木薯秸秆中的纤维素和半纤维素含量高达40%以上,是一种优良的木质纤维素原料,但目前多焚烧或丢弃,造成了资源浪费和环境污染。鉴于近年来,C-5和C-6糖共代谢技术的发展,本文首次提出木薯秸秆两步水热自催化及强化预处理工艺,实现木薯秸秆原料资源化利用。首先针对木薯秸秆原料中的半纤维素和纤维素组分在亚临界条件下的水热反应特点,以最大限度地提高C-5糖和C-6糖收率为目标,开展了亚临界条件下木薯秸秆两步水热预处理实验研究。研究了不同处理条件对C-5糖(木糖+阿拉伯糖)、C-6糖(葡萄糖)、副产物乙酸、乳酸、甲酸以及糠醛、5-HMF等生成规律及酶解效果的影响,确定了木薯秸秆两步水热预处理适宜的工艺条件为:第一步为在温度180°C下反应60 min,此时预处理液中C-5糖收率为68.49%,酶解液中C-6糖收率为45.62%;第二步为在温度200°C下反应20 min,预处理后的固体通过酶解实验获得的C-6糖收率为81.02%。在木薯秸秆两步水热预处理工艺的基础上,首次提出了将木薯秸秆原料预处理液部分回用富集自产酸的两步自催化工艺,实现对原料的高效利用。实验表明:第一步自催化适宜的工艺条件为:预处理液酸浓度0.93 wt%、pH值3.90、反应温度180°C、反应时间60 min时,C-5糖单程收率为81.12%。通过第二步自催化研究发现,第二步水热预处理条件为:反应温度200°C、反应时间20min,预处理后固体在酶解反应中C-6糖收率达到88.60%;并且酸度对第二步预处理效果的影响不大。本文开展了多种有机酸对木薯秸秆水解过程影响的研究,通过在同一酸强度下,用不同种类有机酸对半纤维素的降解效果的研究,以及对于乙酸、乳酸、甲酸等三种有机酸混合比例的优化,建立了中心响应曲面的多因子模型,获得了多种有机酸混合物水解木薯秸秆的最佳工艺条件:反应温度180°C,反应时间60 min,1.03 wt%乙酸,0.83 wt%乳酸,1.13 wt%甲酸,模型预测的C-5糖收率为90.12%,实验验证C-5糖收率为89.06%,预测精度达98.82%。以此为基础,建立了三种有机酸催化木薯秸秆半纤维素水解过程动力学模型,比较了不同反应温度下的反应速率常数和活化能,得到多种有机酸催化木薯秸秆水解生成C-5糖的适宜反应温度在160~180°C范围内。