农作物秸秆是十分重要的可再生能源原料。乙醇生物转化是农作物秸秆能源化利用的重要途径,农作物秸秆通过酶解产生单糖,然后经过微生物发酵产生生物乙醇。农作物秸秆复杂的化学组成及空间结构形成的生物抗性导致细胞壁在酶解过程中转化为单糖的效率低、成本高。为降低农作物秸秆的生物抗性和提高酶解转化效率,通常需要对农作物秸秆进行一定的预处理。机械粉碎预处理作为秸秆处理的第一步,已成为农作物秸秆生物能源转化工艺中的必备操作单元。本论文针对农作物秸秆在不同尺度上的生物抗性,以玉米芯、水稻秸秆、小麦秸秆和玉米秸秆为研究对象,系统研究了不同尺度机械粉碎对农作物秸秆的微观结构和理化性质的影响,测定了酶解效率和不同尺度机械粉碎方式的能耗,探究了不同尺度机械粉碎能耗、微观结构和酶解效率间的量化关系。在此基础上提出了一种机械粉碎/水热复合预处理方式,以期能够降低粉碎能耗同时增加转化效率。本论文的主要结论如下:(1)细胞尺度玉米芯粉体(<50-30μm)呈现出不同于植物尺度(>1 mm)和组织尺度(500-100 μm)玉米芯粉体的微观结构和理化性质:纤维内部孔径暴露于粉体表面导致比表面积增大,纤维素结晶度和晶粒大小降低、表面纤维素/半纤维素相对含量增加和表面木质素/提取物相对含量减少;玉米芯粉体的堆积密度和振实密度增大,但颗粒表面活性增强以及颗粒之间相互作用力的增大降低了粉体的流动性;多孔网状纤维结构和长链纤维结构的破坏降低了粉体的持水力、持油力和膨胀力,同时提升了可溶性糖的含量并降低了纤维素的聚合度。因此,细胞尺度玉米芯的酶解效率显著提升,在20 FPU/g酶载荷条件下,葡萄糖和木糖的产率分别达到90.9%和82.2%。(2)水稻秸秆粉体粒径与其结晶性、酶解葡萄糖产量之间均存在显著的相关性,回归方程如下:①粉体平均粒径 D50 与结晶性 CrI=44.14×[1-exp(-0.03658×D50)](R2=0.80),CP=28.26-15.85×exp(-0.03602×D50)(R2=0.66);②结晶性与葡萄糖产量GY=5.636CrI+343.7(R2=0.98),GY=-14.62CP+512.1(R2=0.98);③粉体平均粒径 Ds0与葡萄糖产量 GY=97.218+247.5×exp(-0.03824×D50)(R2=0.70)。(3)不同尺度的机械粉碎能耗和多个微观结构指标的变化存在显著的相关性,且各指标变化对能耗要求从大到小依次为:结晶度>表面O/C>孔容积>比表面积>平均粒径。定量分析结果表明,粒径的变化与粉碎能耗呈倒数关系,比表面积和表面O/C变化与粉碎能耗呈指数关系,结晶度变化与粉碎能耗呈线性关系。稻麦秸秆的酶解单糖产量随粉碎能耗增加呈线性增加趋势,而能耗效率随粉碎能耗增加而逐渐减低。基于综合考虑酶解效率和能耗效率得到机械粉碎能耗的平衡点约为0.59kWh/kg,对应的酶解单糖产量和酶解效率分别为165g/kg和0.29kg/kWh。(4)玉米秸秆在经过30min的球磨后,在190℃条件下水热处理15min,28.0%的木聚糖转化成为可溶性低聚木糖和木糖,能够同时实现较高的葡糖糖产量(83.0%)和木糖产量(72.0%),总糖产量达到79.0%。因此,温和条件下的机械粉碎/水热复合预处理在不过多增加能耗的同时显著提升了玉米秸秆的葡萄糖和木糖产量。