为解决秸秆丁醇转化率低的难题,论文分别从菌种选育和过程强化入手,基于数字图像技术和支持向量机,建立秸秆丁醇优良菌种的高通量筛选方法,以获得丁醇耐受菌株；并研发丁醇发酵的周期蠕动搅拌方式和氧化还原调控策略,强化菌种的发酵过程。论文取得了如下主要研究结果：(1)基于数字图像分析,建立了还原糖数字图像快速检测方法。基于数字图像分析方法,研究了葡萄糖与二硝基水杨酸显色反应颜色变化规律,发现反应溶液的颜色在Red-Green-Blue空间中的R基色与葡萄糖浓度的相关性为99.8%,优于传统分光光度计法的97.6%。随后,构建神经网络,利用溶液颜色测定葡萄糖浓度,并建立了自动化检测方法。该方法检测范围为0-10g/L,是传统DNS的3.3倍；检测速度为150样品/15min,是传统DNS的5-10倍。该方法同样适用于木糖、果糖、甘露糖等其他还原糖。(2)运用数字图像分析和支持向量机方法,建立了丁醇高产菌株自动化筛选方法。对丙酮丁醇梭菌发酵数据进行统计分析,确定产溶剂初期(48 h)葡萄糖利用率、溶液pH和菌体氧化还原力可作为丁醇高产菌株的筛选标记,并利用二硝基水杨酸、pH复合指示剂和刃天青实现了筛选标记的可视化；同时,构建支持向量机模型,利用筛选标记的数字图像信息预测菌种的丁醇合成能力,准确率为79.8%,优于人工神经网络的76.4%和非线性拟合的56.3%。基于此,开发了基于数字图像的菌种高通量筛选方法。本方法筛选速率约为“气相法”的250倍,为传统“变色圈法”的100倍。最终,通过筛选得到了一株高产菌株IPE-005,该菌株在葡萄糖基质中总溶剂浓度和丁醇浓度分别为17.5和10.9 g/L,与出发菌相比分别提高了30.5%和78.6%。数字图像筛选方法同样在红曲筛选上取得了良好效果。(3)系统解析了不同抑制物及其复合物对于菌种IPE-005的抑制作用,并利用代谢通量分析研究了不同抑制物的抑制机理。研究表明丁醇高产菌株IPE-005可耐受5g/L糠醛、5g/L 5-羟甲基糠醛、4g/L乙酸和2.5g/L可溶性木质素,分别比出发菌株(Clostridium acetobutylicum ATCC 824)提高了25%,50%,12.5%和47.1%。同时,抑制物存在明显的“低促高抑”现象。对出发菌、耐受菌在抑制物胁迫下的代谢通量进行了统计学对比分析,发现5-羟甲基糠醛、糠醛和可溶性木质素的影响集中在中心碳代谢(磷酸戊糖途径、TCA循环和糖酵解途径),而乙酸的影响分布于中心碳代谢、丙酮酸代谢途径。机理分析表明抑制物胁迫诱发菌体增加糖酵解、TCA和酸合成途径的碳通量,增强能量(ATP)和还原力(NADPH)合成。(4)发明了丁醇发酵周期蠕动搅拌方式,并研究了其强化机理。传统旋涡搅拌方式进行对比研究。发酵试验表明周期蠕动下的菌体量、丁醇产量和总溶剂是传统旋涡搅拌的1.92、2.06和2.04倍,是静置培养下的1.64、1.19和1.41倍。水力学特性分析表明周期蠕动与传统旋涡搅拌在流体类型、剪切力强度、湍流强度和混合效率方面具有明显差异。在相同的旋涡半径下,周期蠕动具有较低的流速(<传统搅拌的60%)、较高的湍流强度(>传统搅拌的10倍)。代谢通量分析表明,6-磷酸葡萄糖、丙酮酸、乙酰CoA,草酰乙酸和α-酮戊二酸是搅拌作用力影响丁醇代谢的关键节点；周期蠕动主要通过三个方面影响菌体的代谢过程：氧化还原平衡状态、能量物质的供应和菌体对于丁醇胁迫的应激反应。(5)基于细胞氧化还原电位(ORP)对于丁醇合成的重要作用,设计了ORP调控策略,系统解析了ORP调控对于秸秆水解液可发酵性的影响及作用原理。结果表明,当秸秆酶解液溶液ORP控制在-350 mV时,发酵周期缩短了6h,总溶剂和丁醇的总浓度达到了18.1和10.2g/L,比未调控组提高了27.5%和34.2%。机理研究表明ORP调控可将酸类合成的代谢流引向丁醇合成,-350 mV条件下胞内的ATP、NADPH/NADPH+和NADH/NAD+比对照组(未施加ORP调控)分别提高了25.1%,81.8%和62.5%,细胞膜的完整度也提高了29%。