Iogen公司的纤维素乙醇专利分析20081215

Iogen公司的纤维素乙醇专利分析

编者按：Iogen公司（Iogen Corporation）拥有世界上最先进的纤维系乙醇制造技术（EcoEthanol TM），该公司的核心生产工艺主要由原料的预处理、合成酶、酶水解和乙醇发酵等四部分组成。本文以Derwent Innovations Index数据库为数据源，通过模型的建立对Iogen公司的纤维素乙醇专利发展态势进行分析。

1 Iogen公司及其纤维素乙醇研发概况

Iogen公司（Iogen Corporation）创建于20世纪70年代，位于安大略省（Ontario）的渥太华（Ottawa），是加拿大一流的私营生物技术企业之一。Iogen公司拥有世界上最先进的纤维系乙醇制造技术（EcoEthanol TM），以及造纸、纺织和畜牧饲料的工业用酶制造技术，尤其是在原料预处理、酶技术和发酵工艺方面占据领先地位。核心的酶技术包括蛋白质工程、酶表达、发酵工程、酶制剂、酶应用工程以及酶促反应操作等。目前，大多数的酶产品用于造纸、纺织品和饲料工业，但其纤维素酶生产线已经开始为纤维素乙醇示范工厂提供酶制剂。Iogen公司的核心生产工艺主要由原料的预处理、合成酶、酶水解和乙醇发酵等四部分组成。

第一步是预处理。通过其专有的改性蒸汽爆破（Modified steam explosion）工艺来进行原料的预处理，对纤维表面进行处理，将纤维切短，以增加表面积，使纤维素酶可与纤维素充分接触，以提高水解过程中酶的利用效率。该公司的主要生产原料有玉米秸秆、柳枝稷、芒草、麦秸、甘蔗渣和硬质木屑等。

第二步是合成酶。利用经基因工程技术优选的产酶菌种——里氏木霉（Trichoderma reesei）来获得高效水解用酶。

第三步是酶水解。将植物纤维中所含的纤维素转化为葡萄糖。Iogen公司采用分步工艺，分别进行水解和发酵过程。水解完成后，将剩余的木质素过滤，液体糖分送到乙醇发酵工序。

第四步是乙醇发酵，即把糖转化为乙醇的过程。Iogen公司拥有普渡大学（Purdue University）研发的重组酵母菌424A(LNH-ST) 的非独家使用权，能够高效地将玉米秆、木屑及硬纸板中木糖转化为乙醇，而且操作比较简单。最后通过传统技术蒸馏得到燃料级乙醇。

2Iogen公司的纤维素乙醇专利分析

截至2008年11月底，Iogen公司申请后已公开的纤维素乙醇专利族为21件，这些专利主要集中于纤维素乙醇的预处理和酶水解工艺领域（图1，表1）。结合Iogen公司在纤维素乙醇生产领域的EcoEthanol TM技术表明，预处理和酶水解工艺是纤维素乙醇生产发展的核心。在这两个环节中，Iogen公司的专利分布也给这一领域的研发人员提供了很好的提示：

（1）反应器的发展与预处理工艺进步相结合。从背景上看，目前，低温二段式浓酸水解工艺是当前酸水解法较先进的工艺，分为预水解和水解两步，整个过程连续损伤。由于较易水解的半纤维素和较难水解的纤维素分别在不同条件下分两次水解，水解温度又都较低，水解反应中的副产物浓度都很低，因而糖得率提高。浓酸预处理纤维原料的研究多在近几年，而且数量较少，说明该研究正处于早期阶段。在碱处理中，软木纤维的碱预处理往往与蒸汽爆破联用(64%的软木纤维预处理研究中涉及到蒸汽爆破)，而碱处理的作用主要是增加蒸汽爆破产物的酶解效率。在草本纤维的处理中，除利用湿氧化法和氨纤维爆破法分别处理小麦秸杆和玉米秸杆外，应用较多的还有氨回收过滤法(Ammonia recycled percolation，ARP)处理玉米穗轴/杆混合物等。氨处理的优点是条件比较温和，所需设备简单，试剂易于回收循环利用，对纤维素及半纤维素破坏较小，纤维素原料中所含对发酵不利的乙酞基在氨处理时将被除去，不会产生对后续发酵不利的副产物，缺点是成本相对较高。但是，除蒸汽和稀酸预处理外，在Iogen公司在具体的预处理领域的专利技术并不多，其重点主要分布在反应器的设计上。这说明，反应器的设计发展是纤维素乙醇生产中预处理工艺水平进步的基本要求。

（2）水解酶的综合利用。在纤维素和半纤维素等成分消解成葡萄糖或木糖等过程，以及葡萄糖和五碳糖的发酵过程中，酶的综合利用是技术发展的核心。目前，与分步糖化发酵法(SHF)相比，同步糖化发酵法（SSF）将酶水解和乙醇发酵结合起来，在同一发酵罐中进行，使发酵罐内的纤维素水解速度远低于葡萄糖消耗速度，为将糖转化成乙醇会为动力学方面创造有利条件，并提高了纤维素酶的效率。这意味着酶复合物的综合利用格外重要。在这一领域，Iogen公司在酶的遗传工程改造方面的专利技术较少，却在纤维生物水解酶(CBH)、葡聚糖内切酶(EG)以及β-葡萄糖苷酶的综合利用领域所拥有的专利技术却较多。这说明，在工业生产应用中，多种酶的高效综合利用对于SSF等工艺的发展至关重要。

（3）分离技术和回收技术的发展。目前，纤维素乙醇的生产成本仍然相对偏高，提高生产效率、降低成本是技术发展的必然要求。除预处理反应器的设计中考虑水解产物等的分离工艺外，离子排斥色谱分离等专利技术的应用也体现了Iogen公司在纤维素乙醇的分离工艺方面的研究成果。另一方面，Iogen公司拥有无机盐、有机酸/盐回收工艺，以及硫酸和氨回收工艺的专利技术，且这些技术在多国申请。这说明，分离和回收这些“辅助”技术也是纤维素乙醇生产发展的必要条件。

图1 Iogen 公司的纤维素乙醇专利分析

酶生产

表1Iogen公司的纤维素乙醇专利

主题专利号（专利族）专利名称申请人

水解酶组合物WO2007147263-A1 New enzyme composition comprises cellulase enzymes,

beta-glucosidase enzyme, and binding agent, useful for enzymatic

hydrolysis of cellulose to produce a hydrolysis product comprising

glucose from pretreated lignocellulosic feedstock

TOLAN J S;

WHITE T;

TOMASHEK J

无机盐回收BR200604378-A Method for recovery of inorganic salt for processing lignocellulosic

raw material, involves pre-processing of lignocellulosic raw material by

adding acid or base for raw material to produce pre-treated

lignocellulosic raw material

-

水解酶组合物WO2007147264-A1;

WO2007147264-A8

New enzyme composition comprises cellulase enzymes,

beta-glucosidase enzyme, and binding agent, useful for enzymatic

hydrolysis of cellulose to produce a hydrolysis product comprising

glucose from pretreated lignocellulosic feedstock

TOLAN J; WHITE

T; TOMASHEK J;

TOLAN J S

有机酸/盐回收WO2008019468-A1;

US2008041366-A1

Process for obtaining organic salt/organic acid from aqueous sugar

stream of mineral acid, organic acid, and sugar involves introducing

aqueous sugar stream to separation system of bed of anion exchange

resin; regenerating and recovery step

WAHNON D

无机盐回收 US2008102502-A1;

CA2565433-A1;

AU2006233172-A1 Recovering of inorganic salt during processing of lignocellulosic

feedstock involves pretreating feedstock by adding soluble base; adding

acid; hydrolyzing feedstock to sugar stream and hydrolyzed feedstock;

and recovering inorganic salt

FOODY B;

TOLAN J S;

RAHME Z;

ANAND V

硫酸和氨回收WO2008025166-A1;

US2008056983-A1

Production of ammonia and sulfuric acid involves heating stream

comprising ammonium sulfate to produce ammonia and decomposition

product comprising sulfate salt; recovering ammonia; adding water;

separating sulfate salt from sulfuric acid

CURREN M;

FOODY B;

TOLAN J S;

TOLAN J

纤维生物水解酶(CBH)和葡聚糖内切酶(EG) WO2008025165-A1;

US2008057541-A1;

WO2008025165-A8

Enzymatic hydrolysis of pretreated lignocellulosic feedstock to soluble

sugars by adding cellulase enzyme mixture comprising

cellobiohydrolases and endoglucanases to pretreated lignocellulosic

feedstock

HILL C; SCOTT B

R; TOMASHEK J

木质纤维连续处理WO2006128304-A1;

EP1885864-A1;

Continuous processing of lignocellulosic feedstock, involves

pre-treating feedstock at elevated pressure, treating pretreated feedstock

FOODY B;

TOLAN J S;