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2,3-丁二醇(2,3-butanediol)是一种潜在的大宗平台化合物,被广泛应用于医药、食品、燃料等领域。由于分子结构中含有两个手性碳原子,2,3-丁二醇存在三种旋光异构体,分别是(R,R)-,(S,S)-和 meso-2,3-丁二醇。(R,R)-2,3-丁二醇不仅具有混旋型2,3-丁二醇的基本功能,而且在不对称合成方面优势突出,在手性液晶材料、医药和农药中间体的合成方面具有特殊应用。本研究针对目前(R,R)-2,3-丁二醇发酵原料成本过高和光学纯度较低的问题,主要开展了以下工作：1.本文首先使用廉价氮源豆粕粉替代酵母粉发酵生产(R,R)-2,3-丁二醇,对多粘类芽孢杆菌的豆粕粉同步水解发酵工艺进行了优化,以获得低成本高效的(R,R)-2,3-丁二醇生产技术。在单因素实验的基础上,设计PB实验和响应面实验确定了多粘类芽孢杆菌的最优发酵培养基配方。利用优化后的培养基配方进行摇瓶补料发酵54h,(R,R)-2,3-丁二醇产量可达68.43 g/L,光学纯度达98.5%,生产强度为1.27 g/(L-h)。为了进一步降低生产成本,以优化后的培养基为基础,使用价格更为低廉的木薯淀粉替代蔗糖作为碳源,并进一步对木薯淀粉同步糖化发酵条件进行优化,最终获得的最佳培养基配方为：木薯淀粉125g/L,α-淀粉酶0.2 KNU/g木薯淀粉,糖化酶3 AGU/g木薯淀粉,豆粕粉60 g/L,硫酸铵1 g/L,硫酸镁0.3 g/L,磷酸氢二钠1.05g/L,磷酸二氢钾6 g/L,吐温-802 mL/L,乙酸钠6.09 g/L,中性蛋白酶0.52 g/L,微量元素混合液3 mL/L,初始pH 6.4。利用该配方进行摇瓶补料同步糖化发酵50 h,获得的(R,R)-2,3-丁二醇浓度为71.13g/L,光学纯度达98.4%,生产强度为1.42 g/(L·h),这是目前有关多粘类芽孢杆菌利用低价原料发酵生产高光学纯(R,R)-2,3-丁二醇(e.e.值>98%)的最高产量。综上,本论文研究了多粘类芽孢杆菌利用低价原料木薯淀粉同步糖化、豆粕粉同步酶解发酵产(R,R)-2,3-丁二醇,获得了低成本高效的(R,R)-2,3-丁二醇发酵工艺。2.根据基因预测信息克隆得到(R,R)-2,3-丁二醇的关键合成基因,分别是α-乙酰乳酸合成酶基因(alsS)、α-乙酰乳酸脱羧酶基因(alsD)和(R,R)-2,3-丁二醇脱氢酶基因(6dh)。利用合成生物学策略构建重组质粒pETDuet-alsS-alsD-bdh,然后转化大肠杆菌BL21(DE3),成功构建了能够合成高光学纯(R,R)-2,3-丁二醇的基因工程菌株BL21(DE3)/pETDuet-alsS-alsD-bdh。和用该重组菌株在含50 g/L甘油的发酵培养基中发酵36 h,(R,R)-2,3-丁二醇的产量为12.04 g/L,光学纯度达到99.2%。