3-羟基丁酮（acetoin），又名乙偶姻，是一种重要的呈香化合物，广泛应用于食品、化工、制药以及烟草等领域。目前，3-羟基丁酮的生产主要是以丁二酮或2，3-丁二醇为原料通过化学法合成，但是存在原料来源不足、工艺复杂、环境污染严重等问题，限制了3-羟基丁酮的大规模化生产。与此相比，微生物发酵法生产3-羟基丁酮具有原料来源丰富、条件温和、环境友好等优势，能从根本上改变3-羟基丁酮生产过程中所面临的资源与环境压力，是极具潜力的生产方法，因此微生物发酵法生产3-羟基丁酮越来越受到人们的重视。本论文从产3-羟基丁酮菌株的筛选入手，对目标菌株产3-羟基丁酮的培养基和发酵条件进行了优化，并对发酵法生产3-羟基丁酮的分离提取工艺进行了探索，主要内容和结果如下：（1）从日本传统食品纳豆中分离筛选获得一株3-羟基丁酮高产菌株SF4-3，该菌株以葡萄糖为主要碳源，在37℃、180r/min摇瓶培养96h，3-羟基丁酮产量为33.90g/L，利用气相色谱及气相色谱-质谱联用对菌株SF4-3的发酵液成分进行分析，结果表明主产物为3-羟基丁酮，纯度为91%以上，不产丁二酮或2,3-丁二醇。根据形态特征、生理生化特征及16S rDNA序列分析，该菌株被鉴定为枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）。（2）通过单因素实验，正交实验及响应面实验考察了培养基组分和发酵条件对菌株SF4-3的3-羟基丁酮发酵的影响，确定了最佳培养基组分为：葡萄糖160g/L，酵母膏8.5g/L，玉米浆14.6g/L，尿素3.8g/L，FeSO4·7H2O0.10g/L，MnSO4·H2O0.05g/L；最佳发酵条件为：种龄7h，接种量5%（v/v），温度37℃，转速180r/min，装液量30mL/250mL。利用优化的发酵培养基和发酵条件，进行了摇瓶发酵进程曲线的测定，3-羟基丁酮产量最大值达到56.2g/L，与原始菌株相比，发酵周期缩短，3-羟基丁酮产量得到提高。（3）探索了利用新型双水相萃取技术从发酵液中分离3-羟基丁酮的工艺条件，以3-羟基丁酮的分配系数和回收率作为指标，考察了多种双水相体系对3-羟基丁酮的分离效果，确定了最佳的双水相体系为无水乙醇/磷酸氢二钾；在无水乙醇/磷酸氢二钾体系相图的基础上，确定了3-羟基丁酮分离的最佳相组分：无水乙醇的质量浓度为26%（w/w），磷酸氢二钾的质量浓度为25%（w/w），此时的3-羟基丁酮分配系数为16.81，有机相3-羟基丁酮回收率高达98.2%，放大操作表明该双水相体系稳定性较好，体系规模的改变不会影响到3-羟基丁酮的分配系数和回收率，适用于大规模生产应用。