随着人类对能源需求的日趋增加和化石燃料的逐渐减少,寻找能够可持续利用的新能源成为世界各国的一项重要任务。生物质能作为一种可再生能源,已经受到世界各国的重视,对生物质加以研究开发利用逐渐成为世界许多国家的研究热点之一。我国生物质资源丰富,但是面临利用率低和易造成环境污染的问题,因此高效和经济利用生物质已成为我国一项迫切的、具有重要战略意义的任务。生物乙醇是生物能源的一种,可单独或与汽油混配制成乙醇汽油作为汽车燃料,利用农产废弃物等生产燃料,即生物质燃料乙醇,在节省粮食、能源以及环保等方面有极大的优势。生物质燃料乙醇的研究、应用和推广工作,在国内外已经进行了100多年但是目前此技术尚未能完全进入工业化生产,其中最主要的问题为木质纤维素预处理技术尚不成熟,木质纤维转化为可发酵性糖的转化率不高。这是因为,木质纤维的结构致密,纤维素本身的结晶结构、半纤维素对纤维素的包覆作用以及木质素对纤维素的屏蔽作用,都会影响纤维素的降解和可发酵性糖的获得,因此对木质纤维的发酵利用需要通过预处理打开木质纤维素的紧密结构,提高后续酶解中木质纤维到可发酵性糖的转化率,这是解决生物质(秸秆)燃料乙醇生产瓶颈,实现工业化生产的重要途径。论文的研究内容主要涉及超声波对玉米芯的木质纤维的预处理作用、对酸预处理过程的辅助作用以及对后续酶解过程的促进作用,旨在寻找一种更加经济实用的预处理方式,解决目前预处理成本高且效果差的问题,并降低水解过程中的酶用量,提高酶水解的还原糖得率,最终达到提高植物纤维原料转化率的目的。(1)超声波预处理玉米芯的工艺研究以还原糖得率作为评定标准,分别研究了固液比、酶加量、酶解时间等因素对还原糖得率的影响,得到了各因素的影响曲线,并结合均匀试验,对超声波预处理条件进行优化。得到回归方程：Y= 19.972+0.002X1X3+0.001X1X4(其中X1,超声波功率；X2,一次超声时间；X3,超声间隙时间；X4,总超声时间)优化条件为超声波功率260W/g,一次超声时间2s,超声间隙时间6s,总超声处理时间30min,此条件下玉米芯的总还原糖得率达到26.71%,这表明单纯的超声波预处理对木质纤维的降解促进作用有限,无法达到理想效果。对超声波预处理玉米芯,提高还原糖得率的原因进行了探索,通过电镜观察与FTIR扫描谱图发现,超声波的辐射处理并未改变纤维素的内部结构,没有破坏内部官能团,推断超声波处理后还原糖得率有所上升的原因是超声波促使了部分内部还原糖的溶出。(2)超声辅助酸预处理玉米芯的工艺研究研究在超声波以及酸液的双重作用下,木质纤维发生部分水解后还原糖的得率,以及结构受到破坏对后续酶解的促进作用。可行性试验的结果表明,此法的预处理还原糖得率达到了30.96%,分别是静态沸水浴、沸水浴搅拌、以及非沸水浴超声波三种处理方式的还原糖得率的1.72、1.43、1.22倍,效果较好。采用PB试验筛选出了试验的主要影响因素,即酸浓度、超声波功率和超声波时间,并用均匀试验进行优化。以总还原糖得率为指标,用SPSS软件回归得到方程：Y=-0.276-0.430X12-0.001X1X2+0.006X1X3-1.5×10-5X2X3+1.009X1+0.002X2(其中X1,酸浓度；X2,超声波功率；X3,总超声时间)最优条件为：酸浓度1.20%,超声波功率121.95W/g,超声波处理时间60min。此条件下总还原糖得率可达到71.91%,木质纤维降解率较高。显示此种方法在减少酸用量、提高还原糖得率等方面有较好的效果。电镜与FTIR扫描谱图发现,此种处理方法对木质纤维的内部结构破坏较大,有部分内部官能团受破坏。(3)在传统力学方程和实验数据的基础上,对超声波辅助酸预处理玉米芯反应过程的超声波传质或降解动力学模型进行了初步探索。通过反应机理的推导及与酸预处理木质纤维的经典模型的拟合,发现超声波辅助酸预处理玉米芯的模型与所报道的经典模型拟合度较高,表明超声波场下酸预处理的反应过程没有改变。计算发现,超声波辅助酸预处理玉米芯与所报道的经典模型拟合度较高,κ1、κ2值显示出相同的变化趋势,且κ2值始终低于κ1值。与同等反应体系相比,此体系在较低的酸浓度下(≤1.25%)就可以达到较高的反应速率,κ1略高于其他体系,且耗酸量少,这可能与超声波的强化传质等作用有关。产物降解速率κ2值比目前报道的硫酸反应体系较低,表明超声波辅助酸预处理的方式在减少生成物的降解上有一定优势。并通过试验数值的计算,得此体系的活化能Ea=31.85kJ/mol。(4)超声波对纤维素酶以及酶解过程的影响研究。首先探讨了两种不同的超声波处理方式(聚能式、发散式)对纤维素酶催化作用的影响,发现发散式超声波处理在处理效果的稳定性和显著性方面要好于聚能式超声波处理。其次对发散式平板超声处理纤维素酶的工艺参数进行了优化,得到了最佳工艺条件,即为300kW、28kHz的扫频超声处理2min,放置时间对纤维素酶活的影响较大,放置48h后酶活值降低了68.97%,且无法恢复。通过紫外吸收光谱、荧光光谱等检测分析,发现此操作强度下的超声并未引起纤维素酶内部价键或者组成的变化,而是发生了部分构象的改变,从而实现对纤维素酶的激活作用。此研究结果在降低纤维素酶用量上具有一定的实际应用意义。探讨了超声波对酶解过程的影响,结果发现,经过超声波处理后的酶解液的还原糖得率比未处理样品可高出18.43%,这可能与超声波的强化传质、促进酶液在酶解体系中的扩散有关。