能源化学与材料前沿丨生物基聚酰胺材料

聚酰胺（polyamide，PA），俗称尼龙，具有柔韧性、弹性回复性、耐磨性、耐腐性、吸湿性及轻量性等优良性能，自实现工业化生产以来已广泛应用于机械、纺织、汽车、电子电器等领域。

生物基聚酰胺是指利用可再生的生物质为原料，通过生物、化学及物理等手段制造用于合成聚酰胺的前体，包括生物基内酰胺、生物基二元酸、生物基二元胺等，再通过聚合反应合成的高分子材料，具有绿色、环境友好、原料可再生等特性。

在当今“低碳经济”的环境下，生物基聚酰胺材料具有十分广阔的发展前景。目前已经商品化的生物基聚酰胺产品中，主要有 PA1010、PA11、PA610、PA410 等，此外还有多种生物基聚酰胺正在研发。虽然目前已经商品化的聚酰胺产品中，生物基聚酰胺仅占 1%左右，但生物技术及相关新技术的发展引起了全球众多研究机构对生物基聚酰胺的浓厚兴趣。

生物基聚酰胺按照合成前体结构的不同，分为两种类型，一类是通过氨基酸缩聚或者内酰胺开环聚合而成的聚酰胺；另一类是通过二元胺和二元酸缩聚而成的聚酰胺。

同石油基材料相比，生物基材料减少了二氧化碳的排放及对石油的依赖，同时生产过程更加绿色环保，符合社会的可持续发展需求。以生物质资源为原料生产材料单体，因其在节能减排、保护环境等方面的优势，也受到各国政府的充分认可和大力支持。

美国一直将生物基材料的研发作为其“生物质研究多年项目计划”和“生物基产品与生物能源”研发相关项目的重要内容，并在近年来通过农业部、能源部及国防部等多家政府机构联合开展项目资助与产业促进；欧盟在《持续增长的创新：欧洲生物经济》中，将生物经济作为实施欧洲 2020 战略、实现智慧发展和绿色发展的关键要素；德国在《国家生物经济政策战略》中提出，通过大力发展生物经济，实现经济社会转型，增加就业机会，提高德国在经济和科研领域的全球竞争力。

我国在《“十三五”生物产业发展规划》中指出要以新生物工具创制与应用为核心，构建大宗化工产品、化工聚合材料、大宗发酵产品等生物制造核心技术体系，持续提升生物基产品的经济性和市场竞争力。建立有机酸、有机胺等基础化工产品的生物制造路线，取得对石油路线的竞争优势，实现规模化生物法生产与应用；推进化工聚合材料单体的生物制造和聚合改性技术等的发展与应用，推动包括生物基聚氨酯在内的产品的规模化生产和示范应用，实现生物基材料产业的链条式、集聚化、规模化发展。

在政策支持和企业引领的带动下，经过多年的研究和发展，全球生物基材料，包括生物基聚酰胺材料的发展已经逐步进入大规模实际应用和产业化阶段。然而，要发展生物基聚酰胺材料产业仍然面临着诸多困难，其中原料来源及生产成本是限制其发展的主要障碍。就原料而言，虽然可再生的资源有很多，但并非都可以用于制备生物基聚酰胺，所以可再生的聚酰胺原料仍然有限。因此扩展生物基聚酰胺生产原料的研究目前在很多国家进行，如美国、日本等，主要的研究对象包括餐厨垃圾、旧纸张等废弃物；农作物非食用部分、林地残留物等未利用废弃物；油脂植物、糖类作物等资源作物；海洋植物、转基因植物等新类型作物。通过原料的开拓可以有效减少目前用于生物基聚酰胺生产的粮食作物等的使用量，更突出环境友好性。

综上所述，作为一项对社会有深远影响的新技术的开发，未来生物基聚酰胺的研究与技术开发需要从以下几个方面开展。

1.政策引导。在以政府提出生物经济强国为目标的政策导向下，生物基聚酰胺技术已经获得了多项政策支持，未来应继续加大政策支持力度，将为生物基聚酰胺的发展提供前所未有的长久发展机遇。

2.校企合作。行业内的龙头企业与高校和研究单位应在生物基聚酰胺技术的研发与推广方面充分合作，发挥企业资金优势和研究单位技术优势，共同开发和受益，以共同推进生物基聚酰胺产业的进一步发展。

3.立足科技创新。我国拥有全球最大的聚酰胺行业生产规模和产量，但研发投资能力的不足严重制约了先进生产技术的研发与应用，尚未形成系统的生物基聚酰胺技术创新体系，存在能耗高、产率低等问题，亟须加速整个行业的转型和升级。因此，生物基聚酰胺的核心技术创新、产品结构调整、产业链延伸尤为重要。我国聚酰胺相关企业应立足科技创新，促进我国聚酰胺行业的持续稳步发展。

作者简介

陈可泉，1982年生。南京工业大学教授、博士生导师，入选国家级高层次人才工程。主要从事材料单体的生物制造及应用研究，涉及生物催化剂的构建、生物反应过程强化、产品分离纯化及应用等。发表SCI论文90余篇，获授权国家发明专利30余项。获国家技术发明奖二等奖、教育部技术发明奖二等奖、中国石油和化学工业联合会技术发明奖二等奖、侯德榜化工科学技术奖青年奖等奖项。

欧阳平凯，1945年生。中国工程院院士，南京工业大学教授、博士生导师。我国最早介入生物化工领域的学科带头人，中国生物制造和工业生物技术的先行者和倡导者。长期研究生物技术应用于化工、材料、精细化工品的先进工程制造，在生物催化工程、新型生物化工装备及低劣生物质转化生产能源材料和化学品等方面率先做出了系列卓有成效的工作。获国家科学技术进步奖一等奖、国家技术发明奖二等奖、何梁何利基金科学与技术进步奖、杜邦科技创新奖等多项奖励和荣誉。

本文摘编自《生物基聚酰胺材料》一书文前及第一章部分，内容有删减，标题为编者所加。

《生物基聚酰胺材料》

陈可泉 欧阳平凯 等 编著

北京：科学出版社，2021.4

（能源化学与材料丛书 / 包信和总主编）

“十三五”国家重点出版物出版规划项目

ISBN 978-7-03-068569-8

责任编辑：李明楠

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内容简介

《生物基聚酰胺材料》主要内容包括四个部分：一是生物基聚酰胺的发展概况，主要包括生物基聚酰胺的种类与产业化现状、合成路线、单体制备技术及未来发展的趋势；二是生物基二元酸的制备技术，主要涉及生物基丁二酸、己二酸、壬二酸、癸二酸以及长链二元酸等原料的来源、制备过程和研究进展；三是生物基二元胺制备技术，主要涉及生物基 1, 3-丙二胺、1, 4-丁二胺、1, 5-戊二胺、1, 6-己二胺等原料的来源、制备过程和研究进展；四是油脂类与糖类原料制备生物基聚酰胺，包括材料的结构特性、合成工艺、应用及产业化现状等。

本书可供高等院校生物工程、生物技术、化学工程、高分子材料等专业的本科生和研究生用于知识拓展，也可供相关专业的教学工作者、科研工作者和工程技术人员参考。

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本书目录

丛书序

前言
第1章 生物基聚酰胺材料概述 1
1.1 生物基聚酰胺材料 1
1.1.1 生物基聚酰胺的种类 1
1.1.2 生物基聚酰胺的商业化和产业化现状 2
1.2 生物基聚酰胺材料的制备技术 7
1.2.1 油脂路线 7
1.2.2 氨基酸路线 8
1.2.3 多糖路线 9
1.3 生物基聚酰胺单体的研究现状 10
1.3.1 生物基二元酸 10
1.3.2 生物基二元胺 13
1.4 生物基聚酰胺材料的发展趋势 15
参考文献 17
第2章 生物基二元酸的制备 19
2.1 生物基二元酸概述 19
2.2 生物基丁二酸 19
2.2.1 丁二酸简介 19
2.2.2 丁二酸生产菌株及代谢途径强化 20
2.2.3 丁二酸发酵工艺调控及过程优化 31
2.2.4 丁二酸的分离纯化 34
2.2.5 丁二酸的国内外生产现状 35
2.3 生物基己二酸 36
2.3.1 己二酸简介 36
2.3.2 己二酸的生物合成 36
2.3.3 己二酸的国内外生产现状 45
2.4 生物基壬二酸 46
2.4.1 壬二酸简介 46
2.4.2 化学法制备壬二酸 46
2.4.3 生物法制备壬二酸 48
2.4.4 壬二酸的分离纯化 49
2.4.5 壬二酸的国内外生产现状 50
2.5 生物基癸二酸 51
2.5.1 癸二酸简介 51
2.5.2 化学法制备癸二酸 51
2.5.3 生物法制备癸二酸 52
2.5.4 癸二酸的分离纯化 54
2.5.5 癸二酸的国内外生产现状 55
2.6 长链二元酸 55
2.6.1 长链二元酸简介 55
2.6.2 生物法制备长链二元酸 56
2.6.3 长链二元酸的分离纯化 59
2.6.4 长链二元酸的国内外生产现状 60
2.7 总结与展望 60
参考文献 61
第3章 生物基二元胺的制备 71
3.1 生物基二元胺概述 71
3.2 生物基1, 3-丙二胺 71
3.2.1 1, 3-丙二胺的结构与性质 71
3.2.2 生物基1, 3-丙二胺的合成 72
3.3 生物基1, 4-丁二胺 73
3.3.1 1, 4-丁二胺的结构与性质 73
3.3.2 生物基1, 4-丁二胺的合成 74
3.3.3 1, 4-丁二胺的国内外产业化现状 77
3.4 生物基1, 5-戊二胺 77
3.4.1 1, 5-戊二胺的结构与性质 77
3.4.2 静息细胞催化制备生物基1, 5-戊二胺 78
3.4.3 微生物发酵合成1, 5-戊二胺 82
3.4.4 1, 5-戊二胺的分离纯化 88
3.4.5 1, 5-戊二胺的国内外产业化现状 89
3.5 生物基1, 6-己二胺 91
3.5.1 1, 6-己二胺的结构与性质 91
3.5.2 生物基1, 6-己二胺的合成 92
3.6 其他长链生物基二元胺的生产 92
3.6.1 生物转化长链醇合成二元胺 92
3.6.2 以油脂为原料化学催化合成二元胺 93
3.7 生物基二元胺制备的前景与展望 94
参考文献 94
第4章 油脂类原料制备生物基聚酰胺材料 99
4.1 油脂基聚酰胺材料概述 99
4.2 聚酰胺PA11 99
4.2.1 聚酰胺PA11结构与性质 99
4.2.2 聚酰胺PA11合成工艺 100
4.2.3 聚酰胺PA11性能、应用及改性 103
4.2.4 聚酰胺PA11国内外研究进展 105
4.3 聚酰胺PA1010 107
4.3.1 聚酰胺PA1010结构与性质 107
4.3.2 聚酰胺PA1010合成工艺 107
4.3.3 聚酰胺PA1010性能及应用 108
4.3.4 聚酰胺PA1010国内外研究进展 110
4.4 聚酰胺PA10T 111
4.4.1 聚酰胺PA10T结构与性质 111
4.4.2 聚酰胺PA10T合成工艺 111
4.4.3 聚酰胺PA10T性能及应用 112
4.4.4 聚酰胺PA10T国内外研究进展 113
4.5 聚酰胺PA610 114
4.5.1 聚酰胺PA610结构与性质 114
4.5.2 聚酰胺PA610合成工艺 114
4.5.3 聚酰胺PA610性能及应用 115
4.5.4 聚酰胺PA610国内外研究进展 116
4.6 聚酰胺PA1012 116
4.6.1 聚酰胺PA1012结构与性质 116
4.6.2 聚酰胺PA1012合成工艺 117
4.6.3 聚酰胺PA1012性能及应用 118
4.6.4 聚酰胺PA1012国内外研究进展 119
参考文献 120
第5章 糖类原料制备生物基聚酰胺材料 122
5.1 糖基聚酰胺材料概述 122
5.2 聚酰胺PA46 122
5.2.1 聚酰胺PA46结构与性质 122
5.2.2 聚酰胺PA46合成工艺 123
5.2.3 聚酰胺PA46性能及应用 125
5.2.4 聚酰胺PA46国内外研究进展 128
5.3 聚酰胺PA5X 129
5.3.1 聚酰胺PA56 129
5.3.2 聚酰胺PA510和PA5T 132
5.3.3 聚酰胺PA5X国内外研究进展 133
5.4 聚酰胺PA6 135
5.4.1 聚酰胺PA6结构与性质 135
5.4.2 聚酰胺PA6合成工艺 135
5.4.3 聚酰胺PA6性能及应用 135
5.4.4 聚酰胺PA6国内外研究进展 135
5.5 聚酰胺PA66 136
5.5.1 聚酰胺PA66结构与性质 136
5.5.2 聚酰胺PA66合成工艺及应用 137
5.5.3 聚酰胺PA66国内外研究进展 137
参考文献 138
索引 140

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（本期编辑：王芳）

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