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生物炼制技术生产燃料乙醇的研究与开发对于解决能源短缺和温室效应，发展新型可替代石油的新型清洁能源具有非常重大的意义。因而，越来越多的研究者致力于利用生物炼制技术制备生物乙醇的研究。随着保证粮食安全的生物质能源发展战略提出，非粮生物质资源成为近年来的研究热点。针对菊芋为原料制备生物乙醇体系，传统工艺中存在酸水解染色问题，发酵时间较长，能耗较高，乙醇对酵母有抑制作用，且耦合发酵分离过程中的膜污染等问题。为有效解决这些问题，本文针对Kluyveromyces lactis MW270-7B酵母进行高效产酶，产酶膜生物反应器的设计，高浓度菊芋酶水解动力学模型，发酵过程中乙醇对酵母的抑制机理，及VMD原位分离发酵体系以及过程中的膜污染问题进行了研究。通过对Kluyveromyces lactis酵母产酶动力学研究，得到该酵母在YEPD培养基中，30oC，170rpm下发酵产酶，120h产酶量达最大值，菊粉酶活力可达131U/mL。然而，监测过程中酵母细胞生物量可知，在72h后，生物密度不再上升，进入稳定期，实验结果表明：酵母在YEPD培养基中发酵产酶为非生长偶联型，为以后产酶过程和水解过程的耦合提供依据。为了提高原有三角瓶发酵产酶过程中氧气供应，增大酵母与培养液中溶氧接触时间，提高产酶效率，设计了基于PTFE平板膜及中空纤维膜两种气升式膜生物反应器，由于反应器内循环导流筒的独特设计，使得膜生物反应器无须额外的扰动装置，节省了能耗。根据反应器下部支撑孔板上小孔的位置不同，可以实现内循环和外循环两种不同循环方式，操作灵活简单，且易于整体灭菌；对Kluyveromyces lactis酵母所产的菊粉酶的酶学性质，最适温度，pH值，温度稳定性，pH稳定性及乙醇耐受性进行了考察。结果表明：菊粉酶在55oC下活力最高，低温对酶活力影响较小，当温度升高至60oC以上时，菊粉酶迅速失活；最适pH值为4.6，过酸或过碱性的环境均会导致酶活力下降；经测定，该菊粉酶的I/S为1/1.6，为外切型水解酶；在菊粉酶对乙醇的耐受性实验表明：该酶对乙醇较为敏感，当乙醇浓度为5%时，酶活力下降20%，乙醇浓度增大至10%时，酶活力下降80%。并针对菊芋体系水解过程，基于Michaelis-Menten方程及Arrhenius方程，建立耦合水解初速度，底物浓度，酶初始浓度和温度的高浓度菊芋及菊粉水解的动力学模型。针对真空膜蒸馏分离乙醇-水体系中的传递机理进行分析，建立修正的Knudsen-viscous flow过渡模型，并提出一种实验测定K和B的新方法；采用微元分析法沿流道方向进行热质传递分析，基于C语言编程求解，模拟醇-水分离过程的分离性能，与同条件下的实验数据得到良好的一致性；分别采用SHF工艺及SSF工艺制备生物乙醇，考察不同工艺中乙醇浓度及还原糖消耗情况，结果显示：分步水解发酵工艺中，30%的菊芋在55oC下水解，初始酶活力为15U/mL，24h后水解完毕，还原糖的量为27.6g发酵在42oC下，48h发酵结束，乙醇浓度为12.7%(w/w)，达到理论产率的93%。考察底物浓度对乙醇转化率的影响，结果发现：随着底物浓度提高，虽然乙醇浓度有所提高，但是转化率则明显降低。相同条件下同步糖化-发酵制备生物乙醇的研究，结果表明：与SHF工艺相比，还原糖残留浓度较高，发酵时间长，且发酵不彻底，其可能的原因主要为：在42oC条件下，水解速率降低；菊芋体系随着底物浓度的增大，粘度较大，传质速率降低，导致底物与菊粉酶的结合速率降低，限制了发酵的进行；随着体系中乙醇的累积，菊粉酶的活力下降也是导致发酵不完全的原因。同时也说明，对于该体系，水解和发酵过程的耦合并不能缩短反应时间，提高乙醇产率，因而，不适宜进行水解和发酵过程的耦合。采用菊芋水解液发酵及VMD分离耦合体系制备生物乙醇，将SHF工艺中发酵和分离进行耦合，42oC，95kPa，流量为50L/h，分别在不同时间开启四次膜蒸馏，原位分离乙醇，过程中还原糖消耗速率较快，48h残糖量约为0.25%，发酵较为彻底，说明发酵过程及分离过程的耦合有助于解除过程中乙醇对酵母的抑制，产醇速率较快。考察了四种不同的平板膜醇水分离性能测试，结果PTFE-M1膜分离性能最优，实验条件范围内，分离因子可达6.8，PTFE-M2及PTFE-M3次之，PVDF-M1最差；然后采用PTFE-M1及PTFE-M2进行发酵液中乙醇的分离过程中发现了不同程度的膜污染现象，且膜的疏水性能下降。PTFE-M1膜进料侧膜表面接触角从140o下降至115o左右，渗透侧下降至50o以下，用清水洗涤后，膜两侧的接触角基本恢复至原膜水平，说明PTFE-M1膜可以用于发酵过程中乙醇的分离，但在运行过程中要及时进行清洗，以保证分离过程平稳运行。最后，考察了发酵液组分对膜疏水性能的影响，结果表明：5%的乙醇-水体系对膜性能影响较小；发酵液中的还原糖及副产物酸等物质对膜接触角影响较大，而体系中的纤维质成分及酵母细胞附着在膜表面，也会使得膜的表面张力减小，利用简单的清水洗涤烘干后，PTFE-M1的表面张力即可恢复，说明膜本体结构并未受到影响或改变。