基于Innography平臺的生物修復技術專利分析

馮爍, 李紅娜, 宋婷婷, 顏蒙蒙, 李路瑤, 朱昌雄

中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所

隨著人口增長、經濟快速發展及城鎮化進程的推進，大量污染物進入環境中，當超過環境的自我恢復能力時，會出現環境污染現象[1]。生物修復技術是利用培育的植物或培養接種的微生物的生命活動，對污染物進行轉移、轉化與降解作用，從而使污染物得到凈化[2]。與物理、化學等技術相比，生物修復技術具有成本低、簡潔高效、對環境影響小等特點，因而成為環境污染修復技術領域的研究熱點[3-4]。

近年來，越來越多的企業和科研院所開始重視專利分析的價值。通過專利分析，可以幫助制定正確的科研創新方向，避免科研重復，以便集中力量開展特定領域的科技研發。Innography是Pro Quest Dialog公司旗下最新的專利檢索與分析平臺，其收錄來自90多個國家和地區，超過 8 000 萬件的同族專利、法律狀態和專利全文[7-8]。通過Innography獨有的專利強度指標可以判斷專利價值，其中氣泡圖分析可以反映專利申請人的經濟實力和技術綜合實力，根據聚類分析還可以實現相關技術領域的專利分析，為科研和開發工作的高效開展提供幫助[5-6]。如汪麗婭[9]利用Innography平臺搜索了廢水處理技術領域的專利情報，分析了我國廢水處理技術與美國、日本等發達國家之間的異同點；陳蔚麗[7]從專利的年度發展趨勢、專利權人、專利技術熱點和核心專利等方面，分析了全球固體廢物綜合利用技術情況及中國、日本、美國等技術重點國的詳細情況；孫秀良等[10]對全世界生物質能源專利進行了分析，揭示了生物質能源領域的專利布局、技術來源、主題分布、競爭態勢、發展趨勢等，進一步挖掘了核心專利，并剖析了我國的專利現狀；Saini等[11]對地下污染物，特別是石油碳氫化合物的污染專利進行了研究和分析，特別是對利用生物修復和電動力學對地下水環境進行修復等方面的專利進行了分析整合；Dhar等[12]針對厭氧條件下PAHs的微生物降解等專利進行研究，為環境中PAHs的降解提供重要依據和有效手段；劉小平等[8]針對青蒿素類和抗抑郁藥物的技術專利情報進行了分析，提出全球青蒿素類藥物研發正處于快速發展時期，中國擁有該領域大量專利，但絕大多數核心專利均掌握在美國等西方國家手中。目前鮮見作為解決土壤、水體(包括地下水)、海灘的污染治理以及固體廢物處理的主要途徑之一的生物修復技術專利分析的研究報道。為了探索國內生物修復領域新技術、新方法的研究熱點和方向，筆者以Innography平臺為基礎，開展以生物修復為主題的技術專利評價，掌握該領域相關技術的發展現狀和未來趨勢，以期為我國環境修復工作提供研究思路和理論指導。

1 數據來源與研究方法

數據來自Innography專利檢索與分析平臺，檢索時間為2020年12月30日，檢索式為@(abstract, claims, title) (bio remediation or bioremediation)。由于從專利申請到公開有18個月的滯后期，因此截至檢索日還存在大量未公開的專利，故通過引用文獻對近3年的研究內容和論點進行補足。共檢索到 1 656 件專利，來自804個組織機構。對這些專利進行數據清洗、同族擴增處理后，得到 1 125 件專利。其中，授權專利693件，授權專利中的有效專利(截至檢索日，已經授權且仍處于維持狀態的專利)為608件。

采用Excel軟件對數據進行分析，通過專利申請數量變化、專利第一申請人所屬國家/地區、專利技術應用國、國際專利分類法(IPC)分類、專利申請人、來源區域以及競爭態勢等分析，得到生物修復相關技術在中國以及全球的專利發展情況。

2 全球生物修復技術專利分析

2.1 專利數量變化趨勢

不同國家/地區生物修復技術專利申請數量存在著很大的差異。全球生物修復技術專利申請數量從1972年的1件逐漸上升到2020年的129件，頂峰出現在2017年(144件)?？梢?，生物修復技術逐漸得到全球的關注，且關鍵技術的創新和研發有了很大的發展。專利技術的發展歷程可以分為萌芽、生長、成熟和衰老4個階段：萌芽階段，基本發明、核心技術和基本專利產生；生長階段，基本發明縱深發展和橫向轉移，逐漸普及至各相關領域；成熟階段，技術日趨成熟并且不斷改良和完善；衰老階段，專利數量逐漸減少，但外觀設計和商標的申請數量卻相對升高[13]。以此為依據，從全球來看，2000年前，生物修復技術專利處于萌芽階段，數量變化不明顯；2002年后，專利數量迅速上升，進入生長和成熟階段，并在2015年達到頂峰。值得一提的是，在萌芽階段，美國申請的專利授予數量從1990年的2件增加到了1999年的6件，表現出上升趨勢，這與美國作為發達國家較早開展生物修復技術的研發和使用并利用相關技術進行環境改善的狀況是相吻合的[14]。我國在2015年發布的《中國環境狀況公報》是促進我國生物修復技術快速發展的重要原因之一。

利用Innography專利狀態篩選功能，得到生物修復技術有效專利608件。不同國家/地區生物修復技術有效專利情況也有所不同。中國生物修復技術有效專利數量在2002年前較少，自2007年開始逐漸增長，在2015年達峰值(21件)。近10年中國專利申請數量保持高度增長的態勢，授權且處于有效狀態的專利數量基本上與之相匹配。大部分有效專利的公開時間都在2010—2016年，在此之前公開且目前有效的專利數量較少，僅有1999年申請的6件專利當前仍處于維持階段，包括澳大利亞Terralift International, Ltd.的“A method for remediating a medium”(專利號AU4689999 A)和美國Lane, Kerry Scott的“Method and system for assay and removal of harmful toxins during processing of tobacco products”等，其針對煙草制品加工過程中有害毒素的測定和去除方法提出了新的技術工藝，相關的產品和設備現在仍在全球范圍內廣泛應用，因此專利權人一直在維持著這些核心專利。中國最早的1項生物修復有效專利是在2002年申請的，近年來中國的有效專利數量迅速增加，到2015年已經達21件。

2.2 專利所屬國家/地區

對申請的專利數量按照第一發明人所屬國家/組織進行分析，結果如表1所示。由表1可知，生物修復技術專利數量排名前6的國家分別是中國(543件)、美國(511件)、韓國(76件)、日本(69件)、英國(59件)和德國(53件)。中國申請的專利數量最多，美國緊隨其后；韓國、日本和英國分別位居第三、第四和第五，但其專利數量遠遠低于中國和美國[15]。

表1 生物修復相關專利申請人所屬國家/組織分布Table 1 Distribution of countries/organizations of bioremediation related patent applications

2.3 國家/地區應用專利權限范圍

專利技術應用國家/組織權限反映該發明未來可能實施的國家或地區，其結果如表2所示。由表2可知，生物修復技術申請專利數量排名前5的國家/組織分別是中國(557件)、美國(314件)、世界知識產權組織(142件)、歐洲專利局(104 件)、德國(100件)。在中國被設定權限的專利授予量最多，表明中國是生物修復相關技術專利應用的主要國家。

表2 生物修復相關專利應用國家/組織分布Table 2 Distribution of application countries/organizations of bioremediation related patents

2.4 IPC分類分析

IPC是目前全球通用的對專利文獻進行技術分類的一種方法，主要用于分析專利結果中的主題分布，通過特定領域專利信息IPC的統計，可以直觀地統計專利的技術領域分布情況。將生物修復技術專利進行IPC統計分析，結果如圖1所示。由圖1可知，全球申請的生物修復技術專利主要集中于A610 0/00(醫學、獸醫學、衛生等方向)、C120 0/00(生物化學、啤酒、微生物學、酶制劑工程或基因突變工程等方向)、C020 0/00(廢水、污水處理和污泥等方向)、G010 0/00(測量測試方向)和B090 0/00(固體廢物處置、污染土壤復墾方向)幾大領域。

2.5 專利申請人競爭態勢

Innography的專利申請人氣泡圖分析能直觀體現專利申請人之間的技術差距和綜合經濟實力。利用不同顏色的氣泡代表不同的專利申請人，根據氣泡的大小由橫坐標體現其專利數量、技術性強弱、專利數量占比、專利被引用情況以及專利分類等相關因素；由縱坐標體現專利申請人所在企業或機構的實力，包括專利申請人的收入、專利國別、專利涉案情況等，專利申請人的經濟實力越強，縱坐標值越大[17]。在生物修復行業中專利申請數量排在前50名的機構專利申請與收入情況見圖2。由圖2可知，日本Roche Holding公司的氣泡最大，表明其申請專利的數量最多(17件)，該公司主要從事制藥行業，在無機化學、有機化學和高分子化學方面申請的專利數量最多，其最具影響力的1件專利涉及苯并三唑衍生物類的CDK調節劑(專利號2007780033449)；同時，該公司的氣泡在圖的最右但高度有限，說明Roche Holding公司在該領域的綜合技術創新能力強大，但是綜合經濟實力相對薄弱。

圖2 生物修復專利申請人氣泡圖(排名前50)Fig.2 Bubble diagram of bioremediation patent application(Top 50)

3 生物修復技術核心專利分析

專利強度是直觀體現專利價值的綜合性判斷指標，專利權利要求數量、專利引用與被引用頻次、專利家族、專利訴訟數量、專利年齡、專利申請時長等多個專利價值衡量要素。Innography將相關技術領域中專利強度大于80%的定義為核心專利，專利強度為30%～80%的定義為重要專利，專利強度小于30%的定義為一般專利。同族去重后生物修復相關的核心專利共有42件。

3.1 專利第一發明人所屬國家/地區

對核心專利第一發明人所屬國家/地區進行統計分析，排名前5位的結果如圖3所示。由圖3可知，80.0%的生物修復技術核心專利都掌握在美國手中，其擁有33件專利，遙遙領先于第二名的中國(占比5.7%，2件)，而荷蘭、英國、歐洲等的核心專利數量相同，均為1件。這表明美國在該領域擁有較為雄厚的技術創新實力，在全球的生物修復技術和資源化利用的市場中占有重要的位置[18]，而中國尚需加大在該領域的技術研發和產業的推廣應用。

圖3 核心專利數量占比排名前5的國家/組織Fig.3 Distribution of the number of core patents in different countries/organizations(Top 5)

3.2 專利權人競爭態勢

對生物修復技術核心專利的專利權人的分析結果表明，42件核心專利分布于35個專利權人手中，其中，排名前20的專利權人如圖4所示。由圖4可知，排名前3的專利權人擁有相同的專利申請數(3件)，這說明排名靠前的專利權人競爭態勢較為激烈。

圖4 核心專利數量排名前20的專利權人專利數量占比Fig.4 Proportion of Top 20 patentees in the number of core patents

將核心專利按照其所屬專利權人進行氣泡圖分析，專利權人擁有核心專利數量排名前20的氣泡圖如圖5 所示。由圖5可知，處于第一象限(橫縱坐標均較高)的專利權人數量為0，表明綜合實力與技術創新能力均較強的專利權人不存在。International Game Technology PLC公司和Intel Corporation公司的位置最靠右，表明其擁有的核心專利數量最多(分別為11和9件)，但綜合實力相對薄弱；Amazon.com Inc.公司在整個氣泡圖中的高度是最高的，表明其具有最高的綜合實力，但其氣泡大小并不突出，技術創新能力有待提高，其擁有的核心專利數為3件。此外，分布在氣泡圖左下角象限的專利權人是最多的，包括Tersus Environment, LLC公司，METAQOR LLC，Mard Continental Inc.等，表明核心專利的分布仍較為分散，大多數專利權人僅擁有1～2件專利，綜合實力和技術創新能力都有待進一步加強。

圖5 核心專利的專利權人氣泡圖(Top 20)Fig.5 Bubble diagram of the patentees of the core patents(Top 20)

3.3 專利技術主題分析

對強度大于80%的42件核心專利進行文本聚類分析，進行當前領域的技術熱點統計，結果如圖6所示。由圖6可知，當前生物修復技術領域的核心技術熱點主要集中于remediation(13件)、contaminants(8件)、organic compounds(4件)、power consumption(2件)和water treatment(2件)5個領域。美國、中國和日本等在以上領域較為領先，污染、有機復合污染、能源消耗、水處理等是當前這幾個國家研究的熱點方向，如美國的石油污染場地修復案例中超過50%采用生物修復技術[19]，日本將污染物生物修復技術列入國家重點發展領域。目前，污染物生物技術的應用涵蓋水體中污染物的降解和土壤中有機污染物的降解等諸多方面[20]，其成為生物修復技術中需要關注的重點問題，也是專利保護的核心方向[21]。

圖6 核心專利技術熱點文本聚類分析Fig.6 Text cluster analysis of core patent technology hotspots

4 中國生物修復技術相關專利分析

4.1 專利權人

將 1 125 件專利按照source(inventor location)定位中國專利，得到399件專利。按照專利權人申請的專利數量對這些專利進行統計分析，結果如圖7所示。由圖7可知，專利權人申請的專利數量排名前5的分別是馬鞍山新洲葡萄酒公司(4件)、中國科學院(3件)、南京大學(3件)、哈爾濱工業大學(3件)和西安建筑科技大學(2件)，中國石油化工集團公司排名第6(2件)，江南大學、四川大學、上海交通大學各擁有2件專利。中國的生物修復技術相關專利申請人比較分散，其中馬鞍山新洲葡萄酒公司主要致力于廢水處理的專利研究；中國科學院近年來主要的專利方向為地下水資源和污染處理等；而哈爾濱工業大學和南京大學主要研究和申請專利的方向在有機復合污染和能源消耗等方面。

圖7 中國不同專利權人申請的生物修復專利數量占比Fig.7 Proportion of the number of bioremediation patents applied by different patentees in China

4.2 專利競爭態勢

中國生物修復技術相關專利數量排名前20的專利權人氣泡圖如圖8所示。由圖8可知，馬鞍山新洲葡萄酒公司、中國科學院和中國石油化工集團公司3個專利權人的氣泡最大，馬鞍山新洲葡萄酒公司和中國科學院較靠右，表明馬鞍山新洲葡萄酒公司擁有最高的技術創新能力，而中國科學院擁有較強的綜合實力。

圖8 中國生物修復相關專利的專利權人氣泡圖(Top 20)Fig.8 Bubble diagram of Chinese bioremediation related patents(Top 20)

對中國生物修復技術領域的專利進行文本聚類分析，結果如圖9所示。由圖9可知，當前中國生物修復技術研發的熱點主要集中于生物標記(bio marker，121件)、醫學(medicine，154件)、廢水(waste water，67件)、生物可用性(bio availability，64件)和重金屬(heavy metal，48件)5個領域，這與全球領域的生物修復技術污染治理和資源化利用的主要方向基本相一致[22]。1996年我國在地下水的修復中首次出現利用生物修復技術手段的專利。

圖9 中國生物修復相關專利的文本聚類分析Fig.9 Text cluster analysis of Chinese patents related to bioremediation technology

5 結論

(1) 2002年后全球生物修復技術專利數量迅速上升，該領域技術專利進入了生長和成熟階段。中國是生物修復技術專利申請數量最多的國家，2015年以后申請的專利數量呈快速增加趨勢，這與我國近年來對專利保護的重視以及加大對環境污染修復的投入力度密不可分。

(2) 42項生物修復技術核心專利中，美國占80.0%，但綜合實力與技術創新能力均較強的專利權人較少；中國占5.7%，實力較美國還存在很大的差距。

(3) 中國的生物修復技術專利中，排名前5的專利權人(馬鞍山新洲葡萄酒公司、中國科學院、南京大學、哈爾濱工業大學和西安建筑科技大學)均擁有較強的綜合實力和技術創新能力。但含金量、市場優勢和競爭力還有待進一步提升。因此，中國專利權人應積極挖掘自身的技術創新潛力，不斷提高科研人員對專利知識和技術應用有效結合的能力，不斷優化申請專利的質量。

(4) 全球生物修復技術專利的熱點主題分布在有機污染物、能耗、水處理等方向，中國專利的熱點主題細化到生物標記、醫療、廢水、生物可用性、重金屬和地下水等重要領域。土壤重金屬和有機污染物污染修復、城市水環境和地下水環境污染問題將會是未來的熱點研究領域。