丁醇是一种可通过微生物发酵生产的新型生物燃料，传统的丁醇发酵常使用淀粉质和糖质原料，原料成本高，“与人争粮”，且受地区限制。以农作物秸秆为代表的木质纤维素生物质产量巨大，来源广泛，其中的纤维素和半纤维素组分可被水解为可发酵性糖而被微生物利用，是极具应用前景的丁醇生产原料。然而，木质纤维素结构复杂而紧密，如何通过简单廉价的方式从木质纤维素中获得高浓度可发酵性糖成为木质纤维素丁醇发酵的关键。目前比较常规的技术路线是将原料通过预处理去除半纤维素与木质素，剩余的纤维素经酶水解后用于丁醇发酵，原料预处理效果和成本以及原料利用率成为制约此工艺路线实施的关键因素。若通过稀酸预处理获得半纤维素水解液后，再将水解渣进行纤维素酶水解，分别利用半纤维素稀酸水解液与纤维素酶水解液发酵产丁醇可以实现纤维素与半纤维素资源的高效利用，该技术路线也成为生物化工的一个新的研究方向。但该技术路线的关键问题在于:1.半纤维素稀酸水解液中存在多种抑制丁醇发酵的化合物，且Clostridium acetobutylicum在利用水解液中的混合糖进行丁醇发酵时会存在碳源阻遏现象;2.稀硫酸预处理后木质纤维素中纤维素的结晶结构仍然致密，且木质素的存在使其酶解率依然偏低。　　为解决上述关键问题，本论文以廉价而丰富的小麦秸秆为原料，研究了去除半纤维素，破坏纤维素结晶结构以及脱木质素处理组合工艺对小麦秸秆酶水解的影响规律，并以酸解液和酶解液为原料进行丁醇发酵，这些研究为木质纤维素丁醇发酵的原料全组分高值化利用提供了理论基础。主要研究内容和结果如下:　　首先，通过稀硫酸预处理去除小麦秸秆中半纤维素组分，获得半纤维素稀酸水解液和水解渣。稀酸水解液主要成分为半纤维素水解产生的木糖、阿拉伯糖和乙酸，少量纤维素水解产生的葡萄糖和纤维二糖，及糖过度水解产生的糠醛、5-羟甲基糠醛、甲酸和乙酰丙酸等。由于发酵抑制剂的存在，C.acetobutylium不能直接利用水解液中的糖进行丁醇发酵。为此考察了其中5种典型抑制剂（糠醛、5-羟甲基糠醛、乙酸、乙酰丙酸和甲酸）在不同浓度下对C.acetobutylicum产溶剂的影响规律。结果表明:甲酸对C.acetobutylicum丁醇发酵有强抑制作用，引发酸崩溃现象的临界分子态甲酸浓度为5mM。C.acetobutylicum不能代谢甲酸，但通过提高发酵体系的pH缓冲能力降低分子态甲酸浓度能减轻其对丁醇发酵的抑制作用。针对C.acetobutylium对小麦秸秆稀酸水解液中的五碳糖和六碳糖的利用存在碳源阻遏的问题，设计了Saccharomyces cerevisiae和C.acetobutylium混菌培养分段发酵工艺，通过控制两种微生物接种时间差既可以缩短发酵周期，也可以提高溶剂得率。　　随后，对小麦秸秆稀酸水解渣的酶水解性能进行研究，结果表明稀酸预处理对小麦秸秆中纤维素酶解率的提高作用有限，稀酸水解渣纤维素酶解率仅为33.2％。结合扫描电镜和X-射线衍射表征，推测原因可能是水解渣中纤维素的结晶结构阻碍了其与纤维素酶的接触。针对该问题，作者通过氯化锂/N，N-二甲基乙酰胺(LiCl/DMAc)溶剂体系对水解渣进行溶解再生破坏纤维素结晶结构以期提高纤维素酶水解率，同时研究了该技术对小麦秸秆酶水解及酶解液丁醇发酵的影响规律，结果表明:溶解再生后多糖酶解率较溶解前显著提高，纤维素酶解率由33.2％提高到81.2％，木聚糖酶解率由28.0％提高到65.4％;LiCl/DMAc溶剂体系溶解再生对多糖酶水解的影响可归因于其对原料结构和组成的影响:溶解再生处理使纤维素晶型由Ⅰ型转变为Ⅱ型，木质素和半纤维素含量更低，再生样品的表面更加疏松多孔，有利于酶与底物的接触;再生样品酶解液中的糖可被C.acetobutylicum利用进行丁醇发酵，水解糖利用比较完全，溶剂得率为参照组的92.1％。　　最后，针对稀硫酸预处理与LiCl/DMAc溶解再生无法去除木质素导致酶解率较低的问题，采用助水溶剂和亚硫酸铵对小麦秸秆进行脱木质素预处理，研究了该预处理对小麦秸秆多糖酶解以及后续酶解液丁醇发酵的影响规律，结果表明:助水溶剂二甲苯磺酸钠(SXS)预处理，可以选择性去除木质素，在这一过程中部分半纤维素发生自水解;通过甲酸调节SXS预处理体系pH，可以提高预处理过程中半纤维素的去除率、增加底物的孔隙率，使纤维素酶解率由54.8％提高到74.7％，木聚糖酶解液由44.3％提高到57.5％;亚硫酸铵(AS)预处理过程中木质素通过磺化反应和氨解反应得以去除，半纤维素组分发生自水解，反应过程中游离氨的强渗透性破坏了纤维素的结晶结构，因此AS预处理能极大提高纤维素酶解率（高达99.9％）;SXS和AS预处理小麦秸秆酶解液均可用于正常的丁醇发酵，AS预处理多糖酶水解率高，酶解液中糖浓度可达58.98g/L，C.acetobutylicum对酶解液中的糖能完全利用，丁醇发酵总溶剂浓度接近传统玉米丁醇批次发酵（相同糖浓度）的最高浓度，可达19.65g/L。　　通过上述研究，本论文设计了通过提高培养基pH缓冲能力降低分子态脂肪酸毒性的工艺方案来解决水解液中的脂肪酸抑制剂（甲酸）对丁醇发酵的低浓度强抑制作用;同时针对碳源阻遏引起的水解液总糖利用速率低，溶剂得率低的问题，设计了以葡萄糖/木糖二元体系为底物的C.acetobutylicum和S.cerevisiae混菌培养分段发酵工艺，显著提高了溶剂得率，为水解液发酵制备生物液体燃料提供了新的思路;针对小麦秸秆及其半纤维素水解渣存在的纤维素结晶度高，后续酶水解效率低的问题，使用LiCl/DMAc溶剂体系溶解小麦秸秆水解渣，再生样品的纤维素酶解率显著提高;针对LiCl/DMAc溶解再生不能去除小麦秸秆木质素的问题，采用SXS和AS预处理进一步提高样品的纤维素酶解率。本研究针对半纤维素、纤维素和木质素的结构特征和水解脱除特点，突破了传统木质纤维素预处理工艺中半纤维素、木质素较难去除的瓶颈，成功建立了一条切实可行的三组分有效分离及高效利用的技术路线，促进了木质纤维素丁醇研究的进展，为生物质综合化利用提供了理论基础。