当今社会面临的环境污染、能源安全等问题使得开发新的可再生能源成为了人们日趋关注的焦点。生物燃料乙醇作为一种绿色可再生能源在解决现有能源问题上表现出巨大潜力。目前,生物燃料乙醇主要以淀粉基或糖基作物（玉米、小麦和甘蔗等）为原料通过第一代工艺进行生产。然而,由于该工艺在原料供应上存在“与人争粮,与粮争地”的问题,导致其无法满足社会日益增长的生物燃料乙醇需求。第二代生物燃料乙醇工艺主要以木质纤维素生物质为原料。木质纤维素生物质是一种丰富且廉价的可再生资源,因此以木质纤维素生物质为原料生产生物燃料乙醇具有很大潜力。然而,第二代生物燃料乙醇工艺同样也面临着许多问题,包括原料运输存储困难、工艺复杂、乙醇产率低、资金投入大和生产成本高等。Aspen Plus是一个兼具流程模拟和技术经济分析功能的软件,利用Aspen Plus软件可以对生物燃料乙醇技术进行经济评估,同时也可以为工艺进一步优化提供理论指导。本论文主要从生物燃料乙醇行业面临的技术难点出发,对生物燃料乙醇工艺进行技术创新,并利用Aspen Plus软件对创新工艺进行工艺流程模拟和经济分析,从技术和经济两个层面评估工艺的可行性,同时基于技术经济分析结果对工艺进行再优化,实现更低成本的生物燃料乙醇生产。主要研究内容和结果如下:（1）构建不同生物燃料乙醇工艺的流程模型及经济评估方法为了更好的评估不同生物燃料乙醇工艺的经济性,本研究首先基于国内生物燃料乙醇生产情况和本实验室数据,利用Aspen Plus软件构建不同生物燃料乙醇工艺的流程模型,主要包括第一代生物燃料乙醇工艺（玉米乙醇工艺）流程模型、基于稀酸预处理的第二代生物燃料乙醇工艺流程模型、基于DLCA（Densifying lignocellulosic biomass with chemicals followed by regular steam autoclave treatment）预处理的第二代生物燃料乙醇工艺流程模型和一二代整合生物燃料乙醇工艺流程模型。随后在上述工艺模型的基础上,建立了符合我国国情的经济评估方法。（2）一二代整合生物燃料乙醇工艺及技术经济分析第一代和第二代生物燃料乙醇工艺整合可能是促进第二代生物燃料乙醇工艺实现商业化的重要过渡策略之一。在本部分实验中,首先研究了Zymomonas mobilis 8b菌株在稀酸预处理玉米秸秆水解液中的发酵表现,发现在高固体负荷条件下,发酵会受到严重抑制,特别是木糖发酵。以合适的整合策略和原料混合比例将玉米浆液混合到稀酸预处理玉米秸秆水解液中可以有效改善Z.mobilis 8b菌株的发酵表现。随后基于实验数据,对一二代整合生物燃料乙醇工艺进行技术经济评估。结果表明,第一代和第二代生物燃料乙醇工艺整合不仅能减少工艺总资金投入,还能降低第二代生物燃料乙醇的生产成本。最后,灵敏度分析表明提高副产物的价值是改善整合工艺经济性的关键因素之一。（3）基于DLC预处理的原料转运系统DLC（Densifying lignocellulosic biomass with chemicals）预处理是本实验室结合分散式原料转运系统开发的一种新型预处理技术。本部分系统研究了基于DLC预处理的原料转运系统。首先对位于生物质加工仓库中的DLC预处理工艺进行技术经济分析,得出该工艺的流程总成本为18.2美元/吨秸秆。通过灵敏度分析发现,化学试剂用量和电能价格都是影响DLC预处理工艺经济性的重要因素。随后研究了我国各省的水稻秸秆分布情况,并在此基础上进一步研究水稻秸秆在基于DLC预处理的原料转运系统中的物流成本和原料总成本,同时与集中式原料转运系统进行对比。结果表明,相较于集中式原料转运系统,基于DLC预处理的原料转运系统在物流成本方面具有显著优势,且这个优势会随着生物炼制规模的扩大而扩大,因此该系统更加适合大规模生物炼制。（4）基于DLCA（ch）预处理的纤维素乙醇工艺及技术经济分析本部分从技术和经济两个层面研究了基于DLCA（ch）预处理的纤维素乙醇工艺,并与基于稀酸预处理的纤维素乙醇工艺进行对比。首先,研究了 DLCA（ch）预处理水稻秸秆（DLCA（ch）-RS）和稀酸预处理水稻秸秆（DA-RS）的酶解发酵表现。发现相较于DA-RS,DLCA（ch）-RS具有更高的木糖利用率和乙醇得率,特别是在高固体负荷条件下。随后基于实验数据,分别对上述两个工艺进行技术经济分析。结果表明,相较于基于稀酸预处理的生物燃料乙醇工艺,基于DLCA（ch）预处理的纤维素乙醇工艺具有更低的TCI和MESP,分别比前者低了18%和30%。随后又研究了工艺中不同模块的成本分摊,发现高乙醇产率和低预处理成本是基于DLCA（ch）预处理的纤维素乙醇工艺实现经济优势的关键。最后通过灵敏度分析发现,原料固体负荷、酶用量、酶价格、固体废弃物处理成本和生物炼制规模等因素都对基于DLCA（ch）预处理的纤维素乙醇工艺的MESP具有显著影响。（5）结合技术经济分析实现基于DLCA预处理的纤维素乙醇工艺优化为了进一步降低纤维素乙醇的生产成本,本研究结合技术经济分析对基于DLCA预处理的纤维素乙醇工艺进行了再优化。首先研究了基于DLCA预处理（包括DLCA（ch）预处理（氢氧化钙试剂）和DLCA（sa）预处理（硫酸试剂））的纤维素乙醇工艺以不同农作物秸秆（玉米秸秆、水稻秸秆和小麦秸秆）为原料时的发酵表现和经济性。结果表明,原料选择对基于DLCA预处理的纤维素乙醇工艺具有显著的影响。以上述三种不同农作物秸秆为原料时,基于DLCA预处理的纤维素乙醇工艺的MESP在2.03-2.36 $/gal乙醇之间,同时相较于基于DLCA（sa）预处理的纤维素乙醇工艺,基于DLCA（ch）预处理的纤维素乙醇工艺具有更低的MESP。随后,研究了 DLCA（ch）和DLCA（sa）预处理联用对工艺经济性的影响。结果表明,相较于单独使用DLCA（ch）预处理,联用DLCA（ch）和DLCA（sa）预处理可以减少酸碱中和过程中73%的化学试剂成本,同时工艺MESP也降低了 2.4%。之后,又研究了玉米秸秆、水稻秸秆和小麦秸秆联用对工艺经济性的影响。结果发现,在基于DLCA（ch）预处理的纤维素乙醇工艺中,农作物秸秆联用使原料物流成本降低了 28%,同时也使工艺的MESP降低至2.02 $/gal乙醇,与玉米乙醇工艺的生产成本相近。