生物质资源化学

生物质资源化学

第一章生物质资源化学概论

第一节生物质资源化学的发展

1.生物质资源的定义

自然资源：一定时间、空间条件下自然界中一切能够为人类所利用并产生的经济价值的、能够提高人类当前和未来福利的自然诸要素总和。

生物资源：生物圈中对人类有一定经济价值的动物、植物、微生物及其组成的生物群落

生物质：地球上一切生物（动物、植物、微生物）产生的生物量

生物质资源：广义上?

狭义上

2.生物质资源化学的研究内容和重要性

生物质资源化学区别于生物学，生物学是研究结构功能以及对其进行改进；

生物质资源化学：以生物质为原料进一步加工加以利用。

研究的三大内容：

（1）能源与燃料（最广泛）

常规能源：传统石化能源，非传统石化能源如页岩气

新能源：太阳能、风能、地热能、核能、生物质能（航空油）

（2）化工产品

生物质资源几乎可代替石油生产所有化工原料（目前成本等问题尚未解决）（3）材料（丝绸）

重要性

生物质资源引起重视和广泛研究源于2个原因：

①石油资源的枯竭（/过度开采煤炭资源造成地陷或者其他环境问题）；全球三大问题——资源枯竭、人口膨胀、环境污染，根本问题在于资源枯竭

②生物可降解性（石油加工的许多产品难降解）

（③结构独特，如甲壳素）

目前全世界都在积极进行生物质资源的研究（生物质资源是石化资源的20倍，量大且可再生可降解）

3.生物质资源分类

按照分子大小分类：

天然高分子：分子量>2000，基团确定，分子结构难以确定，一般为混合物

天然小分子：分子量<2000，基团确定且分子结构确定

结构不同研究方式方法不同

按照结构（基团）分类：醇、胺、羧酸、酯、酚、芳香族、脂肪族

按照应用角度分为：蛋白质、多糖、药物、油脂

4.生物质资源特点

①天然可再生（本质上是对太阳能的利用）

②生物亲和性、生物分解性

③独特的化学结构和功能

对其合理利用可达到2点效果：资源不枯竭、减少环境污染

5.生物质资源发展

（1）最初淀粉造酒，竹子制纸

（2）变性淀粉，如纤维素化工（起源？）

（3）化学生物物理阶段

第二节生物质资源化学的研究方法

1.基本途径和原理

原理：顺应其结构（符合绿色化学、原子经济学）

基本途径：

化学处理，化学反应改造（无机有机，醚化、酯化、络合物、螯合物、共聚、缩合、接枝）

物理处理，如超声波（断链，大分子改造为小分子），光照，共混，蒸汽爆破

生物与酶处理，如发酵，植物组织培养，基因工程；甲醇汽油、乙醇汽油

2.结构和性能研究的方法

①纯度分析

方法：

液相色谱：除了永久性气体物质都可适用

气相色谱：针对挥发性（热稳定）气体

电泳：适用于（带电荷高分子）蛋白质、核糖核酸、糖类

②结构分析

高分子：具有化学结构（元素组成）、二级结构（分子量和分子量分布，有条件还可测量链结构，色谱（利用分子大小不同分离）、x-衍射、红外）、聚集态结构（链与链之间的结构，热分析、电镜）；核磁？

低分子：（只有）化学结构（需要检测）；四大分析方法：红外光谱（IR）、核磁共振（HMR）、紫外可见（UV-VIS）、质谱（MS）

③性能测试，如力学、光学、生物降解性能、电学

第三节几种重要的生物质资源

纤维素甲壳素淀粉胶原蛋白大豆蛋白各种多糖天然药物油脂天然树脂

第二章提取分离技术

第一节提取

1.萃取：利用物质在不同溶剂中的溶解性能不同

全分析的萃取顺序：有机溶剂（小分子如生物碱）→极性溶剂（极性基团如黄酮）→水（高分子如多糖、蛋白质）→酸或碱（带酸或碱基团的高分子）

方法：浸渍（适用于对温度敏感的组分，影响因素：温度、时间、用量、粉碎程度）、煎煮、回流提取

2.蒸馏：利用物质的沸点不同，常用于香料（如玫瑰精油）、一些生物碱

直接蒸馏：完全利用沸点，物质按照沸点高低顺序分离

水蒸气蒸馏：分离相与水不互溶，利用温度达到水沸点时的分压的差异，凭借水蒸气将分离相带出

3.压榨：常用于食用油（如茶油、菜籽油）以及工业上的桐油?

以上3种为温和的物理方法 4.化学处理（反应）：如纤维素用碱高温蒸煮

5.蒸汽爆破：如爆米花，米（含水）处于高温高压状态下骤然降压产生蒸汽

6.生物与酶：如纤维素、甲壳素

第二节 分离纯化

1.升华：产品纯度高但使用对象有限，如咖啡因的提取

2.重结晶：对象溶于溶剂利用不同温度下溶解度差异结晶分离。此法应注意母液的浓度不宜过高；成本低应用广泛。

3.精馏：精馏塔多次反复蒸馏，此法可使乙醇纯度达到95%

4.电泳

5.色谱分离：分离有机物最有效的方法

6.膜分离：反渗透（去除离子）；根据膜截留的分子量大小：纳滤（<10000?），超滤（10000~几十万），微滤（微米级）

第三章 高分子的分子量

第一节 平均分子量的定义

i i i M n W ⋅=

数均分子量：∑∑=∑∑=-1

M i i i

i i i M W W n M n n 对低分子量个数敏感

重均分子量：∑∑∑∑=

=

i

i

i i i

i

i M

n M n W

M W 2w

M 对大分子含量敏感

Z 均分子量：∑∑∑∑∑∑=

=

=

232M i

i

i i i

i

i i i

i

i z

M

n M n M

W M W Z

M Z 对特大分子量敏感

粘均分子量：1

11

M --⎪

⎪⎭⎫ ⎝

⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=∑∑∑∑+αααα

i i i i i i i v M n M n W M W 通常情况下，Mz>Mw ≥Mv>Mn ；当各时项都相等说明被检测的物质是均一的

第二节 数均分子量的测定

端基法（化学法）：前提是已确定端基的结构，且分子量在2000-10000之间（分子量>10000时不准确） M=W/n

渗透压法

小分子：π=RTc/M

高分子：非理想溶液，分子量测定范围是2000~106（仪器操作简单）

⎪⎭

⎫

⎝⎛+++=...1c 232c A c A M RT π

，A i 表示第i 微粒系数