煤、石油、天然气等化石燃料的不可再生性以及社会发展对能源需求较大,寻找化石能源的替代能源成为人们的共识。太阳能、风能、水能和生物质能等可再生能源的开发利用备受关注。生物质在地球上广泛存在,资源量丰富,是一种前景十分广阔的可再生资源。利用生物质生产燃料乙醇不仅可以替代化石燃料,而且还利于C02减排。生物质生产燃料乙醇需要经过预处理、酶解、发酵和蒸馏四个主要步骤。本研究采用高温液态水预处理秸秆类生物质后进行酶解和发酵。高温液态水法被誉为绿色预处理方法,但是经高温液态水预处理后的生物质在高固体浓度下酶解效率较低,产糖浓度低,且相关方面的研究报道较少。本研究将采用多种方法优化酶解过程,促进经高温液态水预处理后的生物质在高固体浓度下的酶解,并结合后续发酵优化工艺,旨在探索一条绿色高效的纤维乙醇生产工艺,为后续工业化应用奠定基础。　　 在混合酶水解甜高粱秆渣的试验中,采用正交试验得到混合酶在72 h内的最佳水解条件:液固比11:1,果胶酶:纤维素酶:半纤维素酶=1:1:2,温度30℃,pH3.6。此时甜高粱秆渣原料水解产还原糖量最高,为7.02 mg/mL。把甜高粱秆渣原料经过漆酶、高压蒸汽以及1%KMnO4溶液在高压蒸汽下处理后,用混合酶在最佳条件下水解发现,浸泡在1%KMnO4溶液中的甜高粱秆渣经高压蒸汽处理后,葡聚糖转化率最高,经漆酶和高压蒸汽处理后的甜高粱秆渣的葡聚糖转化率均达到80%左右。高压蒸汽处理比较适合作为混合酶水解的预处理方法。考虑到混合酶的成本较高,后续试验中采用高温液态水预处理代替高压蒸汽预处理。　　 采用高温液态水对甜高粱秆渣、甘蔗渣和桉木处理后,以国产纤维素酶酶解,发现5%固体浓度下,甘蔗渣的酶解效率最高,其次是甜高粱秆渣,当固体浓度提高到10%和20%时,甜高粱秆渣的酶解效率最高,其次是甘蔗渣。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪和傅里叶红外光谱仪对处理前后的物料进行表面分析,发现表面结构的致密性、结晶指数的高低和基团的变化决定了甜高粱秆渣、甘蔗渣和桉木的酶解效率,甜高粱秆渣和甘蔗渣较适合用高温液态水处理。　　 采用添加酶解激活剂、改变物料混合方式、粉碎以及分批加料的方式提高经高温液态水预处理后的甜高粱秆渣的酶解效率,发现Co2+和Mg2+在质量浓度为10-5mg/mL时可较好地提高纤维素酶活力,但是对纤维素的酶解促进作用不明显。0.175mL/g干物质的Tween80(吐温80)可把酶解转化率由16.6%提高到37.9%。当把物料混合方式由振荡改为磁力搅拌时,物料酶解效率提高,且在转速为200 r/min时最佳。当把物料粉碎后酶解时,酶解效率有所上升,但不是很明显。结合这些优化条件,采用分批加料的方式对经高温液态水预处理后的甜高粱秆渣酶解120 h,纤维二糖、葡萄糖和木糖浓度可分别达到30.7 g/L、88.8 g/L和18.9/L,酶解效率达到89.3%,比单批酶解高出24.4%,比分批加料振荡酶解高出41.2%。　　 设计并制造酶解反应装置,在己优化的酶解条件下评价了不同搅拌桨对秸秆类生物质酶解效率的影响。试验发现,经高温液态水预处理后的甜高粱秆渣在板框式搅拌桨以100 r/min的转速搅拌下酶解72 h,葡萄糖产量高出双层两弯叶片式搅拌桨10%。在此条件和已优化的酶解条件下,对不同固体浓度的甜高粱秆渣进行分批酶解发现,20%固体浓度的甜高粱秆渣比较适合在水解反应装置中酶解,其在加酶量为30 FPU/g葡聚糖时酶解120 h,总糖浓度达到93.17 g/L,比15%固体浓度底物高出15.33 g/L,比30%固体浓度底物低20.59 g/L,聚糖转化率为60.7%,比15%和30%固体浓度底物分别高出0.68%和5.32%。对20%固体浓度的甘蔗渣在20 FPU/g葡聚糖加酶量下进行分批酶解120 h,总糖浓度达到91.60g/L,聚糖转化率为68.3%,酶解效果好于甜高粱秆渣。对在水解装置中进行的酶解反应动力学模拟发现,分形动力学模型能很好地拟合试验数据,适合于评价和分析在水解装置中进行的酶解反应。　　 针对已建立的酶解工艺,分析影响生物质酶解效率的原因。采用傅里叶红外光谱以及紫外光谱测定,发现Tween80能很好地吸附生物质中的木质素,屏蔽木质素对纤维素酶的吸附,从而提高纤维素的酶解效率,同时Tween80能够与酪氨酸和色氨酸发生相互作用,且这种相互作用随着Tween80浓度的增加而更加明显,因此高浓度Tween80会影响酶解效率。采用NaOH去除经高温液态水预处理后的甜高粱秆渣和甘蔗渣中的木质素,发现甜高粱秆渣的酶解效率降低,甘蔗渣的酶解效率提高,且水解液中纤维二糖的浓度上升明显,说明木质素主要吸附内切或外切葡聚糖酶,残存于甜高粱秆渣中的木质素可吸附β-葡萄糖苷酶。采用扫描电子显微镜、X射线衍射和比表面积分析得出,经高温液态水预处理后的生物质在用NaOH去除木质素后,其酶解效率不仅与木质素的去除有关,还与去除木质素后的表面结构变化有关。葡萄糖浓度和木糖浓度过高都会抑制纤维素的酶解,且葡萄糖浓度是主要影响因素。通过荧光光谱测定发现,葡萄糖也与纤维素酶中的色氨酸存在相互作用,且这种作用也随着葡萄糖浓度的增加而更加明显,因此高浓度葡萄糖会影响酶解效率。　　 采用酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae Y2034)对酶解液进行发酵,发现乙醇产量高低与酶解液中葡萄糖浓度有关,葡萄糖浓度越高,乙醇产量越大,但是水解液中的纤维二糖和木糖不能被利用。采用水解后同步糖化发酵的方法对经高温液态水预处理后的甘蔗渣进行酶解发酵,发现纤维二糖被利用,分批水解120h后再降温发酵72 h后,乙醇浓度达到55.4 g/L,聚糖转化率达到87.5%。通过物料平衡和经济核算发现,如果把甘蔗渣从预处理到发酵整个工艺中产生的所有产物加以利用,那么甘蔗渣原料的利用率可达到79.1%,整个工艺也将获利。