1、餐厨垃圾饲料化的专利技术分析 任霞 徐静 国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心 摘 要： 餐厨垃圾有机物质比例高,营养素丰富,是潜在高能、高蛋白饲料原料,具有很大的资源回收利用空间,越来越受到研究者的关注。以中国专利文摘数据库中的发明申请检索结果为样本,采用定性分析与定量分析相结合的方式对餐厨垃圾饲料化领域的专利技术进行统计分析,从相关专利申请的时间分布、申请人类型、技术分支等多个角度,梳理了该领域的专利申请和专利技术状况,为国内申请人进一步开展该领域的技术研究和专利布局提供借鉴。关键词： 餐厨垃圾; 饲料; 专利分析; 专利申请; 作者简介：任霞(1985-),女,硕士,主要从事食品医药
2、类发明专利审查与研究。收稿日期：2016-08-16Patent analysis on feed utilization of kitchen wasteREN Xia XU Jing Patent Examination Cooperation Center of The Patent Office SIPO; Abstract： Kitchen waste is a potential energy and protein feed material with high proportion of organic matter and nutrients.There is spaciou
3、s space for recycling,which attracted more and more attention of researchers.We summarized the current status of patent applications concerning feed utilization of kitchen waste in China through in-depth analysis of time distribution,technology branch,as well as the diversity of applicants based on
4、CNABS database.The current patent application status and the technique development in this field were introduced,and some references and experiences were put forward to domestic applicant on technical research and patent arrangements in relative field.Keyword： kitchen wastes; feed; patent analysis;
5、patent application; Received： 2016-08-16随着我国社会经济发展以及城市化进程的加速,我国城市生活垃圾年产量约 1.6亿 t,且每年以 8%10%的速度递增,成为世界上“垃圾包袱”最重的国家。餐厨垃圾以碳水化合物、蛋白质、淀粉、食物纤维、脂肪类有机物为主要成分,具有含水率高,有机质比例高,总养分、油脂、盐含量高,氮磷钾营养素丰富等特性。从营养成分上说,其蛋白和能量水平大致介于玉米和豆粕之间,是一种高能、高蛋白优质饲料原料,具有很大的资源回收利用空间。然而,其含水率高,性质不稳定,易腐败的性质又带来了污染环境的隐患。因此,针对餐厨垃圾的特点对其进行无害化、减量
6、化、资源化处理,在显著减轻城市垃圾的处理负担的同时,还能够有效减少因为餐厨垃圾产生的污染。我国废物资源化科技工程“十二五”专项规划指出,餐厨垃圾资源化利用的技术重点是利用餐厨垃圾生产饲料无害化处理技术与装备。参考国外处理餐厨垃圾的相关经验,自上个世纪 80 年代起,欧美、日本、古巴等国家就着手对餐桌剩余食物进行规模化、资源化、无害化利用的研究,在确保食品安全的条件下,经无害化加工处理后用作饲料的加工利用过程已被美国、日本等国家接受,并出台相关法规进行规范1 。因此,饲料化加工作为餐厨垃圾资源化处理的重要手段之一受到广泛关注和深入研究。我们将从我国餐厨垃圾饲料化处理的角度进行专利技术分析。1 餐
7、厨垃圾制备饲料的中国发明专利申请概况笔者在中国专利文摘数据库(CNABS)中进行了检索,以关键词作为主要检索手段获取专利信息。经检索,涉及餐厨垃圾制备饲料技术的中国发明专利申请共计186 件,通过详细浏览去除明显不相关主题的噪音文献,得到 153 篇文献作为分析的数据样本。检索截止时间为 2015 年 8 月 21 日。1.1 申请量的时间分布餐厨垃圾制备饲料技术在中国申请量和授权量的时间分布见图 1。图 1 餐厨垃圾制备饲料技术在中国申请量和授权量的时间分布 下载原图由图 1 数据可见,申请量和授权量的逐年变化趋势大致相同。我国餐厨垃圾源饲料化技术起步较早,1993 年已经开始出现相关专利申
8、请,19932002 年,为技术缓慢发展期,专利申请量很少,年申请量均少于 5 件。20032015 年,申请量和授权量总体处于增长和持续发展阶段,其中,分别在 2011 年、2014 年出现申请量高峰,相应地,2011 年也出现了授权量的高峰,这反映了“十二五”期间,随着国家和社会对于资源环境的重视,餐厨垃圾的饲料化处理出现迅速增长和发展的态势。由于发明专利申请的公开周期为申请日起 18 个月,因此,20142015 年的许多专利申请还未公开,这两年的数据不代表实际申请量和授权量。综合近五年来的申请量和授权量情况,能够看出餐厨垃圾饲料化处理技术正处于持续发展中,而且随着国家政策的支持以及绿色
9、环保理念的深入,该领域的技术研发正在成为研究热点,预计餐厨垃圾处理技术专利申请量仍将保持稳步增长的态势。1.2 申请人分析不同的申请人类型申请量占比情况见图 2。图 2 申请人类型分布 下载原图由图 2 可见,企业申请量最大,占 45%,个人申请占 35%,高校及科研院所占 20%。由此可见,我国餐厨垃圾饲料化领域的研发主体为企业和个人。申请人分布分散,行业内并没有申请量处于绝对领先地位的申请人,大多申请人的申请量为 12 件,在企业申请中,申请量最多的为上海厨余垃圾处理技术有限公司。高校和科研院所中,申请量并列最高为华南师范大学、广东昆虫研究所、华中农业大学。个人申请中,朱华伦的申请量最高。
10、从上述分析可以看出,在餐厨垃圾饲料化领域,创新主体的分布散乱,并未形成一定的创新规模和专利布局,总体上技术创新能力不高。1.3 国际专利分类号分布通过专利涉及的国际专利分类号(IPC)以及该专利分类号涵盖的技术领域,可以初步了解该专利申请的主要研发方向和技术领域。餐厨垃圾制备饲料 IPC 分布见表 1。表 1 餐厨垃圾制备饲料 IPC 分布 下载原表 从表 1 可以看出,A23K 是餐厨垃圾饲料化领域的最主要的分类号,其次是 A01K涉及畜牧、禽类、昆虫等动物的养殖,以及 B09B 涉及固体废物处理的领域。此外,肥料制造(C12P)、发酵以及制备油脂(C11B、C11C)、微生物或者酶(C12
11、P)的研究也是在餐厨垃圾处理中的常见技术,能够与饲料化联合使用,从而达到联产增效,提高垃圾处理效率和转化率的效果,对于餐厨垃圾的减量、无害化、资源化处理具有重要的意义。2 关键技术分析餐桌剩余食物的饲料化加工过程是将餐桌剩余食物经高温消毒、烘干粉碎后制成可供动物食用的饲料,或经微生物发酵处理后加工成可利用的生物蛋白饲料,该过程在餐桌剩余食物资源化处理中,居于主导地位。餐桌剩余食物饲料化的基本要求是实现杀菌灭菌,达到饲料卫生标准,最大限度的保留营养成分,常用的方法主要有高温干燥法(物理法)和微生物发酵法(生物法)两种方法。另外,通过昆虫过腹化处理以及发展餐厨垃圾饲料化处理的生产系统、与其他产物联
12、合生产的系统也是该技术领域的关键技术以及日后的发展方向。2.1 高温干燥法生产蛋白饲料高温干燥生产蛋白饲料的基本工艺思路是将餐桌剩余食物先脱水,然后干燥、灭菌、粉碎,最后制成饲料原料或者饲料添加剂。对于以物理方法处理餐厨垃圾制备饲料的早期申请大多采用上述思路:1998 年,张养坤(CN1241366A)提出了将厨余废弃物再生成禽畜饲料的方法,其生产流程代表了高温法生产饲料的基本工艺(见图 3),该申请来自中国台湾地区,是国内最早出现的采用高温脱水干燥法生产饲料的专利申请,并获得授权。2000 年,吴桐(CN1391824A)公开了一种餐饮垃圾饲料化处理方法,包括下列步骤:(1)物料第一次粉碎;
13、(2)脱水;(3)物料第二次粉碎;(4)干燥;(5)造粒。该专利申请是国内大陆地区较早授权的采用物理方法处理餐厨垃圾制备饲料的申请。图 3 CN1241366A 高温干燥制备蛋白饲料的工艺流程 下载原图上述为餐厨垃圾制备饲料的早期专利申请的典型代表,通过浏览文献发现,对餐厨垃圾进行高温脱水干燥处理制备饲料的技术较为集中出现在 2002 年左右,随着餐厨垃圾处理技术的发展,通过高温干燥法制备饲料的专利申请数量逐渐减少,其存在的主要问题为:饲料中的动物蛋白被同种动物食用后可能引起潜在、不确定性的疾病的风险,即同源污染。此外,饲料含盐量大于 1.8%时,对成年畜禽的生长会有一定影响,而这种饲料的盐分
14、一般是该值的 2 倍以上。可见,由这种方式得到的饲料存在一定的安全隐患2 。出于安全性考虑,对于“同源污染”的问题,欧盟已经全面禁止餐厨垃圾蒸干制成的饲料产品重新进入人类食物链。因此,采用生物发酵法利用餐厨垃圾制备蛋白饲料成为主流技术。2.2 微生物发酵法生产蛋白饲料微生物发酵法制备蛋白饲料,一方面通过接种前的高温灭菌能够杀灭有害病原菌,另一方面通过有益微生物菌种的接入能够起到对成分改善的效果,使得菌体蛋白得到积累,从而对餐厨废物进行了资源化利用3 。具体工艺参见图 4。图 4 餐厨垃圾微生物发酵法制备蛋白饲料的基本工艺 下载原图北京嘉博文生物科技有限公司 2006 年的专利申请(公开号 CN
15、1850965A)公开了一种适合于对餐厨有机废弃物进行发酵处理的复合菌,含有下述菌种的混合菌:环状芽孢杆菌(Bacillus circulans)、球形芽孢杆菌(Bacillus sphaericus)、坚强芽孢杆菌(Bacillus firmus)、施氏芽胞杆菌(Bacillus schlegelii)、嗜热脂肪芽孢杆菌(Bacillus sterothermophilus)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、酵母菌、乳酸菌。该申请是餐厨垃圾饲料化领域在 CNABS 数据库中的被引证次数最多的专利文献,属于菌种筛选培养的核心专利,明显缩短了发酵时间,提高了有机质的转化率。通
16、过文献浏览能够看出,在利用微生物发酵餐厨垃圾制备饲料的技术领域,对于发酵菌种的筛选和菌剂的开发是该领域的研究重点。杭州汇能生物技术有限公司在 2004 年的专利申请(CN1582706A),采用的菌种为产朊假丝酵母(Candida utilis 2.281)、啤酒酵母(Saccharomyces cerevisiae 2.13)、植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum1.556)。厦门大学与厦门大学深圳研究院 2013 年的专利申请(CN103396973A),采用甲基营养型芽孢杆菌(Bacillus methylotrophicus MJ1,保藏编号 CGMCC No.6
17、927)和解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens JM3,保藏编号 CGMCC No.6926)发酵餐厨垃圾生产菌体蛋白饲料。除此之外,利用微生物发酵餐厨垃圾制备饲料的专利文献还有CN101263862A、CN101073805A、CN10164218A、CN1676016A、CN1631199A、CN101999516A、CN101347178A 等。从上述专利可以看出,微生物菌种的研发集中在企业和科研院所。目前采用的菌种多为芽孢菌、乳酸菌、酵母菌、丝状菌等,用于分解餐厨垃圾中的复杂组分,杀灭或者抑制有害菌,降解毒素,改善物料外观和气味,提高蛋白粉产品安全性等。
18、针对餐厨垃圾的营养特点,添加酶制剂与微生物菌剂联合分解餐厨垃圾也是一个研究方向,如 CN103960480A、CN1843152A、CN1676016A 等。2.3 昆虫养殖处理通过环境昆虫的过腹转化处理,是一条生态环境安全、保障蛋白安全和经济可行的技术途径,可以规避将餐厨废弃物作为畜禽饲料蛋白源所存在的各种风险和技术问题。如嘉兴溯源生物科技有限公司(CN104384177A)公开了一种餐厨垃圾的昆虫处理系统,包括物料接收池、预处理装置、分离装置、蒸煮压榨装置、废油处理装置、保鲜装置、昆虫清洗装置以及将收集的昆虫幼体进一步加工的昆虫干燥装置。经过浏览文献发现,在昆虫处理系统中,以黑水虻过腹化处
19、理餐厨垃圾的方法以及设备的专利申请居多。较为有代表性的为广东省昆虫研究所(CN102224813A)公开了利用经过微生物发酵的餐厨垃圾等作为引诱物对水虻卵进行富集培养的技术。中山大学(CN101889629A)公开了利用黑水虻幼虫处理餐厨垃圾的方法及物料配方。另外,还有关于黑水虻生物处理设备的专利申请,如广东省昆虫研究所(CN102350433A)研发了一种滚筒式黑水虻生物处理器,提高了餐厨垃圾的处理转化效率;西安洁姆环保科技有限责任公司(CN103639179A)开发了一种结构简单、易于实现、便于管理的利用黑水虻进行餐厨垃圾处理的处理箱。除了广受关注的黑水虻,黄粉虫也是能够用于餐厨垃圾过腹化
20、处理的常见环境昆虫,如山东华绿餐处科技股份有限公司(CN103976152A)公开了一种利用黄粉虫处理餐厨废弃物预处理物的方法,通过将餐厨垃圾发酵干燥制备成昆虫饲料,黄粉虫过腹化处理,由此得到大量优质昆虫生物蛋白。另外,利用蚯蚓处理4 或蝇蛆养殖技术,分解有机废弃物,将经过预处理后的餐厨垃圾分解成小分子营养物质,得到的蚯蚓或蝇蛆作为蛋白饲料或饵料投喂经济动物也能得到较好的经济和环境效益。如CN101305768A、CN101947535A、CN102731172A、CN1757302A、CN103145466A、CN102835355A 等。2.4 餐厨垃圾制备饲料的工艺系统以及联产技术国家废
21、物资源化科技工程“十二五”专项规划指出餐厨垃圾资源化利用的技术重点是利用餐厨垃圾生产饲料无害化处理技术与装备。以下专利技术从高温干燥以及发酵生产餐厨垃圾源饲料的生产工艺系统、设备方面以及与其他产品联产系统方面提出,具有一定的参考性。周积余(CN101133776A)提出了餐厨垃圾全湿法生产油和蛋白质饲料生产工艺;武汉百信环保能源科技有限公司(CN101927254A)研发了餐厨垃圾综合处理系统及其处理方法,该系统由倒料分拣子系统、加热挤压子系统、固液分离子系统、烘干子系统、油水分离子系统、包装子系统组合而成,该系统是微生物发酵餐厨垃圾的生产系统;宁波大学(CN102125166A)提出一种将餐
22、厨垃圾发酵制成畜禽饲料的加工方法,经原料预处理、调质和筛选的微生物发酵,干燥和包装等一系列工艺过程,该系统的装置为进料装置、湿式分选机、螺旋压榨机、搅拌型混合机、发酵罐、低温干燥机、粉碎机。餐厨垃圾的联产处理,能够在饲料化的同时,对餐厨垃圾的分离物进行全面彻底的处理,根据餐厨垃圾的特点,得到其他的产物,如生物柴油等,从而实现对于餐厨垃圾的综合资源化处理,提高了产物转化率。中国科学院广州能源研究所(CN103480634A)公开了一种餐厨垃圾水热湿解联产动物饲料和生物柴油原料的方法及装置,装置流程见图 5 所示,该技术的亮点是进行一次机械脱水+水热湿解处理+闪蒸脱水+烘干处理,具有时间短、能耗低
23、的特点;福建广汇龙环保科技有限公司(CN102580977A)研发了一种餐厨垃圾转化为新能源系统,包括固液分离机以及分别与固液分离机配合使用的蛋白质饲料生产系统和生物柴油生产系统。图 5 CN103480634A 的厨垃圾水热湿解联产动物饲料和生物柴油原料的装置 下载原图另外,利用酶的方法对饲料进行处理在制备油脂、醇的同时联产饲料也是对餐厨垃圾生化处理的新途径,如:CN101565720A,CN101693909A。3 对于餐厨垃圾饲料化技术发展的建议从上文的数据统计与分析来看,餐厨垃圾饲料化技术的整体水平较低,申请人分散,处理程度以及产品的经济效益不高,地区之间发展不平衡,核心专利和领军企业
24、少,产品的安全性,同源性污染等是敏感问题。因此,对于餐厨垃圾的饲料化还需要重视以下方面。3.1 加强餐厨资源饲料安全性评价的研究餐厨资源饲料化利用利弊兼有,有关餐厨垃圾饲用安全性研究还不够深入和完整,已经引起政府层面的重视。如我国政府出台国务院办公厅关于加强地沟油整治和餐厨废弃物管理的意见(国办发(2010)36 号)等有关政策加强对餐厨垃圾利用的管理。要求不得使用未经无害化处理的餐厨废弃物喂养畜禽,提出做好技术研发、资源化产品安全性评估等工作,加快建立相应的政策、法规、标准和监管体系,促进餐厨废弃物资源化利用和无害化处理产业发展。关于使用餐厨垃圾制造饲料的方法目前主要集中在微生物发酵方面,然
25、而该途径还未能从机理上证明发酵的餐厨饲料饲用安全程度,加工后的餐厨垃圾以动物饲料角色进入食物链仍需进一步注重安全评估。应对现有餐厨垃圾源饲料中安全性毒理评价及其有害物质防除措施进行研究,加强餐厨资源饲料营养价值以及饲用效果的研究,吸收国际相关研究成果,进一步完善我国餐厨垃圾源饲料的安全机制5 。3.2 促进产学研的科研投入,突破技术瓶颈从申请人类型来看,科研院所的专利申请占 20%,应当利用研究院所的科研基础设施增加对于饲料化技术的研究,提高关键技术的科研水平,突破现有技术的瓶颈。企业作为餐厨垃圾饲料化技术的创新主体,也应发挥积极作用,与高校科研机构实现联合研发,促进技术创新的产业实施,并增加
26、核心专利的市场价值,从以往单一的处理技术逐渐实现技术升级,实现餐厨垃圾的多组分分离,综合处理联产高效地得到多种产物。今后的研究重点包含:在已有研究的基础上,建立优势菌种数据库6 ;解决餐厨垃圾饲料营养变异大的问题;开发快速准确的在线检测方法;研究餐厨资源有毒物质消长规律和病原微生物的控制技术;研发大批次餐厨垃圾的成套处理设备以适应预处理的需要,保证饲料产品的安全性。3.3 充分利用专利信息资源,进行专利布局通过对餐厨垃圾源饲料化技术统计与分析来看,该领域在专利方面呈现出申请人零散分布,各自为战的局面,这种散兵游勇式的发展模式不利于整个行业竞争力的提升,而其他成熟领域,如通讯等,通过专利技术整合
27、攻克技术壁垒、利用专利布局先发制人的专利策略值得借鉴。希望该领域的国内申请人能够抓住机遇,加大研发力度和投入,根据已有专利文献的研究情况,对于尚有改进空间的技术进行研究改进、专利布局,发展出多家掌握一大批核心专利技术的领军人物或者龙头企业。4 结语餐厨垃圾饲料化在餐厨垃圾资源化处理中有着极大的发展前景,尤其是面对社会人口日益增多,生活垃圾产量日渐增加的现状,大力发展餐厨垃圾处理产业有着重要意义。通过对餐厨垃圾饲料化领域的专利信息分析,提供反映该领域发明专利技术发展现状的信息,以促进餐厨垃圾处理行业的发展,更好地解决餐厨垃圾资源利用的问题。(第二作者对本文的贡献与第一作者等同)参考文献1李俊,刘
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