。高麗大學校產學協力團提供了一種通過自養和異養培養容器連接培養的方法。在自養模式下，培養基為TAPC培養基；在異養模式和混合營養模式下，將葡萄糖或乙酸以5 g/L加入TAPC中以用作有機碳源。自養模式下，微藻產生氧氣供給至異養模式產生的CO2，異養模式下則相反，上述氣體交換在增加生物產量方面起到了重要作用［2］。

4核心專利分析

對綜合藻類培養工藝技術進行路線分析，結合專利被引用次數、法律狀態，篩選出需要注意規避知識產權風險的國外來華專利、已失效的可參考專利和現階段的研究熱點專利，得到核心專利7篇，分別為有效專利US20080155890A1、FR2924126A1、CN103805514A、CN102154110A，失效專利US20130040380A1、US3468057A、US3444647A。

在上述核心專利中，探究其多級引證關系，能夠進一步獲得相關技術發展路徑。以被引證次數最高、維持年限較長的US20080155890A1為例，其提供了一種藻類培養裝置，通過設置不同透光度的蓋板，實現藻類培養液在不同光照條件下生長;一級引證文獻US20090126265A1同樣涉及一種藻類培養裝置及培養方法，在前述藻類培養裝置的基礎上測量光照強度，通過實際光照強度調整通入的二氧化碳量;二級引證文獻US20100183744A1則是在前述技術方案的基礎上，通過調節進水鹽度和溫度以保持優勢藻種的最佳生長條件;三級引證文獻US8752329B2利用循環跑道式藻類培養池進一步提高二氧化碳利用率;四級引證文獻US20150250113A1屬于自動化控制領域，通過采集藻類培養過程中的環境因素進而自動化控制進水營養成分和二氧化碳濃度、光照強度等因素。通過對相關專利文獻的引用關系梳理，可以獲悉相關技術發展路徑，為下一步研發提供基礎。

整體而言，藻類固碳培養工藝路線較為成熟，中外企業、科研院校等對其工藝全流程各步驟的工藝都已進行了較為深入的研究。我國由于起步較晚，對于國內各創新主體而言，在規避知識產權風險的基礎上，可結合重點專利技術和核心專利技術，積極參考借鑒成熟技術，探索進一步的發展［3］。

5總結與建議

藻類在生物固碳領域具有廣闊的應用前景，而藻類培養工藝是藻類實現高效固碳的核心技術。對藻類固碳培養工藝專利申請發展趨勢、申請區域分布情況等進行了整體分析，介紹了營養供給、CO2利用策略、光管理和營養方式優化等關鍵技術手段的專利情況。基于上述分析內容，提出如下幾點建議：

（1） 國內創新主體可持續關注藻類固碳培養工藝的研究熱點（縮短生長周期、提高產品附加值），進一步推進在營養供給方面的已有研究，并積極探索在CO2利用策略、光管理、培養方式優化方面的相關技術。

（2） 由于國外藻類培養工藝在如何簡化工藝方面專利布局程度不足，我國創新主體可結合自身技術優勢，積極研究如何簡化工藝并針對此方面進行全球專利布局;在縮短生長周期和提高產品附加值方面，國外研發路徑和專利數量與我國大體相同，我國創新主體向海外布局時，需注意規避美國、韓國、日本相關技術的知識產權風險。

（3） 利用廢水、廢氣培養藻類從而實現廢物資源化在國外起步較早，技術工藝較為成熟，我國申請主體可以參考已有技術，在規避知識產權風險的基礎上，結合重點專利技術和核心專利技術，梳理各關鍵技術的發展路徑，探索進一步發展。

參考文獻：

［1］王磊，吳海燕，李清云，等.原多甲藻的培養基與培養方法：中國，106635815A［P］.20170510.

［2］張瑋瑲，薛命雄，李玉芬，等.一種增加微藻培養用水CO2溶解度的方法：中國，109355191A［P］.20190219.

［3］盧海鳳，陳朝睿，趙芮晗，等.一種利用深色度沼液培養微藻的方法：中國，114045220A［P］.20220215.

作者簡介：張艷穩，女，河北唐山人，副研究員，碩士，研究方向：專利審查和知識產權服務。