纤维素乙醇作为一种清洁的能源,对中国在2060年前实现碳中和的目标和解决因大量的化石能源使用而造成的环境污染问题具有重要的意义。农作物秸秆作为一种分布广泛、蕴藏丰富的可再生资源,是生产纤维素乙醇的重要原料。但是农作物秸秆的致密结构和天然阻抗,限制其转化为纤维素乙醇的效率,需要通过有效的预处理方法来提高效率。预处理是纤维素乙醇工艺的核心工序,对预处理的上游成本、下游工序的转化效率及其整个纤维素乙醇工艺的经济性都有着决定性的影响。目前,以松散农作物秸秆为原料生产纤维素乙醇的工艺普遍存在原料的“收集-储存-运输”成本高、预处理条件严苛及预处理的规模难以放大和产生的有毒副产物对后续过程抑制作用强烈等问题。本文从预处理的角度出发,以农作物秸秆为原料,对上述问题开展了深入研究,开发出获得高浓度纤维素乙醇的预处理工艺,实现了预处理工艺的突破,推进农作物秸秆生物转化成纤维素乙醇的商业化进程。主要研究内容和结果如下:（1）对混合稀碱和稀酸预处理后农作物秸秆工艺进行实验研究:通过对比稀碱、稀酸和热水预处理后玉米秸秆、水稻秸秆和小麦秸秆酶水解和发酵效果的研究,发现经过稀碱或稀酸预处理后玉米秸秆、水稻秸秆和小麦秸秆的酶水解转化率无明显差异,且均超过90%。另外,在相同预处理情况下,三种农作物秸秆的酶水解液乙醇发酵效果也无明显差异。但是在以相同农作物秸秆为原料情况下,不同预处理方法对农作物秸秆各组分及酶水解和发酵性能的影响具有显著差异。农作物秸秆在稀碱预处理过程中几乎无木糖的产生,而农作物秸秆在稀酸预处理过程中70～80%木聚糖被降解成木糖。稀碱比稀酸预处理的玉米秸秆和水稻秸秆在酶水解过程中葡萄糖释放速率更快,最高达到8.4 g/（L·h）,而稀酸比稀碱预处理的农作物秸秆通过酶解发酵获得乙醇浓度高。另外,稀碱或稀酸预处理后农作物秸秆物料的p H值较大或较小,需要对物料额外添加大量的化学试剂调节p H至中性。通过开展混合稀碱和稀酸预处理后农作物秸秆浆液工艺生产纤维素乙醇的研究,节约40-50%碱/酸试剂的用量,获得乙醇浓度超过19 g/L。（2）探究从稀碱、稀酸、热水和氨纤维膨胀预处理的物料中提取水溶性酚类化合物对水解酶和发酵菌株的影响:农作物秸秆在预处理过程中产生酚类化合物对酶水解和发酵抑制作用强烈,不同预处理方法产生的酚类化合物对水解酶及发酵菌株的抑制作用关系尚未清楚,本章开展稀碱（AL）、稀酸（DA）、热水（LHW）和氨纤维膨胀（AFEX）预处理产生的水溶性酚类化合物对酶水解和发酵抑制作用影响的研究。结果表明,农作物秸秆在不同预处理过程中产生的水溶性酚类化合物含量（由高到低）:AL＞DA＞AFEX＞LHW。另外,不同预处理产生的水溶性酚类化合物对水解酶抑制程度（由强到弱）:AFEX＞LHW＞DA＞AL,然而不同预处理产生的水溶性酚类化合物对Zymomonas mobilis 8b菌株发酵抑制程度（由强到弱）:AL＞DA＞LHW＞AFEX。有趣的是,在相同水溶性酚类化合物添加量情况下,AFEX和AL预处理产生的水溶性酚类化合物对酶水解和发酵抑制物作用呈现相反的趋势。通过对不同来源的水溶性酚类化合物进行FT-IR表征,发现含羧酸基酚类化合物对酶水解的抑制作用比含酰胺基酚类化合物更弱,而含羧酸基酚类化合物对发酵的抑制作用比酰胺基的酚类化合物更弱。（3）开展氢氧化钠和氢氧化钙预处理的致密化玉米秸秆生产高浓度乙醇的研究:致密化技术有效解决纤维素乙醇生产中原料运储费用高和操作不便等问题,但Na OH和Ca（OH）2预处理在致密化农作物秸秆上预处理效果尚未研究。本章以致密化农作物秸秆为原料,采用响应面法对Na OH和Ca（OH）2预处理的条件进行优化,并开展预处理后致密化农作物秸秆酶水解和发酵性能的研究。结果表明,相比松散玉米秸秆,致密化玉米秸秆经过Na OH预处理后上清液中总酚的浓度更低。在10%固体负荷情况下,致密化农作物秸秆和松散玉米秸秆在Na OH预处理过程中产生的酚类化合物浓度分别为3.4 g/L和5.3 g/L。同时经过Na OH预处理后的致密化农作物秸秆通过酶解和发酵得到的乙醇浓度更（32.4g/L）,但是该浓度未达到纤维素乙醇工业化生产最低乙醇浓度的要求。而使用氢氧化钙预处理方法处理的致密化玉米秸秆物料,相比Na OH预处理,在相同固体负荷条件下,物料中的酚类化合物浓度更低,其浓度为1.3 g/L。在30%固体负荷情况下,通过酶水解和发酵得到乙醇浓度超过65 g/L以上,该浓度满足了纤维素乙醇生产最低乙醇浓度的要求。（4）对面向原料收储运及生物炼制全过程的碱密化预处理技术进行系统的研究:虽然致密化玉米秸秆比松散玉米秸秆具有堆积密度高和易于操作等优势,但是致密化玉米秸秆在碱法预处理过程存在着能耗高、传质传热差、规模化处理难度大和预处理后物料可发酵性差等问题。本章开发出了一种新型预处理方法-面向原料收储运及生物炼制全过程的碱密化（木质纤维素生物质与碱性化学试剂一起致密化（DLC,Densifying Lignocellulosic biomass with Chemicals））预处理,并开展其在玉米秸秆上相关内容及预处理后物料酶水解和发酵性能的研究。结果表明,DLC-CS具有高堆积密度和高耐久性,在储存过程中DLC-CS不被微生物污染及无糖分的损失,同时也有利于原料的运输和储存。DLC-CS在储存后具有高酶解率和高发酵性。在20%酶水解固体负荷下,利用以氢氧化钙为预处理试剂的DLC-CS生产乙醇过程中每100 g玉米秸秆获得21.4 g乙醇。在对DLC-CS进行进一步常规蒸汽处理后,每100 g玉米秸秆获得乙醇产量提高至25.3 g乙醇,其浓度为50.2 g/L,该浓度满足了纤维素乙醇生产最低乙醇浓度的要求。这些结果均是在未对预处理后物料进行任何方式脱毒的情况下获得。因此,DLC预处理方法在纤维素乙醇生产中具有巨大潜力。（5）基于SSCF工艺,开展DLC-CS物料生产高浓度乙醇的研究:为了获得高产率的纤维素乙醇,本章在以氢氧化钙为预处理试剂的DLC-CS基础上,开展了不同酶添加量对同步糖化共发酵（SSCF）生产纤维素乙醇性能影响的研究。研究发现,DLC-CS在SSCF工艺中最佳的CTec2酶添加量为18 mg蛋白/g葡聚糖。在此酶添加量的情况下,开展不同固体负荷对SSCF生产纤维素乙醇性能影响的研究。DLC-CS在不同固体负荷下通过SSCF均比分步糖化共发酵（SHCF）获得乙醇产率高。在20%固体负荷下,DLC-CS通过SHCF获得乙醇的产率为0.220 g/g玉米秸秆干重（乙醇的产率为68.9%）,而通过SSCF获得乙醇的产量为0.267 g/g玉米秸秆干重（乙醇的产率为83.7%）。对DLC-CS进行进一步常规蒸汽灭菌处理后物料与DLC-CS物料在相同固体负荷下通过SSCF获得乙醇产率几乎相同,其乙醇产率为0.263 g/g玉米秸秆干重。在30%固体负荷下,DLC-CS通过SSCF获得乙醇浓度为64.5 g/L。对DLC-CS进行进一步常规蒸汽高压处理后物料在相同酶水解底物下通过SSCF获得乙醇浓度提高至67.7 g/L。以上这些结果均是在未对预处理后物料进行任何方式脱毒的情况下获得。与现有文献报道预处理工艺相比,在相同的酶解发酵情况下,鲜有预处理工艺获得的乙醇产量和浓度超过DLC预处理工艺。（6）DLC预处理的农作物秸秆表征分析:为了揭示DLC-CS具有高酶解率和高发酵性的原因,本章通过对DLC预处理后农作物秸秆进行分析和表征,探究DLC预处理对农作物秸秆的作用机理。通过扫描电镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）的结果可知,DLC预处理后农作物秸秆表面存在大量的堆积物,其表面的粗糙度明显比天然农作物秸秆更高。通过比表面积分析仪（SSA）和傅里叶红外光谱仪（FT-IR）对DLC预处理后农作物进行进一步表征,发现农作物秸秆在DLC预处理过程中农作物秸秆比表面积增加及半纤维素上乙酰基的脱除可能是导致农作物秸秆更易于水解的主要原因。此外,对不同预处理的农作物秸秆中可溶物进行分析,发现农作物秸秆在DLC预处理比在传统碱法（Na OH和Ca（OH）2）预处理过程中产生的毒性副产物（例如酚类化合物）的浓度低。在10%固体负荷情况下,Na OH预处理方法产生的酚类化合物浓度为5.3 g/L,而以Na OH为预处理试剂的DLC预处理产生的酚类化合物浓度为2.2 g/L,在相同固体负荷下,以Ca（OH）2为预处理试剂的DLC预处理产生的酚类化合物浓度为1.6g/L。低浓度的酚类化合物可能是DLC预处理工艺获得高浓度乙醇和高乙醇产量的重要因素。