随着化石燃料资源的日益枯竭，全球环境的恶化以及人们环保意识的不断增强，以可再生资源生产能源物质业已成为全球研究的热点。丁醇具有疏水强、挥发性低、燃烧值高以及可与汽油互溶等优点，被认为是理想的第二代生物燃料。因此，生物法获取丁醇近年来迅速成为全球科研工作者关注的焦点。然而，丁醇对细胞的毒害作用导致其产量、生产强度和底物转化率较低是目前丙酮丁醇发酵过程中存在的一个关键科学问题。本论文通过自行设计的筛选模型从自然界中分离出丁醇生产菌，发现并解除丙酮丁醇发酵过程中存在的问题，对分批发酵及纤维床固定化连续发酵过程进行了优化，并且对耐受菌耐受丁醇的机理进行了研究。主要研究结果如下：（1）通过自行设计的“三明治”分离方法及可视化筛选模型共获得丁醇生产菌195株，其中菌株PW12的发酵性能最佳，经16S rDNA分子生物学法鉴定，鉴定它为丙酮丁醇梭菌。通过常压室温等离子体诱变、连续驯化以及结合理性筛选模型获得高丁醇耐受性突变菌SE25，其丁醇耐受性较野生菌提高了近75%，试验结果表明，以P2培养基为发酵培养基时，SE25的丁醇及总溶剂产量分别为12.85±0.62g·L-1和17.38±0.79g·L-1，较野生菌分别提高了49.1%和43.2%。（2）通过试验结果以及结合经济与粮食安全等因素分析，确定木薯粉在所选原料中为最佳选择。研究发现丁醇发酵过程中相转型延滞出现的原因主要有：一是以纯木薯为原料发酵时碳氮比严重失调，二是在相转型过程中，发酵液pH不能及时回升，长时间处于较低水平。针对以木薯为原料进行丙酮丁醇发酵过程中氮源供应不足的问题，通过添加玉米浆能解决上述困境，且当碳氮比为85.34mol·mol-1时，即添加2.5mL·L-1的玉米浆的情况下，丁醇及总溶剂的产量最高，分别为14.90±0.73g·L-1和22.70±1.14g·L-1。通过不同pH调控策略成功解除了木薯粉丙酮丁醇发酵过程中相转型延滞现象，通过优化后丙酮丁醇发酵周期从84h缩短至72h，发酵周期缩短了约12h，丁醇产量为16.24±0.70g·L-1，与未进行调控时相比其产量提高了14.9%。（3）在考察不同氧化还原调节剂对丙酮丁醇发酵的影响过程中，确定了以二硫苏糖醇作为还原剂，铁氰化钾作为氧化剂来调节发酵体系的氧化还原电位（ORP）。在研究不同ORP水平对丙酮丁醇发酵性能的影响时发现，当发酵体系的ORP处于-400mV环境时，丁醇产量达到最高，具体为14.32±0.65g·L-1，比对照组提高了10.8%。因此，在ABE发酵过程中，可将发酵体系的ORP控制在-400mV水平。证实了发酵体系趋于还原性、减少氢气的产量、特别是增加产溶剂期胞内NADH的合成效率是提高丁醇产量的原因之一。同时发现降低胞内能荷水平及丁酸闭环回路的代谢强度是提高丁醇产量的另一原因。（4）在纤维床固定化（FBB）发酵过程中，以阿科蔓AO为固定化载体，并且通过试验确定载体添加量为8.0g·L-1。在FBB固定化发酵与游离发酵性能的比较试验中，FBB固定化发酵过程中丁醇与总溶剂的最大生产强度分别为0.24g·L-1·h-1和0.37g·L-1·h-1，两者较传统游离发酵分别提高了26.3%和27.6%。在FBB固定化反复批次ABE发酵试验过程中，丁醇及总溶剂的产量比较稳定，两者的浓度可维持在14.00-15.50g·L-1和20.00-23.60g·L-1之间，丁醇及总溶剂的总产量分别达到89.54g·L-1和133.16g·L-1，与传统的游离发酵相比丁醇生产强度与对淀粉的得率分别提高了47.4%和18.5%。稀释率对于FBB固定化连续发酵有着重要的影响，当稀释率处于0.04h-1-0.1h-1范围内时，随着稀释率的增加，溶剂浓度及对淀粉的得率不断减小，但生产强度与细胞浓度却随之增大。从而证明高稀释率有利于细胞的生长，而低稀释率有利于溶剂的积累。（5）通过研究丁醇胁迫环境下，野生菌（PW12）与耐受菌（SE25）的细胞形态、细胞表面疏水性、细胞膜电位与通透性、胞内能荷以及细胞膜脂肪酸组成变化等，探索SE25的丁醇耐受机理。结果发现：SE25在有机溶剂冲击下，荚膜保持完好，证明荚膜在抵抗有机溶剂冲击时起到重要作用，当细胞适当降低其表面疏水性时，能提高细胞抵抗有机溶剂的能力。在高浓度丁醇胁迫环境下，PW12的膜电位与通透性变化较大，当测定时间结束时，PW12膜通透性增加了77.1%，膜电位下降了80.2%，说明在高浓度丁醇胁迫下，PW12细胞膜损伤较大；而SE25在同等条件下，膜通透性仅增加了11.3%，膜电位仅下降了9.8%，说明在丁醇不利环境下，SE25细胞膜能保持较好的完整性。发现丁醇耐受菌SE25在高浓度丁醇胁迫情况下，细胞会主动降低葡萄糖的摄取与能量的再生率来降低细胞维持的最低能量需求，从而有利于减少不良环境对细胞带来的不利影响，提高它的抗逆能力。SE25细胞膜中饱和脂肪酸所占总脂肪酸的比例较PW12提高了22.13%。饱和脂肪酸的碳氢链与不饱和脂肪酸相比，其碳氢链伸直变硬，有利于它们之间紧密而有序的排列，从而能增大细胞膜的刚性；当细胞膜的刚性增大后，其细胞膜的流动性必然降低，这样就能减少有机溶剂进入细胞内部，从而减弱有机溶剂环境胁迫下对细胞产生的不良影响，增强细胞的有机溶剂耐受性。