丁醇因其优越的燃烧性能成为最具前景的生物燃料之一,它通常以可再生资源为原料,经丙酮-丁醇-乙醇（ABE）发酵获得。尽管ABE发酵曾是最古老的大规模发酵工艺之一,但由于预处理成本高,菌株对糖的利用率低以及发酵液中丁醇浓度低等问题,导致丁醇的生物炼制仍然不具有经济竞争力。本论文以玉米秸秆为原料,对其进行两步预处理,并对预处理工艺进行了优化。此外,研究工作还对Clostridium beijerinckii BA101进行改造,以优化的两步预处理获得的玉米秸秆水解液为原料使用改造菌株进行ABE发酵,评估改造菌株的发酵性能。由于稀H₂SO₄对半纤维素以及氨水对木质素的高去除率,选择先稀H₂SO₄后氨水的策略对玉米秸秆进行预处理。一方面通过酸解将半纤维素保留在酸解液中,另一方面利用氨水预处理去除木质素,提高秸秆残渣中的纤维素含量。为了提高糖得率,研究工作对第二步的氨水处理条件进行了优化,发现酸解后的玉米秸秆经10wt.%氨水在80℃下处理24 h时还原糖浓度达到51.27 g/L,经ABE发酵获得最高丁醇和ABE浓度,分别为9.36 g/L、13.96 g/L。实验发现,在最优预处理条件下,酸解得到的水解液中半纤维素的回收率为82.89%,第二步氨水预处理过程中木质素去除率达到86.77%,最终获得的玉米秸秆残渣中纤维素含量高达76.14%。目前大部分研究都是通过水洗对预处理后的玉米秸秆进行中和,但水洗至中性会产生大量废水、增加预处理成本,因此玉米秸秆水洗次数的优化是至关重要的。研究发现水洗次数的优化既能改善酶解和发酵效果又可以减少水的用量。一方面,与不进行任何洗涤相比,玉米秸秆在每次预处理后各洗涤一次可以将糖产率从346.04 mg/g-玉米秸秆提高到401.76 mg/g-玉米秸秆,丁醇产量从9.33 g/L增加到10.89 g/L。另一方面,与传统的稀酸或稀碱预处理方法相比,优化后的预处理策略产生的废水量分别从2.11 g/L-丁醇、3.46 g/L-丁醇降低至0.83 g/L-丁醇。为了探索基因改造对菌株Clostridium beijerinckii BA101发酵性能的影响,分别过表达基因cbei₀109、adhE、ald-ctfAB、敲除基因cbei₃304,成功获得三株过表达菌株以及一株敲除菌株。研究工作以两步预处理得到的玉米秸秆水解液为原料,探究改造菌株的发酵性能,发现敲除菌株BA101-3304发酵性能与BA101相似,过表达菌株BA101-0109、BA101-adhE和BA101-ald-ctfAB发酵获得更多的副产品乙醇和丙酮,且乙酸合成及丁酸重吸收能力增强。