从气候变化应对、化石和粮食资源替代、农作物秸秆出路等诸多重大需求角度看,以可再生、低成本、易获取的非粮木质纤维素生物质为原料生产液体生物燃料和生物基化学品,是未来经济社会发展和制造业技术进步的核心领域之一。现有的木质纤维素生物炼制技术存在的高废水排放、高能耗、低转化效率等重大技术障碍,使得近十年来生物炼制工业实践遭遇了重大挫折。生物炼制技术必须进行革命性的技术创新,才能突破常规技术的落后产能技术特征,进而实现真正意义上的大规模产业化应用、真正服务于应对气候变化和可持续发展所带来的一系列严峻挑战。干法生物炼制技术是以玉米干法加工为技术模板研发的木质纤维素生物转化技术。干法生物炼制加工链中,干式稀酸预处理和生物脱毒在零废水、低能耗约束下获得了无抑制物、易水解的木质纤维素物料;高固含量同步糖化与共发酵逼近了玉米干法加工的转化、排放、能耗等技术指标,初步具备了生物炼制技术的产业化应用潜力。目前的干法生物炼制技术中,仍然存在着影响过程效率和经济性的诸多技术障碍,有待于进一步的技术升级。这些障碍包括:（1）现有的生物脱毒菌株树脂枝胞菌Amorphotheca resinae ZN1环境适应性较差,脱毒温度不超过30℃,且必须在接近中性的条件下生长;（2）生物脱毒需要在固体木质纤维素物料中进行,发酵空间大、耗氧量高、混合均匀度差,局部温度和pH波动较大,难以匹配实际工业生产中以液态形式进行的生物转化流程;（3）干式稀酸预处理使用的硫酸催化剂,中和后形成的难溶硫酸盐,因而降低了后续木质素残渣燃烧效率,并存在硫氧化物逸出的风险;（4）干法生物炼制过程的碳足迹分析欠缺,过程的碳中和效率不能定量计算。本论文对干法生物炼制技术进行了一系列的微生物技术和过程工程技术创新,通过系统的应用基础研究,提出并验证了类淀粉化干法生物炼制技术的新概念,突破了上述关键技术障碍,对干法生物炼制技术完成了一次重要的技术进步升级。本论文第一部分筛选得到了一株新的具有强大生物脱毒能力的菌株,鉴定为宛氏拟青霉Paecilomyces variotii FN89。该菌株在28-42℃的广泛温度范围和极低pH值（～2.3）下具有良好的耐受性,可在极低可发酵单糖消耗下对所有类型的木质纤维素来源抑制物（乙酸、糠醛、5-羟甲基糠醛、香草醛、丁香醛和对羟基苯甲醛等）进行终极、快速的降解,较前一株生物脱毒菌株树脂枝胞霉Amorphotheca resinae ZN1具有明显的优势。转录组分析表明,抑制物存在下其糖代谢能力显著降低,具有以抑制物作为优先碳源的遗传优势;低pH条件下糖代谢通量和胞内ATP合成方式有所调整、DNA和线粒体内蛋白质伴侣修复功能增强,有助于细胞对酸性环境的耐受性。本论文第二部分以玉米干法加工技术为模板,通过可降解有机酸为催化剂的干式稀酸预处理和低pH生物脱毒技术,实现了木质纤维素生物质的类淀粉化转化,即在零废水、零抑制物和酸催化剂排放、低能耗和低糖消耗的约束下,将木质纤维素生物质转化为与淀粉生物质组成相近、水解性能相近的固体颗粒状碳水化合物;在后续的高固含量同步糖化与共发酵过程中,生物转化、废水和化学品排放、能耗等可量化指标接近玉米原料生产乙醇的水准。本论文将可降解有机酸催化的干式稀酸预处理和低pH下生物脱毒后的小麦秸秆和玉米秸秆等木质纤维素生物质定义为类淀粉生物质,包括后续高固含量同步糖化与共发酵在内的生物炼制过程定义为类淀粉化干法生物炼制。以小麦秸秆和玉米秸秆为原料,可生物降解草酸为催化剂的干式稀酸预处理效果与硫酸催化剂效果基本一致,且抑制物产生更低;宛氏拟青霉P.variotii FN89在低pH下实现了对所有类型抑制物以及草酸催化剂的同步生物降解和脱除,总可发酵糖损失不超过6%。干酸预处理和生物脱毒后的小麦秸秆和玉米秸秆物料基本不含有酸催化剂和抑制物,在形态、可发酵糖含量、酶水解得率、元素含量方面与玉米粉相似。小麦秸秆和玉米秸秆经过类淀粉化生物转化,分别产生了 78.5 g/L（9.9%,v/v）和75.3 g/L（9.5%,v/v）乙醇,基于原料纤维素和半纤维素的得率分别为0.47 g/g和0.45 g/g,与玉米乙醇发酵指标类似（78.7 g/L,0.48 g/g）。本论文第三部分探究了类淀粉化干法生物炼制所产生固体废弃物的合理利用。固体废弃物的最终形式为木质素燃烧灰分。SEM/EDX、XRD和FTIR表征揭示其中含有大量的碳酸钙,可以作为生物炼制过程的中和剂进行循环使用,从而降低固废和二氧化碳排放。当木质素燃烧灰分中的碳酸钙作为预处理中和剂时,纤维素L-乳酸产量达到了94.6±2.5 g/L,与碳酸钙作为中和剂类似;当灰分用做乳酸发酵中和剂时,最终乳酸产量达到了 78.3±3.5 g/L,比碳酸钙中和剂提高了 17.6%。物料平衡结果表明,在年加工30万吨（干基）小麦秸秆原料的生物炼制工厂内,通过对类淀粉化生物炼制燃烧灰分的循环利用,每年至少可减少867.0吨的碳酸钙或1232.1吨氢氧化钙的使用。本论文第四部分针对常规生物炼制技术中玉米籽皮生产燃料乙醇的技术障碍,对干法生物炼制加工链进行了重新调整。研究表明,玉米籽皮含量最高的半纤维素组分的分解,导致其中的乙酰基水合产生大量乙酸,严重抑制了乙醇发酵菌株的生长和代谢。通过对常规生物炼制加工链的调整,使乙酰基在脱毒之前完成最大限度的释放和水合,再在后续的液态脱毒中进行完全的降解。最终实现了玉米籽皮的纤维素乙醇高效转化,其产量和得率分别为70.2 ± 1.6 g/L和0.43 g/g。本论文第五部分以生物脱毒手段突破抑制物对乙醇发酵菌株的抑制瓶颈后,对稀酸水解技术生产纤维素乙醇的潜力进行了重新评估。采用硫酸、磷酸和草酸的混合酸水解,以玉米秸秆为底物获得了含有51.1 g/L葡萄糖和18.1 g/L的水解产物,得率分别为0.50 g/g纤维素和0.22 g/g木聚糖;通过半连续液体脱毒方法,在24 h内完全脱除了水解液中的乙酸、5-羟甲基糠醛和糠醛,最终成功发酵获得乙醇24.2 g/L,相当于乙醇得率为72.6 kg/ton玉米秸秆。初步技术经济评价表明,在新的生物脱毒技术克服抑制物瓶颈后,用廉价酸催化剂代替昂贵的纤维素酶催化剂,只能补偿21.5%-89.1%的乙醇生产损失,远不能弥补稀酸水解低得率所带来的损失。酸水解技术在生产每吨乙醇的能耗成本也明显高于酶水解过程。现有的酸水解技术即使在突破抑制物瓶颈后,仍然不具备实际应用价值。本论文第六部分对干法生物炼制平台的高手性度纤维素L-乳酸生产过程案例建立了基于严格Aspen Plus流程模拟计算的详细物料平衡,并进行了初步的生命周期分析。结果表明,生产每kg纤维素L-乳酸的碳排放为0.279-0.815 kg。当以葡萄糖氧化生产的草酸作为生物可降解预处理催化剂时,可以进一步降低全过程的碳排放至0.267 kg/kg纤维素L-乳酸。综上所述,本论文提出的类淀粉化干法生物炼制技术,突破了脱毒菌株耐受性较差、硫酸催化剂残留、固废处置等关键技术障碍,推动了干法生物炼制技术的进一步技术升级,为生物炼制技术的产业化应用提供了更为坚实的过程工程和微生物技术基础。