由于引起环境严重污染的化石能源日趋枯竭，作为环境友好型、可再生的新能源—燃料乙醇因其具有较高的辛烷值和良好的抗爆性，燃烧产物无污染等优点受到广泛关注。当前，燃料乙醇主要的生产原料是粮食作物，但这必将导致粮食更加紧缺。然而，利用自然界中最为丰富的、可再生的生物质纤维素原料来生产燃料乙醇，可以有效地解决能源危机、环境污染、温室效应等问题，对促进经济的可持续发展和环境保护具有重要意义。　　本课题构建了一套新型的气载乙醇固态同步酶解纤维素颗粒发酵系统，该反应体系内存在复杂的生化反应以及多组分热、质传输现象。在纤维素酶、纤维二糖酶以及纤维素构成的可消解性多孔纤维素基质颗粒内，纤维素在纤维素酶和纤维二糖酶的作用下转化为葡萄糖，葡萄糖在浓度差的作用下扩散传输至颗粒表面；循环流动的酵母菌液流经可消解性多孔纤维素基质颗粒表面，酵母菌在纤维素基质颗粒表面逐渐吸附生长并最终形成稳定的酵母菌生物膜；颗粒内生成的葡萄糖逐渐扩散传输至酵母菌生物膜内并逐渐被转化为乙醇，生成的乙醇逐渐扩散传输至生物膜外表面；利用乙醇的易挥发性以及在浓度差作用下生成的乙醇被流经颗粒表面的载气-N2载出生物膜，并最终进入乙醇收集器，被水吸收。该反应系统中，实现了酶解与发酵反应在固态条件下同步进行，消除了葡萄糖对酶解过程的抑制作用；反应生成的乙醇和二氧化碳被载气及时载出反应器，消除了产物对发酵过程的抑制作用，同时载气也带走了发酵过程产生的大量代谢热，维持了反应器内的温度恒定。同时，将纤维素基质制备成颗粒状，易于保持基质的颗粒形状，避免了填充床内严重的基质坍塌现象，有利于载气的流通和酵母菌在颗粒表面的生长繁殖。因此本课题以稻草秸秆为原料探索了可消解性多孔纤维素基质颗粒的制取方法，开展了气载乙醇条件下可消解性多孔基质颗粒和多孔基质颗粒填充床内发酵反应特性的实验研究，进行了可消解性多孔基质颗粒以及颗粒填充床内乙醇发酵传输特性的理论模型研究，得到以下主要研究成果：　　1.通过比较不同固定化方法，选择包埋法作为纤维素、纤维素酶以及纤维二糖酶的固定化方法；比较不同包埋载体的优缺点，选择了海藻酸钠、聚乙烯醇以及二氧化硅作为纤维素、纤维素酶以及纤维二糖酶包埋材料，含1％氯化钙的饱和硼酸溶液为交联剂；并在海藻酸钠、聚乙烯醇以及二氧化硅的最佳配比为5:4:1时得到的可消解性多孔纤维素基质颗粒机械强度高而且耐酸性强。　　2.在基质颗粒同步酶解发酵过程中，发现随着载气流速的增加，基质表面生物膜内的乙醇浓度显著降低，包埋颗粒内乙醇发酵和酶解效率均得到提高，但载气流速继续增加，则载气对生物膜产生强烈的剪切作用，引起酵母菌细胞死亡，生物膜部分脱落以及生物膜内水分减少，最终导致颗粒酶解和乙醇发酵的效率显著下降。因此存在最佳的载气流速为0.85 cm/s，此时生物膜厚度以及乙醇得率最大。同时随着补水间隔时间的增大，乙醇在液相中的传输阻力降低，引起其在液相中积累量减少，因此颗粒的发酵得到提高；但是补水间隔时间进一步增大，补水量不足以维持颗粒的酶解发酵，最终导致颗粒的酶解发酵效率降低。结果表明每隔4 h为颗粒补充1 mL水乙醇得率最高。　　3.在纤维素基质颗粒填充床同步酶解发酵过程中，发现随着载气流量的增加，基质表面生物膜内的乙醇浓度梯度增大，包埋颗粒填充床乙醇发酵效率得到提高；但载气流量继续增加，则载气对生物膜产生强烈的剪切作用，引起生物膜部分脱落和生物膜内水分减少，导致填充床内酶解和乙醇发酵效率的显著下降。随着纤维素酶添加量的增加，基质颗粒内的葡萄糖产量增大，包埋颗粒填充床乙醇发酵效率得到提高，但纤维素酶的添加量继续增加，则纤维素转化为葡萄糖过程中产生大量的中间产物，中间产物对酶解过程产生抑制作用，导致填充床酶解和乙醇发酵效率下降。随着酵母菌质量浓度的增加，酵母菌生物膜内的葡萄糖及时被消耗，提高了纤维素消耗量以及乙醇得率；但酵母菌质量浓度继续增加，酵母菌在颗粒表面形成的生物膜厚度也相应增大，使得葡萄糖在酵母菌生物膜内的传质阻力增大，导致葡萄糖在生物膜内积累，降低了糖化和酶解效率。实验过程得出最佳的操作条件为：载气流量为30 mL/min，纤维素酶的添加量为0.5 mg/（g基质）和纤维二糖酶的添加量为0.5 mL/(g基质)，酵母菌质量浓度为2%。　　4.根据扩散-反应方程以及 Monod生化反应动力学方程建立了关于稳态、非稳态、以及可消解变形条件下稻草基质同步酶解发酵过程中的一维模型，研究了葡萄糖在包埋颗粒内以及生物膜内的浓度分布以及乙醇在生物膜内的浓度分布。在此基础上，研究了不同载气流量以及酵母菌浓度对乙醇在填充床内浓度分布的的影响。通过Fortran语言编程计算出的模拟结果表明，随着载气流量的增加乙醇产量呈先增大后减小的趋势，载气流量为30 mL/min得到的乙醇产量最高；另外随着酵母菌浓度的增大，乙醇产量先增大后减小，在酵母菌浓度为2%时，乙醇产量达到最大值。