丁醇是重要的平台化合物，还是新型高效的液态燃料。由于石油价格的剧烈波动和上涨，以及全球温室效应的日益严重，利用产溶剂梭菌（Clostridia）和可再生的生物质资源发酵生产丁醇越来越受到重视。丙酮-丁醇-乙醇发酵也称为ABE发酵，一般情况下，ABE发酵得到的是丁醇、丙酮、乙醇的混合溶剂产品（丁醇:丙酮:乙醇=6:3:1），故简称丁醇发酵。在确保总溶剂生产效率不变的条件下，尽量提高主产品-丁醇占总溶剂的比例（或丁醇/丙酮比）和丁醇产量，对于提高ABE发酵的整体性能和经济效益具有重要意义。ABE发酵总溶剂产量很低、总浓度只有20g·L-1左右，耗水严重。另外，产品精制回收过程耗能大。高耗能、高耗水的问题，严重制约了生物丁醇产业的发展。另外，使用玉米等传统原料生产丁醇还存在着与人争粮的问题。针对上述问题，本论文以丙酮丁醇梭菌（丙丁梭菌）Clostridium acetobutylicumATCC824为发酵菌株，以玉米和木薯为原料，以基于代谢模型的有向信号线图理论为主要研究手段，在厌氧发酵罐中开展了丁醇发酵研究。论文分析了丁醇/丙酮比得以提高的理论机理，提出了ABE发酵的高效新型生产工艺，旨在提高整体发酵性能、降低产品回收能耗、实现发酵废水的循环利用。主要结果总结如下：（1）与使用玉米原料相比，使用木薯原料进行ABE发酵时，丁醇/丙酮比高，且丁醇产量和总溶剂生产强度与前者相当。在传统间歇发酵和油醇萃取发酵中，丁醇/丙酮比分别提高了14.9%和61.4%。论文利用基于代谢模型的有向信号线图理论对ABE发酵两个有机酸闭环反应回路代谢强度与丁醇/丙酮比之间的关系进行了计算模拟研究，发现弱化丁酸闭环的代谢强度可以显著提高丁醇/丙酮比。在此基础上，对木薯和玉米原料ABE发酵的NADH再生速率以及相关酶基因的转录水平进行了分析测定。结果发现，使用木薯原料时，丁酸闭环代谢强度的弱化和较高的NADH再生速率共同促进了高丁醇/丙酮比发酵特征的形成。（2）在玉米原料ABE发酵中，逐次添加少量丁酸和乙酸可以显著提高总溶剂生产效率，提高幅度分别达到39.2%和47.1%。其中，添加丁酸还能够促进来自代谢主路（葡萄糖）的丁醇合成，提高丁醇/丙酮比21.7%。论文在有向信号线图理论的基础上，利用非线性代谢模型对逐次添加丁酸和乙酸时的有机酸合成/吸收速率进行计算。结果表明，添加丁酸和乙酸可以促进对应有机酸的吸收，也可以抑制对应有机酸的合成。该模型的预测结果与实验结果和相关文献报道相一致，模型揭示了逐次添加丁酸和乙酸条件下碳代谢流的分配规律，为使用丁酸和乙酸作为辅助原料的ABE发酵优化提供了参考。（3）提出了使用玉米原料、添加少量丁酸和乙酸时，丙丁梭菌与酿酒酵母混合培养发酵生产丁醇的新工艺。在7L厌氧罐上，通过在丙丁梭菌产溶剂期添加10%（v/v）DCW大约2.0g·L-1的酿酒酵母种子液和4g·L-broth-1的丁酸浓缩溶液，丁醇/丙酮比、最终丁醇浓度分别提高38%和35%，达到2.74和15.74g·L-1的最高水平，且总溶剂生产强度也有提高。分析测定发酵液中游离氨基酸浓度发现，混菌培养且添加少量丁酸时，酿酒酵母可以分泌出有利于丁醇合成的赖氨酸、蛋氨酸以及芳香族氨酸，提高丙丁梭菌对高丁醇浓度环境的耐受能力，最终导致ABE发酵的丁醇/丙酮比和丁醇浓度大幅提高。丁醇/丙酮比和丁醇浓度两项指标是利用野生丙丁梭菌间歇式发酵生产丁醇相关研究报道的最高水平。（4）针对ABE发酵溶剂产品精制回收能耗巨大和存在大量蒸馏/发酵废水的问题，提出了节能节水式ABE萃取发酵联产含丁醇、高十六烷值的优质生物柴油的新型发酵工艺。该工艺利用生物柴油作为ABE发酵的丁醇原位萃取剂（生物柴油相/发酵液相体积比1:1），萃取有丁醇的生物柴油可以作为优质生物柴油直接使用，完全省去了回收萃取液相中溶剂产品的蒸馏能耗。生物柴油中的丁醇浓度稳定在10g·L-1以上，十六烷值从51.4提高到54.4，生物柴油的质量显著改善。利用少量正辛醇（正辛醇/发酵萃余液体积比1:5，正辛醇对丁醇的萃取系数高达6.57.0）可以回收萃余液中的大部分残留丁醇（56%），大大降低蒸馏能耗；利用3%（w/v）的活性炭处理回收丁醇后的萃余液、去除类黑精等有毒物质后，萃余液可以全部回用于次轮发酵的配料，发酵废水可以100%得到利用。按上述工艺反复全回用经处理的发酵萃余液14次，所有批次发酵性能稳定。（5）在7L厌氧发酵罐中进行了上述节能节水式新型ABE发酵工艺的放大试验，并研究探讨了使用木薯原料和添加电子载体-中性红进一步提高发酵性能的可能性。玉米原料ABE发酵时，添加1g·L-broth-1的中性红，可以强化丁醇生产效率（0.25~0.32g·L-1·h-1）、进一步增加生物柴油中的丁醇浓度和“目标丁醇得率”（24~26%），提高萃取介质正辛醇中的丁醇/（丁醇+丙酮）比（90%）。与对照（玉米原料）相比，由于木薯原料ABE发酵的高丁醇/丙酮比的特征，生物柴油中的丁醇浓度可以由9.57g·L-1提高到11.10g·L-1，生物柴油的质量进一步改善。但是，在木薯原料发酵条件下、添加微量中性红无法进一步增加生物柴油中的丁醇浓度、提高生物柴油的质量。