生物炼制 工业过程与产品 下PDF电子书下载

第1部分　生物基产品家族谱 1

碳水化合物基产品链 1

1 生物质的关键糖——可利用性、当前非食物用途及未来发展前景 1

1.1　引言 1

1.2　单糖和双糖的获取 2

1.3　当前非食用工业糖 4

1.3.1　乙醇 4

1.3.2　糠醛 5

1.3.3　D-山梨醇（D-葡糖醇） 6

1.3.4　乳酸→聚乳酸 6

1.3.5　糖基表面活性剂 7

1.3.6　山梨醇酯 7

1.3.7　N-甲基-N-酰基-葡糖胺 8

1.3.8　烷基聚葡糖苷 8

1.3.9　蔗糖脂肪酸单酯 9

1.3.10　药物和维生素 10

1.4　进一步发展糖基化学品——有潜力的开发方向 11

1.4.1　呋喃化合物 11

1.4.2　吡喃酮和二氢吡喃酮 15

1.4.3　糖衍生的不饱和N-杂环 18

1.4.4　糖基芳香族化合物 22

1.4.5 六碳糖到简单羧酸和醇的微生物转化 25

1.4.6　糖类到羧酸的化学转化 29

1.4.7　源自可聚合糖衍生物的生物聚合物 32

1.5　结论 40

参考文献 42

2 淀粉产业——生产现状、改性及应用 51

2.1　引言 51

2.1.1　淀粉的历史 51

2.1.2　淀粉工业化生产的历史 51

2.1.3　淀粉改性的历史 52

2.2　淀粉生产的原料 52

2.3　淀粉的工业化生产 54

2.3.1　玉米及蜡玉米 55

2.3.2　小麦 56

2.3.3　马铃薯 57

2.3.4　木薯 58

2.3.5　其他淀粉 58

2.4　商品淀粉的性质 59

2.5　淀粉的改性 62

2.5.1　改性工艺 62

2.5.2　淀粉改性类型 64

2.6　淀粉和淀粉衍生物的应用 67

2.6.1　在造纸业和瓦楞工业中的应用 68

2.6.2　在纺织业中的应用 70

2.6.3　作为黏合剂的应用 71

2.6.4　在建筑业中的应用 72

2.6.5　在医药品和化妆品中的应用 73

2.6.6　洗涤用淀粉 73

2.6.7　淀粉的生物转化 74

2.6.8　淀粉的其他应用 75

2.7　未来趋势和发展 76

2.7.1　用新生物技术生产定制淀粉 76

2.7.2　产生新性质的新改性技术 77

2.7.3　新领域的应用 77

参考文献 77

3 木质纤维素基化学品及其产品家族谱 80

3.1　引言 80

3.2 19～20世纪木质纤维素利用的化学及技术层面的历史回顾 81

3.2.1 公元1800年前的木质纤维素化学 81

3.2.2 19世纪的木质纤维素化学 82

3.2.3 19世纪至20世纪初木质纤维素的工业利用 85

3.3　木质纤维素类原材料 85

3.3.1　定义 85

3.3.2　来源和组成 87

3.4　木质纤维素生物炼制 91

3.4.1　背景 91

3.4.2 LCF生物炼制 92

3.4.3 LCF转化方法 94

3.5　木质素基产品链 96

3.5.1　分离和应用领域 96

3.5.2　木质素基产品家族谱 98

3.6　半纤维素基产品链 99

3.6.1　分离和应用领域 99

3.6.2　半纤维素基产品家族谱 99

3.6.3　糠醛和糠醛基产品 102

3.7　纤维素基产品链 107

3.7.1　分离、炼制和应用领域 107

3.7.2　纤维素基关键化合物 107

3.7.3 HMF和乙酰丙酸基产品家族谱 117

3.8　总结与展望 117

参考文献 118

木质素产品链和木质素基产品家族谱 130

4 木质素化学及其在生物质转化中的作用 130

4.1　引言 130

4.2　历史回顾 130

4.3　木质素的结构 131

4.3.1　定义 131

4.3.2　苯丙烷单元的连接方式 131

4.3.3　连接方式和官能团 134

4.4　木质素在生物质转化中的作用 137

4.4.1　引言 137

4.4.2　来源于木质素的低分子量化学品 137

4.4.3　聚合产品 137

4.4.4　生物降解 138

参考文献 138

5　木质素的工业产品及应用 142

5.1　引言 142

5.2　木质素生产和应用的历史概述 144

5.2.1　来源于亚硫酸盐制浆工业的木质素磺酸盐 145

5.2.2　来源于硫酸盐制浆工业的木质素 145

5.2.3　来源于碱法制浆工业的木质素 146

5.3　目前已工业化的木质素产品 147

5.3.1　木质素磺酸盐 147

5.3.2　硫酸盐制浆及硫酸盐木质素的回收 150

5.3.3　碱法制浆工艺生产的木质素 151

5.3.4　来源于其他生物质加工工艺的木质素 151

5.3.5　木质素商品的物理和化学性质比较 151

5.4　生物炼制的木质素 151

5.4.1　去除木质素和半纤维素有利于纤维素的糖化和发酵 151

5.4.2　有机溶剂生物炼制生产木质素 153

5.5　木质素的应用和市场 154

5.5.1　酚醛树脂的应用 154

5.5.2　生物炼制木质素在酚醛树脂生产中的潜在应用 155

5.5.3　面板胶黏剂 156

5.5.4　用于模制品的热固性树脂 157

5.5.5　摩擦材料 157

5.5.6　铸造用树脂 157

5.5.7　绝缘材料 158

5.5.8　装饰层压板 158

5.5.9　面板和门的黏合剂 158

5.5.10　橡胶工业 158

5.5.11　木质素在酚醛树脂市场的机遇 159

5.6　木质素抗氧化剂 160

5.6.1　动物饲料添加剂中的抗氧化剂 160

5.6.2　橡胶工业中的抗氧化剂 160

5.6.3　润滑剂工业中的抗氧化剂 161

5.7　水溶性木质素衍生物的应用 161

5.7.1　混凝土掺和剂 161

5.7.2　染料分散剂 162

5.7.3　沥青乳化剂 163

5.7.4　农业应用 164

5.7.5　除草剂、杀虫剂和杀真菌剂中的分散剂 165

5.8　木质素应用的新市场 165

5.8.1　印刷电路板树脂 166

5.8.2　在动物健康方面的应用 166

5.8.3　动物饲料添加剂 167

5.8.4　碳纤维在大规模汽车生产中的应用 167

5.9　结论及展望 169

参考文献 170

蛋白质产品链和氨基酸基产品家族谱 172

6 面向生物炼制和利用微生物进行氨基酸生产的整合技术研究 172

6.1　引言 172

6.2　工业现状 172

6.2.1　微生物氨基酸生产 172

6.2.2　生物炼制和标准构件概念 173

6.2.3　代谢工程和标准构件概念 175

6.3　微生物氨基酸生产与生物炼制整合需考虑的环境和商业因素 176

6.4　微生物氨基酸发酵与生物炼制整合的技术限制 178

6.4.1　防污染控制 178

6.4.2　碳源 178

6.4.3　氮源 180

6.4.4　磷源 180

6.4.5　混合和氧气供应 180

6.4.6　毒性 181

6.4.7　培养温度 181

6.5　结论与展望 181

致谢 183

参考文献 183

7 蛋白基聚合物——生物质生产与工程力学基础 185

7.1　引言 185

7.1.1　定义 185

7.1.2 水中的蛋白质 185

7.1.3　水中蛋白质的热力学 186

7.1.4　疏水缔合与逆温转变 186

7.1.5　蛋白基聚合物工程中弹性的作用 187

7.1.6　蛋白基聚合物材料的优点 187

7.2　历史概要 188

7.2.1　（弹性）蛋白基聚合物开发的历史起源 188

7.2.2　力学基础：基本工程原理 189

7.2.3　生物质生产的亮点 190

7.3　生物质生产 192

7.3.1　利用DNA重组技术构建基因 192

7.3.2　转化大肠杆菌以表达蛋白基聚合物 193

7.3.3　利用重组大肠杆菌进行发酵 193

7.4　蛋白基聚合物的纯化 193

7.4.1　用逆温转变作为纯化方法 194

7.4.2　物理特性的描述及产物完整性的验证 195

7.4.3　生物兼容性 196

7.5　蛋白基聚合物工程的力学基础 198

7.5.1　现象学规律 198

7.5.2　疏水缔合的吉布斯自由能变化（△G°HA） 199

7.5.3　疏水性机理和弹性机理的偶合 202

7.6　应用实例 203

7.6.1　软组织修复 203

7.6.2　两性药物分子的受控释放装置及治疗学 204

7.6.3　具有更高弹性模量、断裂应力和断裂应变的纤维 205

7.6.4　可逐步被生物降解的热塑性物质 205

7.6.5　声音吸收 206

7.7　前景和展望 206

7.7.1　基因构建和表达的蛋白基聚合物列述 206

7.7.2　在其他微生物和植物中实现低成本生产的努力 209

7.8　专利 209

7.8.1 D.W.Urry的关于蛋白基聚合物的专利 209

7.8.2 USPTO所要求的部分专利的重新审查结果 212

致谢 213

参考文献 213

生物基油脂 216

8 以油脂作为化学工业可再生原料的新合成 216

8.1　引言 216

8.2　不饱和脂肪族化合物的反应 216

8.2.1　氧化 218

8.2.2　过渡金属催化合成芳香族化合物 221

8.2.3　链烯烃的置换 221

8.2.4　周环反应 222

8.2.5　自由基加成反应 223

8.2.6　路易斯酸诱导的正离子加成 226

8.2.7　反极性不饱和脂肪酸的亲核加成 227

8.3　饱和脂肪族化合物的反应 227

8.3.1　自由基C-C键偶合 227

8.3.2 C-H键的官能团化 229

8.4　酶促反应 231

8.4.1　脂肪酶催化转化 231

8.4.2　微生物转化 232

8.4.3　油／脂和葡萄糖经微生物转化成糖脂 234

8.5　通过植物育种对天然油脂进行改良 234

8.5.1　基因技术作为植物育种方法学上的一种扩充 235

8.5.2　改造适用的农业品种以制备高品质油 235

8.5.3　育种优化的可再生原料综述 236

8.5.4　基因工程技术的利用总结 240

8.6　展望 240

致谢 241

参考文献 241

9 生物基油脂化学品的工业进展与应用 249

9.1　引言 249

9.2　原料 249

9.3　生态相容性 251

9.4　产品示例 251

9.4.1　油脂化学品在高分子材料中的应用 252

9.4.2　用于润滑油的可生物降解脂肪酸酯 256

9.4.3　源自植物油的表面活性剂和乳化剂 258

9.4.4　软化剂 265

9.5　展望 267

9.6　商标 267

参考文献 267

特殊成分和下游产品 270

10 生物炼制中的植物化学品、染料和色素 270

10.1　引言 270

10.2　历史概要 270

10.3　从玉米和大豆中提取的植物化学品 271

10.3.1　植物甾醇 272

10.3.2　卵磷脂 272

10.3.3　生育酚 273

10.3.4　类胡萝卜素 274

10.3.5　植物雌激素 275

10.3.6　皂素 275

10.3.7　蛋白酶抑制剂 276

10.4　前景和展望 276

参考文献 277

11 为绿色化学增色——概述叶绿素的基本理论及发展潜力 279

11.1　引言 279

11.2　历史概要 279

11.3　叶绿素基本原理 280

11.3.1　分布和基本结构 280

11.3.2　叶绿素化学的基本原理 281

11.3.3　叶绿素的分离 282

11.4　叶绿素的分解和化学转化 283

11.4.1　叶绿素的生物降解 283

11.4.2　叶绿素的地质降解——石油卟啉 284

11.4.3　叶绿素的化学降解 286

11.5　叶绿素衍生物的工业应用 287

11.6　关注“绿色”叶绿素化学 290

11.7　前景与展望 292

致谢 293

参考文献 293

第2部分　生物基工业产品、原料和消费产品 296

12 生物质工业化学品——工业概念 296

12.1　引言 296

12.2　历史概要 296

12.3　基本原则 298

12.3.1　生物质的主要转化技术 298

12.4　现状 300

12.4.1　欧洲 300

12.4.2　美国 300

12.4.3　产品 301

12.5　工业概念 302

12.5.1　引言 302

12.5.2　生物炼制概念 302

12.5.3　生物产品的种类 304

12.5.4　工业生物产品的机遇 304

12.5.5　基于六碳糖的生物产品分类 306

12.5.6　基于戊糖的生物产品分类 306

12.5.7　由糖生产生物产品的热化学转化 306

12.5.8　油脂基生物产品的热化学转化 307

12.5.9　经气化得到的生物产品 307

12.5.10　经热裂解得到的生物产品 308

12.5.11　生物复合材料 308

12.6　展望与前景 308

参考文献 310

13 丁二酸——一种由可再生资源生产化工产品的标准构件化合物 312

13.1　引言 312

13.2　原料供应的经济性 313

13.3　丁二酸发酵 314

13.4　丁二酸的催化转化 316

13.5　目前的石化生产工艺 317

13.5.1　1,4-丁二醇、四氢呋喃、γ-丁内酯和N-甲基吡咯烷酮 317

13.6　目前的生物基技术工艺 318

13.6.1　1,4-丁二醇、γ-丁内酯和N-甲基吡咯烷酮 318

13.6.2　丁二酸二铵衍生物 319

13.7　结论 320

参考文献 321

14　利用可再生资源制备聚乳酸 322

14.1　引言 322

14.2　乳酸 323

14.2.1　乳酸的生产过程 323

14.2.2　发酵生产 324

14.2.3　酸化 326

14.2.4　纯化 327

14.3 PLA生产 329

14.3.1　丙交酯聚合 330

14.4　晶体熔点的控制 332

14.5　通过分子量和支链控制的流变学 334

14.5.1　线性PLA的熔体流变学 334

14.5.2　支链PLA的熔体流变学 334

14.5.3　支链技术 335

14.6　熔体稳定性 336

14.7　应用 336

14.8 PLA立体复合物 337

14.9　化石资源的使用和温室气体 338

14.10　总结 338

参考文献 340

15 生物基化妆品 344

15.1　引言及历史概要 344

15.1.1　化妆品的过去和现状 344

15.1.2　仿生学：向自然界学习 344

15.2　甜菜碱——利用糖用甜菜制得的调理剂 345

15.2.1　发现 345

15.2.2　化学性质 346

15.2.3　生产 346

15.2.4　应用领域 347

15.2.5　化合出的新品——甜菜碱酯 348

15.2.6　结论与展望 349

15.3　壳聚糖——来自海洋的定发产品 349

15.3.1　壳质——壳聚糖的前体 349

15.3.2　壳质的存在 350

15.3.3　生产 350

15.3.4　壳聚糖在化妆品中的应用 352

15.3.5　结论与展望 354

15.4　从能量贮备到香波瓶——生物聚合物 355

15.4.1　可生物降解包装 355

15.4.2　什么是生物聚合物 355

15.4.3　生物聚合物的可生物降解性 357

15.4.4　香波瓶的发展史 358

15.4.5　生物聚合物的出路 360

15.5　天然的苹果皮蜡——护发及护肤 361

15.5.1　原料来源 361

15.5.2　苹果皮蜡 361

15.5.3　观察 362

15.5.4　苹果皮蜡的生产 363

15.5.5　化学成分 364

15.5.6　作用方式及应用 365

15.5.7　投放市场 367

15.5.8　结论与展望 368

15.6　冬青属树脂——从滑亮的树叶到滑亮的头发 368

15.6.1　冬青树 368

15.6.2　树脂成分的提取 369

15.6.3　在化妆品中的作用 369

15.6.4　结论与展望 370

参考文献 371

第3部分　生物基工业：经济、商业化、可持续性 373

16 工业生物技术——利用经济潜能创造条件 373

16.1　引言 373

16.2　发掘潜力的时机 373

16.2.1　前景如何 374

16.2.2　技术越优、成就越快 375

16.2.3　环境和生态的友好性 375

16.2.4　重燃化学革命之火 377

16.2.5　各公司的举措 378

16.3　残余生物质的重要性 378

16.3.1　为何废弃生物质可用 379

16.3.2　经济效益和管理 379

16.3.3　任重而道远 380

16.3.4　合作将推动生物质转化向前发展 381

16.4　克服面临的挑战 381

16.4.1　内部障碍 381

16.4.2　外部挑战 383

16.5　克服挑战前行 383

16.5.1　案例1：构建一个工业生物技术策略 384

16.5.2　案例2：确认合适的机会 384

16.5.3　案例3：管理的不确定性 385

16.5.4　案例4：为入市和市场开发做准备 386

16.5.5　案例5：建立一个有利的外部环境 386

16.6　再接再厉迎挑战 387

索引 388