甲烷捕集技术商业化，我们的十年探索之旅

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甲烷捕集技术商业化，我们的十年探索之旅

Original Nature Portfolio Nature Portfolio  2022-06-13 23:40 Posted on 上海

原文作者：胡国平、Eric F. May（西澳大学）、李刚（墨尔本大学）

创立孵化公司的经验教训：投资于合作和工程技术、保护知识产权以加速技术发展。

甲烷占全球温室气体排放量的16-20%，其在大气中吸收热量的能力比二氧化碳还要强（见Nature 596，461，2021）。超过一半的甲烷排放来自人类活动，包括炼油厂、煤矿和垃圾填埋场的泄漏。我们开发了一种从混合废气气流中去除甲烷的材料（见参考文献1）。

我们花了十年时间将这种材料商业化：从化学实验室的研发（2011-18年），到在煤矿瓦斯厂验证其有效性（2018-21年），再到生产和销售（2019-21年）。

这个过程听起来很长，但其实已经很快了。在工业化学领域，通常需要长达20年的时间才能将一种产品从实验室推向市场。大多数产品原型在遇到第一个障碍———获取产业支持——的时候就失败了。专利有效期只有20年，所以这是一场与时间的赛跑。

美国德州科珀斯克里斯蒂的一家炼油厂的天然气燃烧。图片来源：Eddie Seal/Bloomberg via Getty

当今世界迫切需要新技术来避免气候变化。然而不幸的是，学者们在商业化的道路上几乎得不到任何指导，以帮助他们在兼顾大学职业要求的同时应对企业和法律等陌生领域。

为了激励更多的人，我们在此分享加速技术转化的经验。除了要有一个激动人心的产品之外，这还需要时间、资金、业务管理以及多部门合作。明确产品的市场定位，与关键合作伙伴的战略合作，以及具备卓越的制造和工程能力，使新技术更有可能跑完全程，跨过终点线。

确定产品定位

首先应用“5W”理论回答五个问题：产品是什么；客户是谁；什么是有竞争力的技术；产品的经济价值是什么；社会和环境影响是什么。这些问题的答案将引导你找到正确的行业、资金来源和营销信息。同时应对任何并行的问题。

我们的产品是一种新型吸附材料（离子液体沸石；ILZ）[1]，可有效捕集甲烷。它解决了一个困扰化学家数十年的问题——将甲烷与空气中的氮分离。这两种气体具有相似的分子大小、沸点和反应特性[2]。

发现之初，我们这个材料的应用方向并不明显。后来的发展有些机缘巧合。李刚博士（K.G.L.）2012年前往位于珀斯的西澳大利亚大学（University of Western Australia）研究天然气加工（与Eric F. May博士合作）。我们参与了一个液化天然气工厂甲烷减排的项目。ILZ材料似乎很适合这个用途。目标客户由此变得清晰起来：液化天然气精炼厂、煤气浓缩厂和垃圾填埋场，以及可再生沼气生产设施。

我们首先关注的是那些能以最低成本试用我们的技术并获得最大收益的客户。大型液化天然气工厂过于复杂。中国的煤矿行业则刚好合适。2014年的时候，西方国家天然气价格低廉且储量丰富，而中国对天然气的需求很大。同时，中国可以提供大部分的吸附剂原材料。那时，将称为有机金属框架（metal–organic frameworks）的多孔催化剂材料[3]进行商业化的研究人员们，也开始瞄准小规模的研究机构而非大型化工厂。

接下来，我们需要应对竞争。甲烷处理是一个快速发展的领域。处理低等级甲烷混合物有很多方法可选择，它们各有利弊。稀燃式燃气发电机组便携、简单，但产量较低。催化氧化剂和热氧化剂对稀释气流效果很好，但会浪费热能。活性炭很便宜，但很难分离甲烷和氮。我们的ILZ具有更高的选择性，但我们仍然需要优化其性能——通过控制颗粒的形状和大小，最大限度提高捕集甲烷的工业容器能容纳的ILZ材料量。

多余的甲烷在垃圾填埋场被烧掉。图片来源：Robert Brook/Science Photo Library

对任何一项新技术来说，定价都是一个挑战。归根结底，价格是通过估算一项技术相对传统方法所能够提供给客户的边际价值，并抵消客户尝试新事物所担的风险来决定的。当供应链不成熟时，一开始的生产成本可能会很高。直接成本（劳动力、材料、仓储、运输以及水电费等）和间接费用（销售、营销、融资、税收、折旧和专利申请）也都必须考虑在内。

很重要的一点是，在每一步上都倾听客户、合作伙伴和其他利益相关者的意见。产品有可能不是现在市场需要的；商业模式也有可能不会盈利。在我们的案例中，我们将先进的工程解决方案与材料打包出售以增加利润——类似于打印机制造商通过销售墨盒赚取额外收入。

对环境的影响也必须考虑到，比如材料毒性、废物管理和碳足迹。我们的材料可以使用8—20年，之后可以加热回收或者掩埋。随后将处理成本与使用这种材料的环境效益进行权衡。一吨ILZ在其有效期内可以捕集相当于约4000万吨二氧化碳的温室气体。

随着技术和供应链的发展，这五个问题的答案可能会在产品商业化的过程中发生变化。这需要不断收集数据以获得更精确的答案，也需要密切关注全球在技术、经济和政策方面的变化。

保护知识产权

专利授予申请人在一段时间内制造、使用和销售一项技术的合法权利，通常为20年（例如，在美国、中国和欧洲）。它可以确保在这段时间内其他人不能使用这项技术。商业机密是保护知识产权的专利之外的另一种选择。这就要求你不公开关键的生产步骤，以免其他人效仿。在实践中，可以采用多种方法。我们一开始是依靠商业机密，但后来申请了多项专利。

首先，缩小申请专利的范围。它可以是一种材料、一项用途，一台设备或一个概念。其次，尽早与知识产权机构的官员和专利律师交谈。他们会知道一种产品是否有商业价值，实施保护措施是否可行，以及是否有足够证据支持你的主张。

我们2015年在澳大利亚提交了第一个临时专利申请。该阶段只需要一个可靠的概念证明。措辞准确很重要。从宽泛的声明开始，提供细节以证明其创造性，并尽可能少披露具体的技术。

专利对于一家孵化公司的成立很关键。尽管它是无形的，但它是公司的初始资本，吸引着合作者和投资者。有专利作为安全保障，我们能够向合作者披露我们的配方，这对扩大我们的产品制造规模至关重要。

然而，专利申请过程漫长且费用昂贵。从2015年在澳大利亚申请国际专利，到获得美国（2019年）、中国和澳大利亚（2021年）第一个完整的国家专利，我们花了四到七年的时间。仅在美国，我们就投入了超过2万澳元（约1.5万美元）来获得专利。每项专利都要缴纳年费，还要持续支付专利律师的费用。对于孵化公司来说，这是一大笔钱。我们瞄准了最有可能提供大市场的国家。随着产品的开发和其他备选产品的出现，我们申请了更多的专利。

对任何研究人员来说，这都要在研究项目上花费相当漫长的时间。大多数的学者，包括我们在内，对于限制人们获取研究都感到很矛盾。开放是科学进步的关键。研究人员需要发表研究成果来获得工作、经费和晋升。对我们来说，这意味着在走一条狭窄的路。我们选择发表关于我们的材料的先进用途的学术文章[4]，而不披露有关其制造的敏感信息。后来，我们可以通过引用专利来阐述更多[5]。

获得融资与合作

像我们这样的技术的研发需要经过三个阶段：实验室研究、工业化验证和商业工厂试产。这些需要投入数百万美元。

第一步是大家熟悉的研究阶段。为了在实验室中开发这种材料，我们最初从澳大利亚研究委员会（Australian Research Council，ARC）、西澳大利亚州政府和全球能源公司获得了总计数百万美元的资助。与E.F.M.团队的交叉合作为始于ARC的产业转型提供了资金来源。这使我们能够将材料的产量扩大到公斤级、建造设备，以及测试吸附剂性能和甲烷捕集的循环过程。

这个阶段是大多数项目停滞的地方。一旦研究经费用完，我们也差不多要结束这项工作了。幸运的是，这种材料的前景推动了我们前进。

中国山西沁水盆地的甲烷捕集厂采用了胡国平（Guoping Hu）、Eric May和李刚（Kevin Gang Li）开发的技术。图片来源：Yongqiang Wang

获得研究经费以外的资金需要与工业界以及其他专业团体建立伙伴关系。这些人可能包括化学、机械和电气工程师，也可能包括企业经理、经济学家、法律顾问和会计师。正是这些相互联系最终让成果像雪球一样越滚越大。以下是一些建议。

首先，在产品定位明确后尽快寻找战略伙伴。这些伙伴不一定是大公司。当我们接触大型吸附剂和气体分离公司时，运气不佳。但当接触更愿意承担风险的中小企业时，我们确实得到了关注。

其次，打造国际联系，从而拓宽融资渠道、专业应用领域和市场。会议和展览是建立联系的好地方。比如，我们与一家中国气体分离公司就是在一次关于煤层甲烷减排的会议上开启了合作。我们同意在条款和条件谈判期间进行测试。通过签订保密协议以及在建立相互信任的同时保守商业秘密来保护我们的知识产权。这些谨慎的措施避免了未来的商业纠纷。

第三，获取用于促进合作的资金。2017年，我们有幸通过澳大利亚政府的全球创新链接计划获得了200万澳元（直接和实物支持）。这将三个组织联系在一起，成立了一家名为盖氏科技（Gas Capture Technologies）的初创公司。

最后，在条件最有利的地方寻找合作者。例如，我们在澳大利亚有知识产权保护方面的合作伙伴，在德国与一家提供专门原材料的德国制造商合作，在中国的天然气公司开展生产和商业示范。这些合作让我们受益匪浅。

聘请工程师

工程化是关键。与生产工程师密切合作能够加快进展。在与中国制造商合作时，我们花了两年时间，历经多次迭代，才为我们的材料找到一个商业上可行的配方（见go.nature.com/3j3tatb）。在这个过程中，我们开发了一个工程循环过程[6]，使我们的甲烷捕集效率提高了一倍，并降低了成本。利用现有设施、工程师和支持团队，要比从零开始更快捷、更便宜。

下一步是商业工厂试验，这要求我们找到一个能够从中受益并愿意测试这项技术的地方。经过多次实地考察、研讨会和可行性研究，一家行业领先的煤层气公司同意支持我们在山西沁水盆地建设我们第一个商业化甲烷回收厂。这是位于世界上最大煤层气储量地区之一的小型工厂。我们的团队花了五个月的时间进行现场安装、调试和测试。

通过在网站上发布信息以及发表论文，我们成功赢得了北美和欧洲客户的销售订单。我们能够利用中国合作伙伴的工厂大规模生产材料并处理废物。借助于他人的设施我们将产品升级时间缩短了两到三年。

有效沟通

沟通不畅可能是拖延商业化进程的最大原因。误解既浪费了时间和金钱，又造成了关系紧张和事项拖延。良好的沟通能够建立信任。人员组成健全的大团队（会计师、工程师、科学家和销售人员）是成功的必要条件，但并非人人都能心有灵犀。我们需要找到一种平衡，团结整个团队，让每个人处于和谐的工作氛围中，并将专业化的工作分配给各个子团队以提高效率。语言和文化障碍可能是国际合作会碰到的一个问题，任命能跨文化背景工作的人员是关键一步。

跨学科交流也很关键。例如，在建造示范工厂之前，我们在设计、机械和电气工程师的参与下，将管道和仪表图中的每样东西都排练了至少20遍。在整个过程中我们不断与他们交流。当因雨季造成项目进展中断时，他们得以帮助我们迅速回到正轨，例如提高了仪器防水性。

下一步的发展

更艰巨的工作还在后头——提高生产力、融资，以及建立稳健的供应链。我们需要使产品和收入来源多样化，并聘请全职人才。对我们来说，这是学术界之外的第二份工作。如果我们知道前路如此，可能会通过全职工作更快地实现商业规模。

如果能再有同样的机会，我们会更早地成立孵化公司，更频繁地与工业界接触，在行业会议或展览上获得更多反馈，并更早地将我们的技术投入商业环境。我们可能会在不同的国家分别申请专利，而不是通过缓慢的国际流程。

我们呼吁知识产权保护部门加快专利审查程序，与其他司法部门更有效地沟通，并且避免重复的专利检索和查询。

政府和机构支持对商业化过程非常重要。创新中心或园区需要得到长期支持。资金配套和培训应该更加系统化和广泛。研究人员应随时能得到知识产权保护和商业化方面的培训，来自具有商业经验的导师和本身参与商业化的企业家。董事课程以及管理和商业方面的培训也会有所帮助。

最后，我们鼓励有创业精神的实验室研究人员以耐心、毅力和积极主动的心态迎接这一旅程。

参考文献：

1. Li, G., May, E. F., Webley, P. A., Huang, S. H. & Chan, K. I. Method for gas separation. US Patent US20170348670A1 (2015).

2. Rufford, T. E. et al. J. Pet. Sci. Eng. 94–95, 123–154 (2012).

3. Peters, A. W., Howarth, A. J. & Farha, O. K. Nature 551, 433–434 (2017).

4. May, E. F. et al. Sep. Purif. Technol. 177, 161–175 (2017).

5. Hu, G. et al. Chem. Eng. J. 427, 130810 (2022).

6. Hu, G., Manning, M., Li, G., Xiao, Y. & Webley, P. A. A method for increasing concentration of easily adsorbed gas by pressure swing adsorption. China patent CN110354637B (2021; in Chinese).

利益冲突：

Guoping Hu、Eric F. May、Kevin Gang Li为盖氏科技（Gas Capture Technologies, Pty., Ltd）的股东及董事。

原文以We commercialized a methane capture technology in ten years — here’s how为标题发表在2022年4月12日《自然》的评论版块上