农业剩余物数量庞大、形式多样,被认为是最具有战略意义的可再生能源的原材料之一；车用燃料乙醇技术成熟、使用广泛,燃料乙醇作为即将枯竭的化石燃料的补充或替代应用前景广阔。因此,以农作物秸秆为原料制取纤维素乙醇的技术与工艺已成为能源领域的热点课题。木质纤维原料乙醇化的生化路线主要包括了预处理、酶水解和发酵三个主要步骤。其中预处理是为了破坏木质纤维结构,解除木质素和半纤维素对纤维素的缠绕和包裹,以提高酶对原料的可及性与催化效率。本文在传统的氨纤维膨胀(Ammonia fiber expansion, AFEX)预处理工艺基础上,提出了过氧化氢液氨联合预处理技术(Combined hydrogen peroxide and liquid ammonia treatment, HP-LAT).以玉米秸秆为研究对象,对HP-LAT预处理技术深入研究,为木质纤维原料新型预处理工艺设计提供理论依据,同时促进纤维素乙醇的基础研究并推进其开发利用。本文主要研究内容及结论如下：(1)完成了玉米秸秆的过氧化氢(Hydrogen peroxide treatment,HP)、液氨(Liquid ammonia treatment, LAT)单独预处理研究,考察了各预处理条件对固体回收率、成分变化及酶解率影响。在HP预处理中,温度对固体回收率具有显著的影响。低温HP预处理能有效去除木质素,在H202用量比小于0.9时能有效地保留聚糖；高温HP预处理几乎不能去除木质素。HP预处理只能提高葡聚糖的酶解率,其应用受限。在LAT预处理中,温度和液固比对固体回收率有显著影响；氨用量比和液固比对酶解率有显著影响。LAT预处理的固体损失与碳水化合物和木质素的变化相关性不大,其损失主要来源于其他可溶成分的去除。玉米秸秆在0.7液固比、1.0氨用量比、13O℃条件下处理10 min后,添加15 FPU/(g葡聚糖)的纤维素酶(同时添加一定量的β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶)水解72 h,LAT预处理底物的葡聚糖和木聚糖转化率分别为82.1%和79.4%,每1000 g干基材料可获得可发酵单糖497.6 g,与未处理相比,单糖产量提高1.9倍。(2)完成了玉米秸秆的HP-LAT联合预处理研究,同时将HP-LAT联合预处理试验结果与HP、AT单独预处理进行对比,从固体回收率、成分变化、糖产率等方面考察了HP-LAT联合预处理与HP、LAT单独预处理的不同之处。试验获得HP-LAT较优预处理条件为：0.7液固比、1.0氨用量比、0.5 H202用量比、130℃条件下处理10 min。玉米秸秆经此条件预处理后添加15 FPU/(g葡聚糖)的纤维素酶(同时添加一定量的β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶)水解72 h,HP-LAT预处理底物的葡聚糖和木聚糖转化率分别为88.1%和90.6%,每1000 g干基材料可获得可发酵单糖527.4 g。HP-LAT预处理固体回收率低于LAT预处理,最终其单糖产量比LAT预处理提高6%。从质量平衡中可以看出,HP-LAT单糖产量的提高主要表现在对木糖产量的提升。对于生物质预处理而言,固体回收率(聚糖的保留率)和聚糖转化率共同决定了可发酵单糖的产量。对比研究表明：与氨相比,过氧化氢对固体损失和木质素去除有显著作用；高H202用量比主要引起了木糖的损失,而高的氨用量比主要引起葡萄糖的损失；氨能有效地促进多糖的酶解,而H202的酶促作用局限在葡聚糖；在相同的化学剂用量比条件下,固体损失、聚糖损失、木质素去除率在HP-LAT预处理中更为明显,氨与H2O2存在着协同作用。(3)对LAT及HP-LAT预处理,探讨了木质素去除率和木聚糖降解率与糖产量的关系。在LAT、HP-LAT预处理中,在15%～20%的木质素去除率和5%-10%的木聚糖降解率的条件下可获得较多的可发酵单糖。有效的预处理并不一定需要大量地去除木质素,关键在于打破木质素和碳水化合物之间的连接,去除(溶解或迁移)一定量的木质素以形成微纤维多孔结构；研究发现葡萄糖产量与木糖产量呈正线性相关关系(R2=0.97),二者相互促进。(4)在确定HP-LAT预处理有效性的基础上,完成了玉米秸秆不同部位的HP-LAT预处理,对玉米秸秆不同部位的HP-LAT预处理及酶解的不同行为进行对比。在液固比为0.7、氨用量比为1.0、驻留时间为10min相同的HP-LAT预处理条件下,玉米秆(corn stalk)的优化预处理条件为：130℃、0.7 H202用量比；玉米叶(corn leaf)的优化预处理条件为：130℃、0.4 H202用量比；玉米芯(corn cob)的优化预处理条件为：110℃、0.4 H2O2用量比。玉米秸秆不同部位经其较优条件预处理后,添加15 FPU/(g葡聚糖)的纤维素酶(同时添加一定量的伊葡萄糖苷酶和木聚糖酶)水解72 h,每1000 g干基材料(秆、叶、芯)分别可获得可发酵单糖497.3 g、411.6 g、593.2g,与未处理相比,单糖产量分别提高3.0、2.1、3.5倍。在试验中,玉米芯的单糖产量最高,从质量平衡中可以发现,玉米芯单糖产量的增加主要来源于木糖。(5)论文分析了HP-LAT预处理的作用机制。采用超景深显微系统、X-粉末射线衍射仪、红外光谱仪分析了玉米秸秆HP-LAT预处理前后微观形貌、结晶度及化学结构特性的改变。将玉米秸秆的不同组织(玉米叶：叶片、叶鞘、叶中脉；玉米秆：表皮、髓芯、维管束)的原材料和HP-LAT预处理样品在超景深显微系统下放大1000倍发现,经HP-LAT预处理的玉米秸秆在前期的H202化学分解和后期较强的液氨物理化学的双重作用下,破坏了微纤维超分子结构,各组织细胞壁均受到不同程度的破坏；x_射线衍射分析表明：玉米秸秆结晶区与无定形区同步下降,结晶度大小变化依赖于二者作用的强弱。酶解率与结晶度绝对值大小没有直接联系,但与结晶区的破坏程度紧密相关。红外光谱分析结果表明：HP-LAT预处理有效地打破了纤维素内部的氢键连接；破坏了木质素-碳水化合物复合体内部的酯键连接；同时木质素分子结构受到了一定破环；木质素的分布产生了一定的变化,这些变化有效地降低了预处理底物的抗水解屏障,是玉米秸秆酶解率提高的根本原因所在。