利用生物催化不对称还原潜手性羰基化合物制备手性醇类因其具有化学法无可比拟的高立体选择性、生物拆分法不可企及的100%的理论得率以及底物成本低廉、反应条件温和等优点,近年来受到了广泛的研究和关注。但由于受高效生物催化剂匮乏、反应过程中环境因子影响、底(产)物抑制和毒害等因素的限制,生物催化不对称还原反应的催化效率和生产强度往往较低,应用于工业化生产的并不多。本文以微生物全细胞催化不对称还原4-氯-3-羰基丁酸乙酯(Ethyl 4-chloro-3-oxobutanoate,COBE)制备他汀类药物重要合成前体(S)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯[Ethyl (S)-4-chloro-3-hydroxybutanoate,S-CHBE]为模式反应。在筛选获得具有高立体选择性、高不对称还原能力的野生型微生物菌株的基础上,重点分析影响全细胞催化不对称还原反应催化效率的关键瓶颈问题以及反应过程中底(产)物对关键还原酶和辅酶循环系统的影响机制。以工业化生产强度和催化效率为目标,综合运用多种反应过程工程技术,构建生物催化还原制备光学纯S-CHBE的平台技术。主要结果如下:(1)以目标产物为导向,从实验室保藏菌株中选择近平滑假丝酵母(Candida parapsilosis)CCTCC M203011作为催化剂。该菌株能催化不对称还原COBE合成S-CHBE,e.e.值大于97%。并优化确定了其最佳反应条件:反应温度为30℃,初始pH为6.5,辅助底物为葡萄糖,辅助底物用量为nglucose/COBE=1,成功构建了模式反应。(2)系统地分析了微生物全细胞催化不对称还原反应过程中关键瓶颈问题,发现除受环境因子温度、pH影响外,催化效率还通过不同的机制受底(产)物影响:其中底物以对酶/细胞毒害作用为主,尤其是破坏全细胞的辅酶再生能力。当底物浓度达到40 g/L时,还原酶活力和细胞代谢活性分别降至33%和8%,酶失活严重且几乎不能耗糖,不具备辅酶再生能力。而产物则主要表现为对酶促反应的抑制作用。当产物浓度增至40 g/L时,反应初速度降到13 mmol/L·h,比不添加产物时下降了84%。(3)针对底(产)物对不对称还原反应的不同影响机制,理性运用底物分批补料策略,在上一批底物几乎完全转化为产物时补加下一批底物,控制细胞存在相中底物浓度低于4 g/L;利用等体积的邻苯二甲酸二丁酯和磷酸缓冲液双相原位萃取使细胞存在相中底(产)物浓度保持在较低水平;同时运用高细胞量策略,大幅度提高该不对称还原反应的生产强度,将底物浓度提高至240 g/L,产物产率达95.8%。(4)设计构建了连续式反应器并结合膜截留技术,使反应器中细胞浓度处于一个高的水平,并优化了反应条件:补料浓度为4 g/L,补料速度策略为0-4 h为62.5 mL/h,4-15 h为45.5 mL/h,15 h以后为41.7 mL/h,保持高时空产率19.26 g/L·h(116 mmol/L·h),反应16 h,累积产物浓度达308 g/L,产率为97.2%。(5)通过对静态吸附能力和动态吸附性能的考察,选择大孔吸附树脂NKA-II外回路吸附产物,在反应时间内,树脂吸附回收率达99.7%。再经乙酸乙酯萃取、活性碳脱色、减压蒸馏等步骤得到微黄色液态产品2.28 g,总得率达77.8%。产物化学纯度为97.4%,光学纯度e.e.值为96.7%。比旋光度[α]23=-19.1°。