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吸附分离树脂产业迈入专利新赛道

2021-10-11
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  吸附分离树脂,是指通过离子交换或吸附作用对溶液组分进行分离纯化的高分子球形颗粒,应用领域广泛,对各国民生、尖端科技和国防安全等事业发展发挥着基础性、先导性、支撑性作用。我国是目前全球最大的吸附分离树脂生产国和出口国之一,但高端产能缺乏,前沿技术仍在被动追赶,产业和技术短板明显。

  行业整体态势

  根据行业发展需求,国家知识产权局专利分析普及推广项目“高性能吸附分离树脂及应用关键技术产业专利分析”课题组(下称课题组)聚焦吸附分离树脂在典型应用领域的核心技术,整合专利文献、市场信息和产业多维度数据,探究吸附分离树脂技术发展走向,分析我国吸附分离树脂“卡脖子”症结。

  从专利申请和市场调研数据来看,全球吸附分离树脂技术呈现快速增长趋势。中国吸附分离树脂技术专利申请起步于20世纪80年代,2000年之后进入快速增长期。中国、日本和美国是该技术主要的专利申请目标国和技术来源国。中国市场容量巨大,吸纳了上万家本国企业参与其中。凯瑞环保、皖东化工、南大环保、蓝晓科技等企业近年来技术追赶势头良好,与陶氏杜邦、朗盛、三菱等国际领先企业差距逐渐缩小,打破部分高端吸附分离树脂材料国际垄断格局,实现国产化甚至出口替代,但大部分企业技术创新和专利布局能力仍较薄弱。

  多领域应用情况

  在湿法冶金领域,吸附分离树脂是在溶液中提取各种金属元素的重要手段,精度高、污染小,具有不可替代性。从专利申请数据看,全球吸附分离树脂在湿法冶金领域的应用技术处于快速发展期,在众多细分应用领域中,近年来,动力锂电池新能源材料的发展,使得锂的提取技术成为各国技术竞争和专利布局的新赛道。

  从专利申请趋势可见,由于矿石锂资源日益枯竭,盐湖提锂逐渐成为主流技术。中国盐湖锂资源丰富,但品相较差,提取工艺复杂,成本高,锂产品进口依赖严重。优化盐湖提锂技术和工艺路线、降低成本、提高产品品质、摆脱进口依赖,是我国盐湖提锂产业亟待解决的问题。吸附分离树脂用于盐湖提锂,已显示出工业化生产价值。全球知名锂产品供应商在该领域开展了大量的技术创新和专利布局工作。中国创新主体在新型离子交换树脂(锂吸附剂)、盐湖提锂工艺和设备改进方面也做出积极尝试,推动了我国盐湖提锂产品品质的提升和成本的降低。代表性技术有中国科学院青海盐湖研究所、中南大学和北京化工大学的新型锂吸附剂,西安蓝晓科技新材料有限公司的连续离子工艺和设备。

  在生物医药领域,吸附分离树脂对药品质量、产率和成本影响重大,涉及生物药、化学药和植物提取药三大细分应用领域,13个技术分支。从专利申请数据看,全球吸附分离树脂在生物医药领域应用技术处于快速发展阶段,在三大细分应用领域发展大致均衡。

  肽类药物因覆盖面广、安全性高、疗效显著,被广泛应用于多种疾病治疗。目前全球肽类药物市场容量不断扩大,技术创新多,专利申请活跃。中国和美国是该技术主要的专利申请目标国和技术来源国。国外代表性公司罗氏在本技术分支专利申请最多,主要集中于肽的合成方法和产品。国内代表性公司深圳瀚宇药业实行“仿创结合”路线,围绕固相合成肽的树脂载体和合成工艺进行技术创新和专利申请,打通利拉鲁肽从原料药合成到制剂生产的全链条,为我国医药企业发展提供了有益参考。此外,我国高校积累了丰富的专利成果,充分利用高校资源,开展校企联合创新,也是为行业发展赋能的重要途径。

  在高端水处理领域,吸附分离树脂是电子级超纯水、凝结水精处理、核电站水质/溶液净化的必备材料。尤其是电子级超纯水,作为半导体电子芯片生产用水,水质指标具有严格标准,其制备技术具有较高门槛。在我国半导体产业加快自主研发的大背景下,大力发展电子级超纯水制备技术意义重大。

  从专利申请数据看,全球吸附分离树脂在高端水处理领域应用技术处于快速发展期。其中,电子级超纯水用吸附分离树脂技术属于高端技术分支。目前电子级超纯水主流制备路线是“反渗透膜+EDI+精制混床+超滤膜……”等多技术联用模式,其中精制混床是核心部件,而均粒吸附分离树脂是精制混床的主要填料。从本技术主要申请人的专利申请数量来看,各创新主体集中度不高,未形成较强的优势布局,这些申请人大都集中于电子超纯水EDI系统或其联合技术的研制,没有涉及均粒树脂的制备。因此,现阶段可能是本技术相关创新主体进行技术攻关和专利布局的有利时机。

  在食品领域,安全问题攸关国计民生,杂质和有毒有害成分的去除、食品质量的检测依赖于吸附分离树脂。甜菊糖是天然糖原,甜度高、热量少,被广泛应用于食品、保健品和医疗领域,其制备过程也离不开吸附分离树脂。课题组以甜菊糖制备技术为代表探寻了吸附分离树脂在食品领域应用的特点和发展趋势。

  从专利申请数据看,全球吸附分离树脂在整个食品和甜菊糖制备细分领域应用技术都处于快速发展阶段,且甜菊糖制备用吸附分离树脂技术分支最为活跃。中国、美国、韩国是该分支技术主要的专利申请目标国和技术来源国。该领域代表性企业有马来西亚谱赛科公司、瑞士埃沃尔瓦公司、中国晨光生物科技集团股份有限公司、加拿大GLG生命科技集团等。整体上,我国已具备甜菊糖工业化生产能力,但是在甜菊糖深加工和分离效率方面,与国际先进水平仍有差距。甜菊糖的深加工、精细组分分离和高效分离系统,是该领域目前及未来的发展方向,包括分离过程中使用的高性能树脂、不同类型树脂联用、工艺以及设备的联用等。我国企业可以根据自身情况及时跟进,在高端产品和前沿技术竞争中占据优势。

  加强关键技术研发

  均粒树脂是指聚合物颗粒均匀,具有较窄的粒径分布的一种树脂,其制备技术具有较高壁垒,目前在全球只有少数企业具有量产和市场垄断能力。该技术相关专利申请量少,年申请量不足20件。近年来,我国浙江争光股份、江苏苏青集团、西安蓝晓科技等公司也具备了均粒树脂生产能力,打破了原先国外垄断格局,但还没有相关专利申请;另一方面,均粒树脂制备的关键设备研发能力不足,也是相关行业向高端发展的“卡脖子”症结。

  从制备路线看,振动射流法、微包胶和膜乳化法是较为先进的制备手段。振动射流法最为成熟,早期由陶氏杜邦、拜尔、朗盛等公司发明,目前大部分相关专利保护期限已届满;微包胶法由于其核壳结构可以满足特定的应用需求,是拜耳和朗盛公司的专有技术;膜乳化法因设备简单、生产效率高,具有良好的发展前景,由美国陶氏杜邦和英国漂莱特公司先后发起,该方法技术空白点较多,具有广阔的布局空间。此外,微流控、喷雾造粒以及其他领域的均匀液滴制备技术,国内创新主体也可以及时关注,用于研发参考。

  目前,我国吸附分离树脂行业已形成成熟的工业化生产体系,正向高端市场迈进,处于“卡脖子”技术攻坚阶段。通过本项目研究,课题组对行业发展提出如下建议:在国家政策层面,建议继续强化对吸附分离树脂产业的扶持力度,聚焦关键技术和设备,组建国家重点实验室或研究机构,汇集“政产学研金”各界力量,畅通成果转化机制,给予资金和人才扶持,集中攻关。在产业层面,行业协会、联盟以及园区等相关组织积极推动产业上下游合作共赢,落实信息共享,搭建产业智库,完善相关标准制定,引导产业有序发展。在研发主体层面,产业链上下游企业和高校以及科研院所协同攻克“卡脖子”症结,注重利用专利布局手段放大竞争优势。