在多种生物燃料中,丁醇具有能量密度高、挥发性低、腐蚀性低等优点,已成为替代汽油和柴油的重要选择。利用可再生的木质纤维素资源生产生物丁醇,可以实现废弃生物质高效转化,并大幅降低丁醇生产过程的原料成本。然而,木质纤维原料固有的复杂结构导致难以对其直接利用,需要预处理工艺提高后续酶解和发酵性能。因此,如何建立可以应用于燃料丁醇高效生产的预处理工艺,是目前该领域的研究热点。基于上述分析,本论文以有机酸预处理为切入点,首先构建了高产丁酸的内置纤维床生物反应器(Internal fibrous bed bioreactor,IFBB),探讨了丁酸发酵液预处理玉米秸秆的性能;在此基础上,阐明了丁酸预处理下的木质纤维素解聚特征及酶解增效机制;最后,利用丁酸预处理工艺实现了木质纤维素原料高效转化生物丁醇的目标。本论文的主要结论如下:(1)构建了高效合成丁酸的新型IFBB系统,验证了丁酸发酵液预处理玉米秸秆生产可发酵糖的可行性。首先,考察了酪丁酸梭菌游离细胞发酵和基于IFBB系统的丁酸发酵动力学。结果表明,基于IFBB系统的补料分批发酵丁酸产量为45.38 g/L,生产效率为0.630g/L/h,丁酸对葡萄糖的Lapatinib体内实验剂量得率达0.440 g/g;基于IFBB系统的重复分批式发酵模式可以长期稳定地生产丁酸(约200 h),7次分批发酵的丁酸平均产量为25.52 g/L,生产效率达到0.90g/L/h的较高水平。此外,进一步探究了丁酸发酵液对玉米秸秆组分变化及酶解效率的影响。当预处理温度为180℃,反应时间为0.5 h时,每100 g秸秆可以生产23.63 g葡萄糖和23.85g可发酵糖,相比于未处理秸秆提高了1.49倍和0.53倍。(2)阐明了丁酸预处理下的木质纤维素解聚机理及其酶解增效机制。当利用50 g/L化学丁酸在180℃下预处理玉米秸MC3半抑制浓度秆0.5 h后,葡聚糖回收率和木聚糖去除率分别达到86.99%和83.17%,固体组分酶解72 h后的可发酵糖得率达到97.16%;半纤维素脱除率与可发酵糖得率存在较强的线性关系(r~2=91%-93%)。然后,结合X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外吸收光谱(FTIR)和扫描电子显微镜(SEM)等手段对预处理前后的生物质原料进行了表征分析,预处理过程较高的半纤维素脱除率使得原料结晶度(Cr I)从30.13%提升至45.04%-48.38%,而且其化学结构也发生了显著变化,从而促进了固体组分的高效酶解。(3)基于丁酸预处理工艺实现了木质纤维素原料高效转化生物丁醇的目标,首先评估了残余丁酸作为共底物用于丙酮丁醇梭菌发酵生产丁醇的可行性,结果表明,将预处理残余丁酸以间歇流加方式添加到丁醇发酵液中,丁醇和总溶剂产量相比对照分别提升了22.51%和13.25%。此外,进一步探讨了酶解可发酵糖用于丁醇发酵的可行性,当利用玉米秸秆酶解产生的可发酵糖作为碳源时,丁醇产量为9.34 g/L,总溶剂产量达13.31 g/L。最后,当将玉米秸秆水解液和预处理残余丁酸作为共底物时,丁醇和总溶剂产量达到10.58 g/L和14.85 g/L,生产效率分别为0.147 g/L/h和0quinolone antibiotics.206 g/L/h。综上,本论文建立了基于丁酸预处理的生物丁醇绿色发酵工艺,该工艺使用的丁酸既可以作为预处理剂,也可以作为丁醇发酵的前体物质,实现了预处理剂的循环利用,为木质纤维素类生物质资源转化和燃料丁醇高效生产提供借鉴。