以木质纤维素生物质为原料生产的木质纤维素乙醇能量密度适中、便于存储和运输、易于生产且容易和石化燃料混合,是一种重要的可再生清洁能源。纤维素乙醇生产流程工艺虽然已经具备,但仍然面临诸多阻碍其产业化的环节,包括预处理工艺条件苛刻和高浓度发酵效率低等。本研究主要从预处理工艺创新和发酵工艺创新两个角度提升生物质转化效率,降低木质纤维素乙醇生产成本。针对木质纤维素高固含量同步糖化共发酵过程中存在的一些问题:纤维素酶和发酵菌株最适温度之间存在差异和抑制剂存在下葡萄糖和木糖的共同高效利用,本研究开发出了新型人工混菌培养发酵体系。通过研究温度分布发酵时间段、菌株接种时间、菌株接种比例和菌株协同相互作用机制等对发酵工艺的影响,建立并优化了这种新型的同步糖化共发酵工艺。通过使用该系统进行25%固含量同步糖化共发酵,得到的乙醇产率和最终浓度达到0.44 g乙醇/g糖和70.2 g/L。追本溯源,同步糖化共发酵过程中的问题主要源自木质纤维素中的木质素(抑制酶解)和预处理过程中严苛的预处理条件造成的可发酵糖的过度降解(抑制发酵菌株)。高温乙二胺预处理对玉米秸秆中木质素的去除率达到86.1%。另一方面,高温乙二胺预处理显著提高了玉米秸秆表面结构的粗糙度,改善了其孔结构并增加了其孔隙率。荧光蛋白酶吸附分析结果表明,高温乙二胺预处理后的玉米秸秆对纤维素酶的可生产性吸附显著增加了35.2%。利用高温乙二胺预处理的玉米秸秆进行高固含量(15%葡聚糖负荷)同步糖化共发酵,最终得到高达82.2g/L的乙醇,而其酶使用量仅为3.6 FPU/g干物质。本研究还开发出一种温和分步预处理工艺,该工艺可以有效解决严苛预处理导致可发酵糖过度降解和温和预处理降低木质纤维素生物质生物抗性效率低的问题。在分步预处理后的固体中仍然保留超过95%的葡聚糖和85%的木聚糖。预处理固体的葡聚糖和木聚糖转化率分别达到94.18%和72.81%,而其使用的酶负荷仅为10 mg纤维素酶/g葡聚糖。在分步预处理过程中,氨水预处理通过增加比表面积来增强底物对纤维素酶的可生产性吸附,而乙二胺预处理主要通过木质素的聚结和重新定位来增加底物对纤维素酶的可生产性吸附。