木质纤维素是世界上资源最为丰富的碳水化合物,对木质纤维素进行生物炼制可以生产品种繁多的液体生物燃料和生物基化学品。在功能上,木质纤维素生物炼制产品可以全方位的替代石油路线生产的液体燃料和化学品,以及替代粮食路线生产的液体生物燃料和生物基化学品。当前生物炼制的产业化过程中存在重大的技术障碍包括如生物炼制过程的高加工成本、高过程能耗和水耗、大型工业设计和生产经验匮乏等。本论文针对目前木质纤维素生物炼制技术产业化进程中的工程放大、数学模拟以及化学品生产技术等关键问题,开展了极具工程和产业化特色的研究工作,并取得了一定的研究成果。本论文的主要创新点简述如下：第一,针对极限低水用量稀酸预处理过程中生成抑制物浓度高、试验重复性差等缺陷,提出了将螺带型搅拌的方式引入预处理反应器的构想,并通过热模实验、冷模实验和计算流体力学模拟(Computational Fluid Dynamics, CFD)等手段对该想法进行了验证。首先对木质纤维素固体颗粒体系提出了改进的流变学模型,测定了稠度系数Kpl,和流变指数n两个重要流变学模型参数；然后,建立了预处理反应器CFD模型,并在不同尺度(5L、50L和400L)的冷模实验中对CFD模型的可靠性进行了验证。这一模型对螺带式预处理反应器的设计和放大具有重要作用。第二,针对产业化规模的木质纤维素生物炼制工艺,在Aspen plus流程模拟平台上建立了全过程流程模拟模型。首先,构建了木质纤维素生物炼制涉及物质的全组分物性数据库,建立了Aspen plus平台上的严格热力学流程模拟模型；然后,对年加工30万吨玉米秸秆原料生产纤维素乙醇的产业化装置进行了严格流程模拟计算。从节能减排角度对纤维素乙醇生产过程中的新鲜水用量、废水减排和蒸汽能耗等工程问题进行了大量分析,并给出了积极的节能减排解决方案。本文建立的Aspen plus平台上木质纤维素生物炼制过程流程模拟模型可以为产业化纤维素乙醇生产技术的过程设计、操作优化以及技术经济评价提供设计和优化工具,并可以将最新的研究结果对最终成本降低的贡献和影响做出详细的评价。第三,从木质纤维素原料生产重要的大宗化学品是目前生物炼制研究的一个重要方向。本文针对农作物秸秆原料生产纤维素乳酸过程中存在的乳酸得率低、乳酸发酵浓度低等直接影响产业化的瓶颈问题,利用本实验室前期工作获得的一株耐高温和高抑制物的乳酸片球菌Pediococcus acidilactici DQ2工业菌种,在可以处理高固体含量木质纤维素同步糖化与发酵的生物反应器内,对玉米秸秆进行了同步糖化与发酵生产乳酸过程进行了研究。在5L和50L的反应器中,乳酸发酵浓度达到101.9g/L,乳酸对纤维素的得率达到77.2%,产率达到1.06g/L/hr。这一结果对上述产业化瓶颈问题给出了积极解决方案,为纤维素乳酸的产业化提供了重要的技术支撑。本论文所提出的带有螺带式搅拌预处理反应器以及木质纤维素体系流变学表征方法、Aspen plus平台上的木质纤维素生物炼制全流程模拟、高浓度纤维素乳酸发酵工艺的研究,为木质纤维素生物炼制过程的工程放大、节能减排、盈利性运行,乃至未来的产业化技术提供了重要的基础研究支撑。