預處理與生物脫毒過程強化對木質纖維素干法生物煉制技術的促進木質纖維素生物煉制過程需要通過高強度的預處理操作破壞其抗性結構,并對預處理過程中形成的抑制物進行脫毒,才能保證后續纖維素酶水解和發酵步驟的正常進行。前期工作中建立的低水耗、零廢水排放的干式稀酸預處理技術,以及發酵抑制物的固態生物脫毒技術,已經成功應用于高固體含量木質纖維素發酵生產乙醇、油脂和乳酸的過程。然而,干式稀酸預處理和生物脫毒兩個關鍵技術都僅在小規模裝置上實現,在產業化規模的大型裝置中的有效傳質和傳熱沒有涉及,過程速率也明顯偏低,從而影響了干法生物煉制過程的工程化應用。本文針對干式稀酸預處理和生物脫毒所涉及的傳質、傳熱和低速率問題進行了解析,提出了適用于兩個技術在放大尺度下的過程強化方案,并進行了化學工程、發酵工程和微生物代謝機理方面的研究,顯著提高了干法生物煉制過程傳遞效率和轉化速率,為未來干法生物煉制技術的工業應用提供了強大的技術支持。本文第一部分對適用于高固體含量體系混合的預處理反應器展開研究,嘗試解決干式稀酸預處理反應器大型化之后所面臨的傳質和傳熱問題。通過對比各攪拌槳在高固含量體系中處理固液混合的能力,選定螺帶攪拌槳作為千式稀酸預處理反應器中的攪拌裝置,并設計了20L容積的螺帶攪拌式預處理反應器。與傳統的無攪拌混合的預處理過程相比,螺帶攪拌預處理后物料酶解糖化效率提高了2.4%、乙醇發酵得率提高了17.4%,同時還減少了預處理過程中抑制物的產生。螺帶攪拌混合大幅增強了蒸汽和固體物料在預處理反應過程中的傳質,強化了蒸汽與物料之間的傳熱,為工業化生產過程提供了一個合適的預處理反應器設計原型。本文第二部分研究嘗試將稀酸預處理技術中常規的預浸步驟去除,從而提高預處理的操作效率,減少固定投資。實驗結果表明,少量稀酸溶液與大量固體秸稈物料并流投放到螺帶槳攪拌預處理反應器中,低速短時攪拌即可實現固體秸稈和稀酸溶液的完全混合。經過預處理后,不預浸物料的纖維素轉化率達到84.77%,預浸12h物料的纖維素轉化率達到87.11%,結果基本一致。而在沒有攪拌的預處理過程中,無預浸操作的預處理秸稈則比12h預浸的預處理秸稈在纖維素酶解轉化率上降低了18.4%,說明螺帶攪拌對少量稀酸液體與大量秸稈固體的混合發揮了重要作用。這一改進對于工業化生產過程的物料儲存、輸送和腐蝕問題都實現了大幅度簡化,增強了干式稀酸預處理技術的經濟性和實用性。本文第三部分在改進預處理反應器的基礎之上,針對玉米秸稈原料中灰分對預處理效率的影響進行了詳細研究。實驗表明,當玉米秸稈灰分含量從約10%降低至5%以下,預處理后物料的纖維素酶解轉化率增加了63.9%,乙醇得率增加了42.1%。玉米秸稈灰分中的堿性化合物對稀酸具有強烈的中和作用,降低了稀酸在預處理過程中的催化效果。研究發現,灰分物質多存在于微小尺寸的物料中,因此工業生產過程可以通過機械篩分和旋風分離的方式脫除。本工作對生物煉制原料前處理技術指標的制定給出了嚴格的科學依據,其中灰分含量必須作為一項重要指標對原料進行評估。本文第四部分研究針對現有的樹脂枝孢霉AmorphorthecaresinaeZN1固態生物脫毒技術中因混合、傳質和發酵條件控制不足而導致的脫毒速率緩慢的問題,開展了以快速生物脫毒為目標的研究。首先對固態脫毒過程的抑制物代謝與乙醇發酵現象進行了分析,確定糠醛、5-羥甲基糠醛和乙酸完全降解的時間點即為脫毒終點。然后,在螺帶攪拌槳生物反應器中對脫毒過程的抑制物降解展開研究,發現增加過程通氣速率至1.00VVM可以大幅提升糠醛、5-羥甲基糠醛和乙酸的降解速率,將脫毒終點縮短至36h,即縮短至常規脫毒時間的1/3。同時,改善脫毒霉菌菌體在脫毒物料體系中的分布并保留了大部分木糖組分(水解后木糖濃度約為45g/L)。研究發現,快速脫毒過程中增加氧氣供給并沒有促進菌體生長加速,而是促進了糠醛的代謝產物糠醇向糠酸的轉化,提供了足量的抑制物降解代謝所需的還原力,從而進一步促進了5-羥甲基糠醛和乙酸的降解代謝。快速脫毒的實現使其在工業化生物煉制中更具實