基于专利分析的纤维素乙醇发酵的研究进展

高 赟

国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心 广州市黄埔区九龙镇中新广州知识城南起步区 510000

引言

随着化石能源的日益枯竭和全球环境问题的日益突出，可再生能源燃料乙醇的开发利用成为世界各国研究的热点。木质纤维素来源广泛，种类繁多，年产量巨大，是一种廉价的可再生资源，其综合利用既可带来经济效益，又能够减少因焚烧等引起的环境污染。

木质纤维素是一个超分子功能结构聚集体，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成[1]。木质纤维素生产燃料乙醇需要经历原料预处理、酶解、发酵三个关键步骤。我国关于纤维素乙醇发酵技术的专利申请量虽然从2013年开始迅猛增长，但是杜邦、希乐克、诺维信等公司在该领域有较多的专利申请，专利布局都比较完善，在行业竞争中处于绝对的优势地位[2]。本文选取纤维素乙醇生产工艺中原料预处理、酶解、发酵以及基因工程菌四个方面，分析我国纤维素乙醇发酵的专利技术现状，以期为该项技术的研究方向和产业发展提供帮助。

一、标题国内专利技术现状

1.1 原料预处理 预处理的目的是去除或破坏植物细胞壁中的半纤维素和木质素，改变纤维素的表面结构，增加酶对纤维素的有效接触，提高纤维素的酶解效率[1]。目前常用的预处理方法包括碱预处理，酸预处理、蒸汽爆破预处理、液体热水预处理、离子液预处理、甘油预处理等，例如专利CN104862344A公开了采用甘油有机溶剂预处理农业生物质废弃物能够实现浓醪发酵，纤维素乙醇转化率可达到70%以上。此外，将多种预处理方法联用能够显著提高纤维素的降解效率，例如专利CN106011183A公开了蒸汽爆破和氧化钙结合预处理芦苇，可以将原料中98%的纤维素转化成葡萄糖。

1.2 酶解 尽管经过预处理后的木质纤维素，纤维素与酶的可及性增强，但是酶水解反应时间仍然较长，容易染菌。为了提高纤维素酶的水解效率，可以在经过预处理的木质纤维素中加入溶菌酶(例如专利CN103981235A)降低纤维素酶的无效吸附失活。专利CN105671088A还公开了在纤维素酶催化纤维素水解时加入表面活性剂，通过竞争性结合木质素，降低木质素对纤维素酶的吸附作用，从而进一步提高酶解糖化效率。

1.3 发酵 发酵方法的研究主要以分别水解发酵工艺和同步糖化发酵工艺为主。根据研究内容与专利申请量分析可以发现，我国领域研究者对于同步糖化发酵工艺一直处于不断进步的状态。为了解决纤维素乙醇浓醪发酵乙醇效率低的技术问题，专利CN105838743A公开了一种分批补料半同步糖化浓醪发酵乙醇的方法，可同时实现纤维素乙醇发酵的高浓度(＞60g/L)、高生产效率(＞2g/(L·h))的双重指标。

1.4 基因工程菌 通过对相关专利发展的研究可以发现，为了提高纤维素乙醇发酵的产率，除了对纤维素乙醇发酵的三个关键工艺步骤进行研究，而且对于能代谢五碳糖和六碳糖产乙醇的基因重组菌的研究也有很大的进展。例如专利CN103289908A和CN109609540A公开的重组酿酒酵母菌株可同时高效代谢葡萄糖和阿拉伯糖的能力，专利CN110042067A公开的重组酿酒酵母菌株大幅提高木糖的利用，从而促进了乙醇得率的提高。

二、结语

从以上专利分析可以看出，目前对于纤维素乙醇发酵的研究主要集中在原料预处理、酶解、发酵和基因工程菌几个方面，均是以提高乙醇产率为目标的。国内研究者应在关键性技术方面进行寻求突破并合理专利布局，以提高行业竞争力。