预处理是木质纤维素生物炼制过程中的关键步骤,是生物炼制技术的核心,对生物炼制的上游和下游工序的转化效率、排放指标以及技术经济指标都有着决定性的影响。干酸预处理是干法生物炼制技术的一个重要环节,与后续生物脱毒、高固含量同步糖化与发酵相结合形成的高效生物炼制转化体系,实现了与玉米原料生产乙醇和有机酸产品相近的技术指标和成本指标,并大幅度降低了过程能耗、水耗和废水排放。本文针对目前干酸预处理过程中存在的数个技术瓶颈,包括高强度蒸汽需求、酸催化剂对反应器腐蚀,以及预处理后物料长期储存等问题进行了深入研究,获得了上述问题的合理解决方案,实现了干酸预处理过程的关键技术突破,巩固了干法生物炼制技术的技术基础和应用价值。同时,将干酸预处理拓展到了重金属污染治理领域并取得了重要进展。本文第一部分对预处理过程的蒸汽热源强度进行了详细研究和评价。预处理是一个高耗能的过程,其主要热源来自于高温蒸汽。蒸汽热源的温度、压力等强度因素直接决定了蒸汽制造单元和反应器单元的制造成本、操作成本以及预处理物料中的抑制物含量。本章重点考察了低压蒸汽作为预处理热源对干酸预处理效率的影响。实验通过调节蒸汽发生器参数提供不同温度和压力的蒸汽,在饱和蒸汽出口压力分别为1.5、1.7、1.9和2.1 MPa的条件下,对20 L预处理反应器中的玉米秸秆原料进行了干酸预处理,同时采用计算流体力学(CFD)软件对蒸汽在预处理反应器内的分布情况进行了模拟计算。通过对预处理后玉米秸秆原料的理化性质、组成、酶水解效率和乙醇发酵效率等性能进行测定,证实了预处理效率即使在低压范围内的蒸汽压力下仍然得以维持。这一结果为预处理过程的蒸汽供应强度给出了重要的科学依据,为预处理系统的设计、制造和操作提供了坚实的设计依据,同时也为分散预处理模式给出了关键的技术支持。本文第二部分对预处理反应器的腐蚀问题进行了定量表征和针对性降低研究。反应器腐蚀是稀酸、蒸汽爆破、水热预处理等基于低pH条件的预处理过程所面临的核心技术障碍之一。预处理反应器的腐蚀程度直接影响其设备成本、操作成本和技术可行性。降低反应器腐蚀是生物炼制过程的关键之一。本章提出了一种测定微型预处理反应器内壁铁离子释放量的简单方法,对预处理反应器的腐蚀程度进行了准确定量表征。利用这一方法,通过调整预处理体系的木质纤维素原料固体与酸催化剂溶液的质量比、酸催化剂浓度以及种类等条件,对降低预处理反应器的腐蚀程度进行了详细的实验研究。实验结果表明,提高反应体系固液比、降低酸催化剂浓度都有利于降低预处理反应器的腐蚀程度,硫酸作为酸催化剂时对预处理反应器的腐蚀程度与甲酸以及甲基磺酸相当,而盐酸对预处理反应器的腐蚀程度最强。以硫酸作为酸催化剂进行预处理,在酸浓度相同的条件下,当反应体系固液比从常规稀酸预处理的1:10提高到干酸预处理的1:0.5,预处理反应器材质的腐蚀程度降低了接近85%。这一结果证实了高固含量干酸预处理可以显著降低预处理反应器的腐蚀程度,为干酸预处理的产业化应用提供了重要的技术支持。本文第三部分针对干酸预处理后木质纤维素原料的长期储存进行了实验研究。木质纤维素原料在不受微生物污染且没有糖损失的情况下进行长期储存至关重要。本章对干酸预处理后的玉米秸秆原料进行了为期三个月的室外长期储存实验。结果表明,预处理后物料经过长期储存,各组分基本保持不变,而酶水解效率和乙醇发酵效率均有所提高。预处理后物料低pH和高抑制物含量的状态产生了有效的抑菌环境,并在物料储存过程中进行温和而缓慢的半纤维素降解。这项研究针对原料储存问题从生物炼制的技术角度提出了一个重要的解决方案,为生物炼制过程中原料的持续供应提供了保障。本文第四部分根据干酸预处理低能耗和零废水产生的特点,将干酸预处理技术拓展到了土壤重金属污染治理领域。植物修复是土壤重金属污染治理的主流技术,但富集了重金属的治理植物,在不产生二次污染的前提进行合理利用是一个重要问题。本章以重金属污染后的水稻作为模型治理植物,稻秆通过干酸预处理和生物脱毒后,在不产生任何废水的前提下进行乙醇发酵,同时将重金属污染后的稻米进行常规的干法加工生产乙醇。结果表明,重金属污染后的水稻秸秆和稻米不仅能在生物转化过程中取得比较理想的结果,且在整个干法生物炼制过程中没有发生重金属的二次污染现象。这一方式不仅解决了困扰重金属污染植物修复技术中的二次污染问题,同时通过生物炼制获得了燃料乙醇产品,具备重要的经济和环境效益。综上,本论文突破了干酸预处理的数个技术瓶颈,降低了预处理过程蒸汽供应强度,实现了预处理反应器腐蚀的降级,解决了预处理后原料的长期储存问题,并在重金属污染治理领域获得了重要的拓展应用,显著提高了干酸预处理技术和整个干法生物炼制技术的工业化应用潜力,为干法生物炼制的产业化应用提供了重要的技术支持。