生物基可降解材料的研究与应用

　　《“十四五”生物经济发展规划》将生物基材料纳入优先发展的四大生物经济领域，通过细胞工厂等生物系统生物制造获得单体或聚合物、并可在一定环境和时间内自然降解的生物基可降解材料是发展重点。本书主要介绍了生物基可降解材料的概念、种类、研究和应用进展以及未来发展趋势，系统介绍了从生物制造到回收利用的整个循环过程，包括从单体生物制造的底盘构建、发酵放大及分离纯化，到材料的化学合成与改性、应用及材料智能化，再到材料的降解、回收与综合利用。此外，还将工程活体材料纳入了视野，并介绍了几种最新发展起来的生物基可降解材料。本书是一部具有生物工程学与材料工程学学科交叉特色、突出生物制造的专著，可供相关领域研究人员参考。

　　赵黎明博士，华东理工大学教授、博士生导师，海军军医大学第二附属医院兼职特聘教授，国家高层次人才特殊支持计划创新领军人才（万人领军），国际期刊Food Bioengineering创刊主编。现任华东理工大学科学技术发展研究院院长、国家技术转移中心主任，中国轻工业生物基材料工程重点实验室主任。兼任中国食品科学技术学会食品添加剂分会理事长、休闲食品加工技术分会副理事长，中国生物发酵产业协会益生制品分会副理事长。研究方向：食品药品与材料工程。近年来承担国家863计划、国家重点研发计划课题以及企业重大项目任务20余项，发表学术论文150余篇，申请发明专利60余件，出版中、英文学术专著3部，主编教材2部，获得省部级科技奖励6项。

第1章绪论1
1.1生物基高分子材料的分类及特点2
1.1.1生物基高分子分类3
1.1.2生物基高分子特点4
1.2生物基含量测量与评价4
1.3生物基材料的生命周期与化学回收5
1.4生物基材料发展现状5
1.4.1生物基材料产业化现状5
1.4.2生物基材料应用与发展6
1.4.3发展生物基塑料的意义7
1.5展望8
第一编生物基材料的生物制造
第2章生物基材料单体的生物制造11
2.1生物制造和生物过程优化11
2.1.1分子智能化12
2.1.2途径智能化12
2.1.3底盘细胞智能化12
2.2生物过程及其智能化途径13
2.2.1微生物细胞宏观生理代谢特性13
2.2.2微生物细胞微观生理代谢特性13
2.2.3反应器流场特性与细胞生理特性相结合14
2.3有机酸类生物基材料单体的生物制造15
2.3.1乳酸的生物制造15
2.3.2长链二元酸的生物制造24
2.3.3琥珀酸的生物合成29
2.3.4呋喃二甲酸的生物合成35
2.3.5己二酸的生物合成37
2.3.6生物基对苯二甲酸39
2.4其他生物基聚酯单体42
2.4.1生物基乙二醇42
2.4.21，4丁二醇的生物制造44
2.4.31，3丙二醇的生物制造46
2.5生物基聚丁内酰胺（PA4）单体制备48
2.5.1聚丁内酰胺及其性质49
2.5.2γ氨基丁酸及其生物合成49
2.5.3PA4单体丁内酰胺的制备及合成52
2.6有机酸类生物基材料单体的分离纯化54
2.6.1沉淀法54
2.6.2萃取法55
2.6.3离子交换法56
2.6.4膜过滤法57
2.6.5分子蒸馏法59
2.7发酵过程智能化60
2.7.1发酵过程参数60
2.7.2检测技术62
2.7.3展望65
参考文献66
第3章生物基聚合物的生物制造80
3.1生物基大分子的合成生物学途径和底盘细胞的构建方法80
3.1.1底盘细胞81
3.1.2生物基材料合成相关代谢途径改造及应用88
3.2聚羟基脂肪酸酯的生物合成94
3.2.1PHA的多样性与生物合成95
3.2.2生物合成PHA的主要策略97
3.3聚乳酸的生物合成103
3.4甲壳素及其生物合成106
3.4.1甲壳素简介106
3.4.2甲壳素的制备方法109
3.4.3甲壳素的生物合成111
3.5聚丁内酰胺及生物合成113
3.5.1酶转化法113
3.5.2PA4合成的代谢工程调控策略与底盘细胞筛选113
3.5.3结语115
3.6γ聚谷氨酸116
3.6.1γPGA的制备方法117
3.6.2合成γPGA的微生物118
3.6.3γPGA的生物合成酶系与调控蛋白119
3.6.4微生物合成γPGA工艺优化121
3.7ε聚赖氨酸124
3.7.1εPL高产菌育种125
3.7.2εPL的发酵生产128
3.7.3小结130
3.8聚苹果酸130
3.8.1微生物合成131
3.8.2聚苹果酸发酵的优化133
3.8.3应用134
3.8.4发展前景135
参考文献136
第4章工程活体材料165
4.1工程活体材料的概念和组成165
4.2工程活体材料的应用研究167
4.2.1基于细菌纤维素的活体材料应用研究167
4.2.2基于生物被膜淀粉样蛋白的活体材料应用研究169
4.2.3活体材料用于生物传感的应用研究172
4.2.4基于微生物的活体治疗应用174
4.2.5活体建筑材料175
4.2.6活体材料用于电子传递与能量转换177
4.3活体材料的规模化生产和加工177
4.3.1活体材料的规模化生产177
4.3.2活体材料的制造和加工180
参考文献183
第二编生物基材料的化学合成与改性
第5章生物基材料的化学合成191
5.1生物基聚酯类191
5.1.1聚丙交酯（PLA）191
5.1.2聚丁二酸丁二醇酯（PBS）201
5.1.3聚2，5呋喃二甲酸乙二醇酯（PEF）203
5.1.4聚乙醇酸（PGA）205
5.1.5聚对苯二甲酸乙二酯（PET）207
5.1.6聚碳酸酯（PC）209
5.1.7聚氨酯（PU）210
5.1.8聚β羟基丁酸酯（PHB）211
5.2生物基聚丁内酰胺211
5.2.1PA4的化学合成211
5.2.2结语214
参考文献214
第6章生物基材料的改性221
6.1物理改性221
6.1.1增韧改性221
6.1.2增强改性228
6.1.3阻燃改性232
6.1.4合金化235
6.1.5其他功能化改性239
6.2化学改性239
6.2.1支化改性239
6.2.2共聚改性240
6.2.3端基改性245
参考文献247
第7章生物基材料的应用开发254
7.1生物基材料在包装领域的应用255
7.1.1食品包装255
7.1.2日用品包装259
7.1.3汽车领域260
7.2生物基材料在农业领域的应用261
7.2.1在种植业领域的应用261
7.2.2在林业领域的应用262
7.2.3在渔业领域的应用263
7.3生物基材料在医学领域的应用264
7.3.1组织工程支架264
7.3.2可吸收手术缝合线265
7.3.3骨钉268
7.3.4药物控制缓释载体269
7.3.5医用敷料271
7.4生物基可降解纤维材料273
7.5结语275
参考文献276第8章智能化生物基可降解材料282
8.1形状记忆材料282
8.2刺激响应生物基可降解材料284
8.2.1智能药物输送系统285
8.2.2智能水凝胶285
8.2.3静电纺纳米纤维285
8.2.4响应型智能食品包装286
参考文献287
第三编生物基材料的生命周期
第9章生物基材料的降解291
9.1基本概念291
9.1.1可降解塑料291
9.1.2光降解291
9.1.3热氧降解292
9.1.4水降解293
9.1.5生物降解293
9.2降解性能评价方法294
9.2.1淡水环境降解295
9.2.2可堆肥化降解296
9.2.3可土壤降解298
9.2.4海洋环境降解298
9.2.5污泥厌氧消化降解299
9.2.6高固态厌氧消化降解299
9.3降解机理研究方法300
9.3.1降解程度分析方法300
9.3.2分子量分析方法302
9.3.3表观形貌分析方法303
9.3.4结构分析方法303
9.3.5力学性能分析方法305
9.4生物基可降解材料的研究进展306
9.4.1聚乳酸306
9.4.2聚羟基脂肪酸酯310
9.4.3聚乙烯醇312
9.4.4聚丁内酰胺314
9.5生命周期评价315
9.5.1生命周期评价的起源和发展315
9.5.2生命周期评价的意义317
9.5.3案例分析317
参考文献324
第10章材料的回收与综合利用327
10.1聚合物材料回收概况327
10.1.1聚合物材料的生命周期327
10.1.2聚合物废物来源328
10.1.3聚合物材料的回收方法329
10.1.4开环回收与综合利用331
10.2机械回收332
10.2.1重用、分类与一次回收332
10.2.2机械回收的方法与步骤333
10.2.3分离方法333
10.2.4机械回收面临的挑战335
10.2.5机械回收生物基材料337
10.2.6机械回收生物基材料混合物340
10.3化学回收341
10.3.1化学物质的回收方法和途径341
10.3.2化学回收纯生物基材料343
10.3.3生物基PA、PUR和PC的回收344
10.3.4化学回收生物复合材料346
10.4能量回收348
10.4.1裂解348
10.4.2气化与加氢裂化350
10.4.3热解气化产物毒性352
10.5局限、挑战与机遇353
参考文献355
索引358