日益增长的能源需求、传统燃料的逐渐变少、环境和全球变暖等问题导致了当今世界面临能源短缺和转换的问题。以农作物秸秆木质纤维素为原料通过生物炼制技术生产液体生物燃料和高附加值生物基化学品,是减少石油和粮食用量,实现可持续发展的重要选择。目前,木质纤维素加工和操作的高昂费用是木质纤维素商业化的主要障碍。本文对几种实用的研究策略在生物炼制过程上的应用进行了测试,对降低乙醇和乳酸生产过程成本的方案进行了详细研究。这些策略包括用玉米秸秆原料替代葡萄糖培养酵母发酵菌种、用干酒醪及可溶物(DDGS)作为发酵营养添加剂替代昂贵的发酵营养物、通过适应性进化提高酿酒酵母发酵菌种的乙醇得率、以及在不灭菌的开放环境中进行乳酸发酵。以预处理的玉米秸秆原料代替纯葡萄糖作为碳源,无需水解液制备的固液分离和酶水解过程而直接进行发酵菌种培养,以葡萄糖、玉米秸秆水解液和预处理玉米秸秆固体作为碳源时,酵母细胞的生长和乙醇发酵能力没有明显差异。该方法减少了22%的酵母种子培养成本。预处理过程产生的大量抑制物降低了纤维素酶酶活和发酵菌种的生长和发酵效率本文以预处理后玉米秸秆水解液为驯化环境,连续驯化酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae DQ165天,显著提高了玉米秸秆水解液和高固含量同步糖化与发酵(SSF)的乙醇发酵能力。本文使用廉价的DDGS替代昂贵的发酵营养添加物质,乙醇浓度和乙醇得率分别是71.40 g/L和80.34%,而且预处理到发酵的全部过程无任何废水产生。这一结果达到了目前公开发表文献中的最高指标。使用产细菌素的L-乳酸发酵工程菌株乳酸片球菌Pediococcus acidilactici TY112,使用不灭菌玉米秸秆水解液和高固含量玉米秸秆进行开放式的L-乳酸发酵。向P.acidilactici发酵体系接种外来污染菌株,污染菌株因为P. acidilactici分泌的乳酸菌素而不能生长,这进一步证实了该工程菌株具备抗细菌的能力。在高固体含量同步糖化与发酵(SSF)过程中,乳酸浓度、乳酸产率和乳酸得率分别是97.30 g/L、1.47 g/L和69.34%,达到了目前公开发表文献中的最高指标,为木质纤维素原料发酵产L-乳酸提供了一个经济上可行的发酵技术。对木糖发酵菌株Saccharomyces cerevisiae NAN-127进行驯化,驯化后菌种在含有葡萄糖及木糖的新鲜玉米秸秆水解液中进行共发酵,乙醇浓度及得率分别为41.82 g/L91.01%,其中超过90%的木糖转化为乙醇。驯化菌种在工业条件高固含量下进行同步糖化与发酵,获得的乙醇浓度为74.14 g/L,得率达74.01%,该乙醇浓度与玉米发酵获得的10%v/v(78.9 g/L)浓度极为接近,后续菌种进一步优化将使得从木质纤维素原料发酵获得10%(v/v)乙醇浓度。本论文的各项研究结果具有现实可行的技术优势,其为降低木质纤维素生物炼制成本提供了重要策略,也推进了生物炼制产业化的实现。