众所周知，21世纪人类面临着化石资源不断枯竭的严重局面。现探明可开采石油储量仅可供人类使用大约50年，天然气75年，煤炭200～300年。另一方面，化石原料的加工和使用也直接导致了环境危机，化石燃料利用中造成严重的大气污染，如区域性酸雨、城市煤烟与光化学复合污染等。能源短缺和环境恶化促使人类必须寻找新的发展道路和模式。1992年，联合国在环境与发展大会上正式提出了可持续发展的现代新文明，并将之确认为全人类未来发展的道路和模式。现代新文明主要指生物经济时代，其主要特征为：以生物可再生资源为原料，生物可再生能源为能源，环境友好、过程高效的新一代物质加工模式，其核心技术是工业生物技术。
一、我国生物能源战略
1995年来，由于世界石油市场供需矛盾严重失衡，石油价格飞涨，尤其是2008年在一些国际金融炒家的炒作下每桶原油价格由60多美元升至150多美元，造成燃料油价格和基本化工原料价格翻倍上涨，使得下游制造业的成本负担大幅度增加，我国大批下游企业面临严重的运行危机，并且影响到人民生活。因此中国的资源和能源的战略安全空间被不断压缩。资源和能源短缺对我国经济发展来说是一个非常急迫的问题，已经严重影响我国经济安全和国家安全，必须寻找一条保障能源安全的根本途径。以油脂、淀粉、纤维素等可再生资源为原料，应用工业生物技术生产化学品和生物能源以摆脱对化石能源的依赖性将具有重要的战略意义。
我国政府在“十五”期间以先试点后推广的方式发展以燃料酒精为先导的生物能源产业，并开始在吉林、安徽和河南试点建设几个大型燃料酒精工程。但是是粮食价格从2006年下半年开始上涨。世界粮食市场从来没有经历过这样长时间的涨价。某些国际经济学家将矛头直指以燃料乙醇为代表的生物之能源。近些年来美国和欧盟都在积极开发生物能源。将玉米或者甜菜转变成乙醇或生物柴油的生物能源行业生产规模日渐扩大。这虽然缓解了能源方面的压力，但同时也造成了粮食涨价。石油不再只是通过加大生产和运输成本带动粮价。石油涨价将直接带动生物能源涨价，由此加大市场对作为能源原料的玉米的需求，带动玉米价格。由于种植玉米的利润 >利润更高，越来越多的土地种上了玉米，导致小麦和大豆种植面积缩小，价格也开始上涨。
我国人口众多，耕地有限的基本国情，使粮食类淀粉质原料燃料酒精的规模化发展资源供给的瓶颈现象更加突出，为了不与人争粮、不与粮争地，实现可持续发展。2007年9月5日，国家发改委印发了《关于促进玉米深加工业健康发展的指导意见》，主要是“保障国家食物安全”。规定将深加工用粮规模占玉米消费总量的比例控制在26%以内，对于燃料乙醇，与酒精、味精、柠檬酸等一样，在现有规模上不再建设新的项目和扩建，进一步明确了相关产业发展方向。因此开发非粮食原料生产生物质能源，对国家逐步实现生物质资源替代石油资源的长远战略目标，具有十分重要的意义。
我国具有大量的不易耕种的农田，但可以作为能源等专业植物种植的土地约有1亿公顷，可人工造林土地4667万亩，按20%利用计算，每年可生产10亿吨生物质。如果这些荒地20%用于能源作物如木薯、甜高梁、油料作物（如麻风树）等的种植，用于生产燃料乙醇和生物柴油，每年可产酒精和生物柴油约1亿吨，相当于目前我国2个大庆油田的产量。我国有7亿吨秸秆和25亿吨畜禽粪便、大量有机工业废水需要无害化处理和资源化利用，仅每年7亿吨秸秆和25亿吨畜禽粪便可产生沼气12800亿立方米沼气，产值约为1.28万亿元/年。而且将有机垃圾通过微生物回收能源，大大减少有机物排放，防止水体的营养化是保护我国水资源的一条根本出路。
“十一五”期间我国重点发展燃料酒精、生物柴油、沼气、生物制氢等生物能源。另外农林副产品的生物利用、生物质能源、绿色工业制造等被列入国家中长期科技发展规划。
二、用可再生资源生产生物能源的现状
（一）燃料乙醇
1、燃料乙醇概况
燃料乙醇是一种环境友好型、可再生的生物质能源。用来替代化石能源不仅可以减轻部分能源危机，而且还有助于改善环境。燃料乙醇是由生物质发酵而来，从全球的碳元素循环来讲，乙醇的燃烧不会增加大气中CO2的含量。另外在汽油中添加乙醇还可以替代MTBE强致癌物的使用。因此，乙醇作为替代部分汽油以及MTBE的用途日益重要。
2、燃料乙醇生产技术
乙醇从生产工艺上划分可分为生物发酵法和合成法两种，目前全球以生物发酵法为主，起产量占整个乙醇市场的90%以上。现在的发酵法生产乙醇的原材料主要是农产品，象玉米、小麦、薯类等淀粉质原料和甘蔗、糖蜜等糖类原料。发酵所得发酵液经蒸馏、脱水、变性即可成为燃料乙醇。目前我国的乙醇发酵行业的原料以粮食谷物类为主，为了避免出现与人争粮食的局面，必须开发新的发酵原料。目前研究较多并取得一定成果的有木薯、甜高梁、菊芋等。利用一些不能种植粮食作物的荒地、滩涂地来种植这些专门作为发酵原料地作物，替代目前使用地玉米、小麦等粮食作物，以减少大力发展生物能源计划对国家粮食问题的威胁。
3、燃料乙醇展望
随着科学技术的进步，酒精发酵工业也将在我国出现飞跃的发展，但从目前看来，酒精生产中还存在很多亟待解决的问题。主要体现在以下几个方面。
1）研究解决代粮节料的问题，探讨如何把目前酒精生产所用的原料耗量减低，降低吨酒精的原料费用。
2）选育性能优良的新菌种。当前生产中所用的菌种，无论是曲酶糖化菌，还是发酵用酵母菌，与世界上先进国家相比还有很大差距，远末达到原料的理论产值，这些都需寻找和驯养新苗种，从而推动酒精发酵生产的向前发展。
3）采用先进的科学技术，由于科学的发展，产量质量标堆的提高，对现有的生产技术提出了新的、更高的要求，所以必须吸取国内外的先进经验，采用先进的科学技术和先进工艺，才能在较短时间内解决生产上存在的问题。
总而言之，酒精发酵工业今后的发展方向也就是研究如何代粮节料、采用先进的科学技术、选用先进工艺、选育新菌种，研究设计性能完美的生产设备，使我国的酒精发酵工业在短时间内赶上世界先进水平。
（二）生物柴油
1、生物柴油概况
柴油作为一种重要的石油连炼制产品，在各国燃料结构中占有较高的份额，以成为重要的动力燃料。石油资源的日益枯竭和人们环保意识的提高，大大促进了世界各国加快柴油替代燃料的开发步伐。 20世纪90年代以来，生物柴油以其优越的环保性能受到了各国的重视。目前在生物能源产品产业规模方面，发展最快的是燃料乙醇，而生物柴油被认为是继燃料乙醇之后第二个可望得到大规模推广应用的生物能源产品。
生物柴油是指由可再生的油脂原料通过转酯反应得到的长链脂肪酸酯。它是一种可以替代普通柴油使用的环保燃油，它有着与柴油十分相似的理化性质,是清洁的可再生能源，它以大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黄连木等油料林木果实、工程微藻等油料水生植物以及动物油脂、废餐饮油等为原料制成的液体燃料，与石油柴油相比，可大大减少二氧化碳、多环苯类致癌物和“黑烟”等污染物排放。利用废食用油、垃圾油、泔水油生产生物柴油，可减少肮脏的、含有毒物质的废油污染，是典型的“绿色能源”。
2、生物柴油的生产技术
生物柴油的生产方法由化学法生产和生物合成两种。目前生物柴油主要是用化学法生产，即用与甲醇或乙醇等低碳醇在酸或者碱性催化剂和高温(230-250℃)下进行转酯化反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯，再经洗涤干燥即得生物柴油。甲醇或乙醇在生产过程中可循环使用，生产设备与一般制油设备相同，生产过程中可产生10%左右的副产品甘油。除了化学法人们还研究用生物酶法合成生物柴油，即用动物油脂和低碳醇通过脂肪酶进行转酯化反应，制备相应的脂肪酸甲酯及乙酯。酶法合成生物柴油具有条件温和、醇用量小、无污染排放的优点。但目前主要问题有：对甲醇及乙醇的转化率低，一般仅为40%-60%。由于目前脂肪酶对长链脂肪醇的酯化或转酯化有效，而对短链脂肪醇(如甲醇或乙醇等)转化率低，而且短链醇对酶有一定毒性，酶的使用寿命短。副产物甘油和水难于回收，不但对产物形成抑制，而且甘油对固定化酶有毒性，使固定化酶使用寿命短。
3、生物柴油展望
目前生物柴油的主要问题是成本高。生物柴油制备成本的75%是原料成本。因此采用廉价原料及提高转化从而降低成本是生物柴油能否实用化的关键。美国己开始通过基因工程方法研究高油含量的植物，日本采用工业废油和废煎炸油，欧洲是在不适合种植粮食的土地上种植富油脂的农作物。
但我国现有耕地资源贫乏，用来发展能源作物的耕地十分有限，依靠种植油料作物为生物柴油提供油源不符合我国国情。自然界中少量微生物在适宜条件下产生并贮存质量超过其细胞干重20%的油脂，具有这种表型的菌种称为产油微生物。产油微生物利用可再生资源，得到的微生物油脂与植物油脂具有相似的脂肪酸组成，产油微生物具有资源丰富，油脂含量高，生长周期短，碳源利用谱广，能在多种培养条件下生长等特点。同时微生物油脂生产工艺简单，高值化潜力大，有利于进行工业规模生产和开发。因此具有广阔开发应用前景。目前中国、日本、德国、美国等国已有商品微生物菌油或相应下游加工产品面市，但生产成本还较高。随着现代生物技术的发展，将可能获得更多的微生物资源。如通过对野生菌进行诱变、细胞融合和定向进化等手段能获得具有更高产油能力或其油脂组成中富含稀有脂肪酸的突变株，提高产油微生物的应用效率。
再有微藻生产柴油，为柴油生产也开辟了另一条的技术途径。美国国家可更新实验室(NREL)通过现代生物技术建成“工程微藻”，即硅藻类的一种“工程小环藻”。在实验室条件下可使“工程微藻”中脂质含量增加到60%以上，户外生产也可增加到40%以上。 “工程微藻”中脂质含量的提高主要由于乙酰辅酶A羧化酶(ACC)基因在微藻细胞中的高效表达，在控制脂质积累水平方面起到了重要作用。利用“工程微藻”生产柴油具有重要经济意义和生态意义，其优越性在于：微藻生产能力高、用海水作为天然培养基可节约农业资源；比陆生植物单产油脂高出几十倍；生产的生物柴油不含硫，燃烧时不排放有毒害气体，排入环境中也可被微生物降解，不污染环境，发展富含油质的微藻或者“工程微藻”是生产生物柴油的一大趋势。
（三）生物制氢
1、生物制氢的发展现状
氢气是高效、清洁、可再生的能源，在全球能源系统的持续发展中将起到显著作用，并将对全球生态环境产生巨大的影响。氢在燃烧时只生成水，不产生任何污染物，甚至也不产生CO2，可以实现真正的“零排放”。此外，氢与其它含能物质相比，还具有一系列突出的优点。氢的能量密度高，是普通汽油的2.68倍；用于贮电时，其技术经济性能目前已有可能超过其它各类贮电技术。将氢转换为动力，热效率比常规化石燃料高30－60%，如作为燃料电池的燃料，效率可高出一倍；氢适于管道运输，可以和天然气输送系统共用。在各种能源中，氢的输送成本最低，损失最小，优于输电。氢与燃料电池相结合可提供一种高效、清洁、无传动部件、无噪声的发电技术。氢还能直接作为发动机的燃料，日本已开发了几种型号的轻能车。预计到21世纪初，燃氢发动机将在汽车、机车、飞机等交通工具的应用中实现商业化。
2、生物制氢技术
在生物制氢研究领域，人们以碳水化合物为供氢体，利用纯的光合细菌或厌氧细菌制备氢气，并先后用一些微生物载体或包埋剂，细菌固定化的一系列反应器系统进行了研究。20世纪90年代后期，人们直接以厌氧活性污泥作为天然产气微生物，以碳水化合物为供氢体，通过厌氧发酵成功制备出生物氢气，因而使生物制取成本大大降低，并使生物制氢技术在走向实用化方面有了实质性的进展。迄今为止，已研究报道的产氢生物类群包括了光合生物和非光合生物。
1）蓝细菌和绿藻：该类生物可利用体内的光合机构转化太阳能为氢能。二者均可光裂解水产生氢气，但放氢机制却不相同。光裂解水产氢是理想制氢途径，但蓝细菌和绿藻作为产氢来源似乎并不合适，因为在光合放氢同时，伴随氧的释放，除产氢效率较低外，如何解决放氢酶遇氧失活是该技术应解决的关键问题。采用连续不断地提供氩气以维持较低氧分压和光照黑暗交替循环方法用于实验研究尚可，但较难实用化。目前研究内容主要集中在高活性产氢菌株的筛选或选育、优化和控制环境条件以提高产氢量，研究水平和规模还基本处于实验室水平。
2）非光合生物：这类微生物可降解有机大分子而产氢，在生物转化可再生能源物质（纤维素及其降解产物和淀粉等）生产氢能研究中显示出优越于光合生物的优势。这类微生物作为氢来源的研究始于20世纪60年代。其生物转化可再生能源物质生产氢能意义深远而重大。但如何解决低pH下细胞产氢与生长的矛盾是该技术应着重解决的问题之一。
3、我国生物制氢的现状
目前，我国在厌氧活性污泥制氢方面取得了突破性进展，哈工大任南琪与导师王宝贞教授在国际上首创了以厌氧活性污泥为产氢菌种的发酵法生物制氢技术，该技术是以含碳水化合物为营养源，结合生物学、新能源开发和环境保护多个学科领域，利用生物技术生产可再生能源氢气，是多学科的产物，目前已完成中试。但是我国生物制氢的基础和应用研究几乎还是空白。我们以前沿生物工程平台技术和生物化工技术，结合我国的国情，对几个生物制氢的关键瓶颈技术问题进行攻关，取得与世界水平相平行的具有我国自主知识产权的成果，为我国的生物制氢产业化打下基础。另外我国是农业大国，利用农业植物资源进行生物制氢技术的研究与开发，对农业的健康发展和农村能源结构的合理化也将产生巨大的推动作用。
（四）沼气
1、概况
沼气是一种可再生的、清洁、高效的能源。因此沼气生产既有助于缓解能源紧张的局面，又有利于解决环境污染的问题，对经济的可持续发展具有重要的现实意义。因此，世界上一些发达国家，正在进行利用微生物厌氧消化农场废物、生产甲烷的较大规模试验。在英国，利用人和动物的各种有机废物，通过微生物厌氧消化所产生的甲烷，可以替代整个英国25%的煤气消耗量。苏格兰已设计出一种小型甲烷发动机，可供村庄、农场或家庭使用。美国一牧场兴建了一座工厂，主体是一个宽30米、长213米的密封池组成的中烷发酵结构，它的任务是把牧场厩肥和其他有机废物，由微生物转变成甲烷、二氧化碳和干燥肥料。这座工厂每天可处理1650吨厩肥，每日可为牧场提供11.3万立方米的甲烷，足够1万户家庭使用。目前美国已拥有24处利用微生物发酵的能量转化工程。从世界范围看，利用各种微生物协同作用生产甲烷的研究和应用，正处于方兴未艾的阶段。专家们认为，21世纪在农村沼气将成为主要能源之一。
2、沼气的生产技术
1）沼气发酵的微生物种类：
第一类叫发酵细菌，包括各种有机物分解菌，它们能分泌胞外酶，主要作用是将复杂的有机物分解成较为简单的物质。例如多糖转化为单糖，蛋白质转化为肽或氨基酸，脂肪转化为甘油和脂肪酸。第二类叫产氢产乙酸细菌。其主要作用是前一类细菌分解的产物进一步分解成乙酸和二氧化碳。第三类细菌称产甲烷菌。它们的作用是利用乙酸、氢气和二氧化碳产生甲烷。在实际的发酵过程中这三类微生物既相互协调，又相互制约，共同完成产沼气过程。
2）沼气发酵过程的三个阶段
第一阶段是含碳有机聚合物的水解。纤维素、半纤维素、果胶、淀粉、脂类、蛋白质等非水溶性含碳有机物，经细菌水解发酵生成水溶性糖、醇、酸等分子量较小的化合物，以及氢气和二氧化碳。
第二阶段是各种水溶性产物经微生物降解形成各种中间体如丙酸、丁酸和乙醇等及生产甲烷底物，主要是乙酸、氢气和二氧化碳。
第三阶段是产甲烷菌转化甲烷底物生成CH4和CO2。另外，在沼气发酵过程中还存在某些逆向反应，即由小分子合成大分子物质的微生物过程。
3）沼气发酵反应器
沼气池类型较多，我国目前农村散户较多采用圆柱形水压式浮罩沼气池，如图。其结构合理、安全、用料省、施工快、使用管理方便。
大中型沼气工程为加大微生物与原料的接触面积，多采用完全混合式厌氧反应器，上流式厌氧污泥床反应器、内循环厌氧反应器等。
3、我国沼气发展概况
我国沼气的研究、开发利用和发展起始于20世纪20年代。然而由于种种原因，大部分以失败而告终。80年代，我国制订了《农村家用水压式沼气池标准 >标准图集》，《农村家用水压式沼气池质量检查验收标准》、《农村家用水压式沼气池施工操作规程》和《农村沼气发酵工艺操作堆积》等国家标准。实现了沼气建设稳步、健康发展。
河南酒精总厂（现为天冠集团）主要采用薯类、玉米作为原料生产食用酒精，年排放废醩液80多万吨。该厂于20世纪80年代末建立了2座5000m3厌氧消化罐，1万m3沼气储气柜，形成日产沼气45800m3的生产能力。目前，南阳沼气生产已建成8万立方米储气柜，敷设地下供气管道120公里，日产混合气14万立方米，可供4万户12万人生活用气。南阳市也因此成为名副其实的亚洲最大的沼气城。
我国要大力发展生物质能，把清洁、高效、安全、可持续的又是最具发展潜力的生物质能作为可再生能源的重中之重。集中最优势力量攻克生物质能技术，并为其发展和销售出台一系列优惠和鼓励政策。让中国成为可再生能源利用大国！
众所周知，21世纪人类面临着化石资源不断枯竭的严重局面。现探明可开采石油储量仅可供人类使用大约50年，天然气75年，煤炭200～300年。另一方面，化石原料的加工和使用也直接导致了环境危机，化石燃料利用中造成严重的大气污染，如区域性酸雨、城市煤烟与光化学复合污染等。能源短缺和环境恶化促使人类必须寻找新的发展道路和模式。1992年，联合国在环境与发展大会上正式提出了可持续发展的现代新文明，并将之确认为全人类未来发展的道路和模式。现代新文明主要指生物经济时代，其主要特征为：以生物可再生资源为原料，生物可再生能源为能源，环境友好、过程高效的新一代物质加工模式，其核心技术是工业生物技术。
一、我国生物能源战略
1995年来，由于世界石油市场供需矛盾严重失衡，石油价格飞涨，尤其是2008年在一些国际金融炒家的炒作下每桶原油价格由60多美元升至150多美元，造成燃料油价格和基本化工原料价格翻倍上涨，使得下游制造业的成本负担大幅度增加，我国大批下游企业面临严重的运行危机，并且影响到人民生活。因此中国的资源和能源的战略安全空间被不断压缩。资源和能源短缺对我国经济发展来说是一个非常急迫的问题，已经严重影响我国经济安全和国家安全，必须寻找一条保障能源安全的根本途径。以油脂、淀粉、纤维素等可再生资源为原料，应用工业生物技术生产化学品和生物能源以摆脱对化石能源的依赖性将具有重要的战略意义。
我国政府在“十五”期间以先试点后推广的方式发展以燃料酒精为先导的生物能源产业，并开始在吉林、安徽和河南试点建设几个大型燃料酒精工程。但是是粮食价格从2006年下半年开始上涨。世界粮食市场从来没有经历过这样长时间的涨价。某些国际经济学家将矛头直指以燃料乙醇为代表的生物之能源。近些年来美国和欧盟都在积极开发生物能源。将玉米或者甜菜转变成乙醇或生物柴油的生物能源行业生产规模日渐扩大。这虽然缓解了能源方面的压力，但同时也造成了粮食涨价。石油不再只是通过加大生产和运输成本带动粮价。石油涨价将直接带动生物能源涨价，由此加大市场对作为能源原料的玉米的需求，带动玉米价格。由于种植玉米的利润 >利润更高，越来越多的土地种上了玉米，导致小麦和大豆种植面积缩小，价格也开始上涨。
我国人口众多，耕地有限的基本国情，使粮食类淀粉质原料燃料酒精的规模化发展资源供给的瓶颈现象更加突出，为了不与人争粮、不与粮争地，实现可持续发展。2007年9月5日，国家发改委印发了《关于促进玉米深加工业健康发展的指导意见》，主要是“保障国家食物安全”。规定将深加工用粮规模占玉米消费总量的比例控制在26%以内，对于燃料乙醇，与酒精、味精、柠檬酸等一样，在现有规模上不再建设新的项目和扩建，进一步明确了相关产业发展方向。因此开发非粮食原料生产生物质能源，对国家逐步实现生物质资源替代石油资源的长远战略目标，具有十分重要的意义。
我国具有大量的不易耕种的农田，但可以作为能源等专业植物种植的土地约有1亿公顷，可人工造林土地4667万亩，按20%利用计算，每年可生产10亿吨生物质。如果这些荒地20%用于能源作物如木薯、甜高梁、油料作物（如麻风树）等的种植，用于生产燃料乙醇和生物柴油，每年可产酒精和生物柴油约1亿吨，相当于目前我国2个大庆油田的产量。我国有7亿吨秸秆和25亿吨畜禽粪便、大量有机工业废水需要无害化处理和资源化利用，仅每年7亿吨秸秆和25亿吨畜禽粪便可产生沼气12800亿立方米沼气，产值约为1.28万亿元/年。而且将有机垃圾通过微生物回收能源，大大减少有机物排放，防止水体的营养化是保护我国水资源的一条根本出路。
“十一五”期间我国重点发展燃料酒精、生物柴油、沼气、生物制氢等生物能源。另外农林副产品的生物利用、生物质能源、绿色工业制造等被列入国家中长期科技发展规划。
二、用可再生资源生产生物能源的现状
（一）燃料乙醇
1、燃料乙醇概况
燃料乙醇是一种环境友好型、可再生的生物质能源。用来替代化石能源不仅可以减轻部分能源危机，而且还有助于改善环境。燃料乙醇是由生物质发酵而来，从全球的碳元素循环来讲，乙醇的燃烧不会增加大气中CO2的含量。另外在汽油中添加乙醇还可以替代MTBE强致癌物的使用。因此，乙醇作为替代部分汽油以及MTBE的用途日益重要。
2、燃料乙醇生产技术
乙醇从生产工艺上划分可分为生物发酵法和合成法两种，目前全球以生物发酵法为主，起产量占整个乙醇市场的90%以上。现在的发酵法生产乙醇的原材料主要是农产品，象玉米、小麦、薯类等淀粉质原料和甘蔗、糖蜜等糖类原料。发酵所得发酵液经蒸馏、脱水、变性即可成为燃料乙醇。目前我国的乙醇发酵行业的原料以粮食谷物类为主，为了避免出现与人争粮食的局面，必须开发新的发酵原料。目前研究较多并取得一定成果的有木薯、甜高梁、菊芋等。利用一些不能种植粮食作物的荒地、滩涂地来种植这些专门作为发酵原料地作物，替代目前使用地玉米、小麦等粮食作物，以减少大力发展生物能源计划对国家粮食问题的威胁。
3、燃料乙醇展望
随着科学技术的进步，酒精发酵工业也将在我国出现飞跃的发展，但从目前看来，酒精生产中还存在很多亟待解决的问题。主要体现在以下几个方面。
1）研究解决代粮节料的问题，探讨如何把目前酒精生产所用的原料耗量减低，降低吨酒精的原料费用。
2）选育性能优良的新菌种。当前生产中所用的菌种，无论是曲酶糖化菌，还是发酵用酵母菌，与世界上先进国家相比还有很大差距，远末达到原料的理论产值，这些都需寻找和驯养新苗种，从而推动酒精发酵生产的向前发展。
3）采用先进的科学技术，由于科学的发展，产量质量标堆的提高，对现有的生产技术提出了新的、更高的要求，所以必须吸取国内外的先进经验，采用先进的科学技术和先进工艺，才能在较短时间内解决生产上存在的问题。
总而言之，酒精发酵工业今后的发展方向也就是研究如何代粮节料、采用先进的科学技术、选用先进工艺、选育新菌种，研究设计性能完美的生产设备，使我国的酒精发酵工业在短时间内赶上世界先进水平。
（二）生物柴油
1、生物柴油概况
柴油作为一种重要的石油连炼制产品，在各国燃料结构中占有较高的份额，以成为重要的动力燃料。石油资源的日益枯竭和人们环保意识的提高，大大促进了世界各国加快柴油替代燃料的开发步伐。 20世纪90年代以来，生物柴油以其优越的环保性能受到了各国的重视。目前在生物能源产品产业规模方面，发展最快的是燃料乙醇，而生物柴油被认为是继燃料乙醇之后第二个可望得到大规模推广应用的生物能源产品。
生物柴油是指由可再生的油脂原料通过转酯反应得到的长链脂肪酸酯。它是一种可以替代普通柴油使用的环保燃油，它有着与柴油十分相似的理化性质,是清洁的可再生能源，它以大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黄连木等油料林木果实、工程微藻等油料水生植物以及动物油脂、废餐饮油等为原料制成的液体燃料，与石油柴油相比，可大大减少二氧化碳、多环苯类致癌物和“黑烟”等污染物排放。利用废食用油、垃圾油、泔水油生产生物柴油，可减少肮脏的、含有毒物质的废油污染，是典型的“绿色能源”。
2、生物柴油的生产技术
生物柴油的生产方法由化学法生产和生物合成两种。目前生物柴油主要是用化学法生产，即用与甲醇或乙醇等低碳醇在酸或者碱性催化剂和高温(230-250℃)下进行转酯化反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯，再经洗涤干燥即得生物柴油。甲醇或乙醇在生产过程中可循环使用，生产设备与一般制油设备相同，生产过程中可产生10%左右的副产品甘油。除了化学法人们还研究用生物酶法合成生物柴油，即用动物油脂和低碳醇通过脂肪酶进行转酯化反应，制备相应的脂肪酸甲酯及乙酯。酶法合成生物柴油具有条件温和、醇用量小、无污染排放的优点。但目前主要问题有：对甲醇及乙醇的转化率低，一般仅为40%-60%。由于目前脂肪酶对长链脂肪醇的酯化或转酯化有效，而对短链脂肪醇(如甲醇或乙醇等)转化率低，而且短链醇对酶有一定毒性，酶的使用寿命短。副产物甘油和水难于回收，不但对产物形成抑制，而且甘油对固定化酶有毒性，使固定化酶使用寿命短。
3、生物柴油展望
目前生物柴油的主要问题是成本高。生物柴油制备成本的75%是原料成本。因此采用廉价原料及提高转化从而降低成本是生物柴油能否实用化的关键。美国己开始通过基因工程方法研究高油含量的植物，日本采用工业废油和废煎炸油，欧洲是在不适合种植粮食的土地上种植富油脂的农作物。
但我国现有耕地资源贫乏，用来发展能源作物的耕地十分有限，依靠种植油料作物为生物柴油提供油源不符合我国国情。自然界中少量微生物在适宜条件下产生并贮存质量超过其细胞干重20%的油脂，具有这种表型的菌种称为产油微生物。产油微生物利用可再生资源，得到的微生物油脂与植物油脂具有相似的脂肪酸组成，产油微生物具有资源丰富，油脂含量高，生长周期短，碳源利用谱广，能在多种培养条件下生长等特点。同时微生物油脂生产工艺简单，高值化潜力大，有利于进行工业规模生产和开发。因此具有广阔开发应用前景。目前中国、日本、德国、美国等国已有商品微生物菌油或相应下游加工产品面市，但生产成本还较高。随着现代生物技术的发展，将可能获得更多的微生物资源。如通过对野生菌进行诱变、细胞融合和定向进化等手段能获得具有更高产油能力或其油脂组成中富含稀有脂肪酸的突变株，提高产油微生物的应用效率。
再有微藻生产柴油，为柴油生产也开辟了另一条的技术途径。美国国家可更新实验室(NREL)通过现代生物技术建成“工程微藻”，即硅藻类的一种“工程小环藻”。在实验室条件下可使“工程微藻”中脂质含量增加到60%以上，户外生产也可增加到40%以上。 “工程微藻”中脂质含量的提高主要由于乙酰辅酶A羧化酶(ACC)基因在微藻细胞中的高效表达，在控制脂质积累水平方面起到了重要作用。利用“工程微藻”生产柴油具有重要经济意义和生态意义，其优越性在于：微藻生产能力高、用海水作为天然培养基可节约农业资源；比陆生植物单产油脂高出几十倍；生产的生物柴油不含硫，燃烧时不排放有毒害气体，排入环境中也可被微生物降解，不污染环境，发展富含油质的微藻或者“工程微藻”是生产生物柴油的一大趋势。
（三）生物制氢
1、生物制氢的发展现状
氢气是高效、清洁、可再生的能源，在全球能源系统的持续发展中将起到显著作用，并将对全球生态环境产生巨大的影响。氢在燃烧时只生成水，不产生任何污染物，甚至也不产生CO2，可以实现真正的“零排放”。此外，氢与其它含能物质相比，还具有一系列突出的优点。氢的能量密度高，是普通汽油的2.68倍；用于贮电时，其技术经济性能目前已有可能超过其它各类贮电技术。将氢转换为动力，热效率比常规化石燃料高30－60%，如作为燃料电池的燃料，效率可高出一倍；氢适于管道运输，可以和天然气输送系统共用。在各种能源中，氢的输送成本最低，损失最小，优于输电。氢与燃料电池相结合可提供一种高效、清洁、无传动部件、无噪声的发电技术。氢还能直接作为发动机的燃料，日本已开发了几种型号的轻能车。预计到21世纪初，燃氢发动机将在汽车、机车、飞机等交通工具的应用中实现商业化。
2、生物制氢技术
在生物制氢研究领域，人们以碳水化合物为供氢体，利用纯的光合细菌或厌氧细菌制备氢气，并先后用一些微生物载体或包埋剂，细菌固定化的一系列反应器系统进行了研究。20世纪90年代后期，人们直接以厌氧活性污泥作为天然产气微生物，以碳水化合物为供氢体，通过厌氧发酵成功制备出生物氢气，因而使生物制取成本大大降低，并使生物制氢技术在走向实用化方面有了实质性的进展。迄今为止，已研究报道的产氢生物类群包括了光合生物和非光合生物。
1）蓝细菌和绿藻：该类生物可利用体内的光合机构转化太阳能为氢能。二者均可光裂解水产生氢气，但放氢机制却不相同。光裂解水产氢是理想制氢途径，但蓝细菌和绿藻作为产氢来源似乎并不合适，因为在光合放氢同时，伴随氧的释放，除产氢效率较低外，如何解决放氢酶遇氧失活是该技术应解决的关键问题。采用连续不断地提供氩气以维持较低氧分压和光照黑暗交替循环方法用于实验研究尚可，但较难实用化。目前研究内容主要集中在高活性产氢菌株的筛选或选育、优化和控制环境条件以提高产氢量，研究水平和规模还基本处于实验室水平。
2）非光合生物：这类微生物可降解有机大分子而产氢，在生物转化可再生能源物质（纤维素及其降解产物和淀粉等）生产氢能研究中显示出优越于光合生物的优势。这类微生物作为氢来源的研究始于20世纪60年代。其生物转化可再生能源物质生产氢能意义深远而重大。但如何解决低pH下细胞产氢与生长的矛盾是该技术应着重解决的问题之一。
3、我国生物制氢的现状
目前，我国在厌氧活性污泥制氢方面取得了突破性进展，哈工大任南琪与导师王宝贞教授在国际上首创了以厌氧活性污泥为产氢菌种的发酵法生物制氢技术，该技术是以含碳水化合物为营养源，结合生物学、新能源开发和环境保护多个学科领域，利用生物技术生产可再生能源氢气，是多学科的产物，目前已完成中试。但是我国生物制氢的基础和应用研究几乎还是空白。我们以前沿生物工程平台技术和生物化工技术，结合我国的国情，对几个生物制氢的关键瓶颈技术问题进行攻关，取得与世界水平相平行的具有我国自主知识产权的成果，为我国的生物制氢产业化打下基础。另外我国是农业大国，利用农业植物资源进行生物制氢技术的研究与开发，对农业的健康发展和农村能源结构的合理化也将产生巨大的推动作用。
（四）沼气
1、概况
沼气是一种可再生的、清洁、高效的能源。因此沼气生产既有助于缓解能源紧张的局面，又有利于解决环境污染的问题，对经济的可持续发展具有重要的现实意义。因此，世界上一些发达国家，正在进行利用微生物厌氧消化农场废物、生产甲烷的较大规模试验。在英国，利用人和动物的各种有机废物，通过微生物厌氧消化所产生的甲烷，可以替代整个英国25%的煤气消耗量。苏格兰已设计出一种小型甲烷发动机，可供村庄、农场或家庭使用。美国一牧场兴建了一座工厂，主体是一个宽30米、长213米的密封池组成的中烷发酵结构，它的任务是把牧场厩肥和其他有机废物，由微生物转变成甲烷、二氧化碳和干燥肥料。这座工厂每天可处理1650吨厩肥，每日可为牧场提供11.3万立方米的甲烷，足够1万户家庭使用。目前美国已拥有24处利用微生物发酵的能量转化工程。从世界范围看，利用各种微生物协同作用生产甲烷的研究和应用，正处于方兴未艾的阶段。专家们认为，21世纪在农村沼气将成为主要能源之一。
2、沼气的生产技术
1）沼气发酵的微生物种类：
第一类叫发酵细菌，包括各种有机物分解菌，它们能分泌胞外酶，主要作用是将复杂的有机物分解成较为简单的物质。例如多糖转化为单糖，蛋白质转化为肽或氨基酸，脂肪转化为甘油和脂肪酸。第二类叫产氢产乙酸细菌。其主要作用是前一类细菌分解的产物进一步分解成乙酸和二氧化碳。第三类细菌称产甲烷菌。它们的作用是利用乙酸、氢气和二氧化碳产生甲烷。在实际的发酵过程中这三类微生物既相互协调，又相互制约，共同完成产沼气过程。
2）沼气发酵过程的三个阶段
第一阶段是含碳有机聚合物的水解。纤维素、半纤维素、果胶、淀粉、脂类、蛋白质等非水溶性含碳有机物，经细菌水解发酵生成水溶性糖、醇、酸等分子量较小的化合物，以及氢气和二氧化碳。
第二阶段是各种水溶性产物经微生物降解形成各种中间体如丙酸、丁酸和乙醇等及生产甲烷底物，主要是乙酸、氢气和二氧化碳。
第三阶段是产甲烷菌转化甲烷底物生成CH4和CO2。另外，在沼气发酵过程中还存在某些逆向反应，即由小分子合成大分子物质的微生物过程。
3）沼气发酵反应器
沼气池类型较多，我国目前农村散户较多采用圆柱形水压式浮罩沼气池，如图。其结构合理、安全、用料省、施工快、使用管理方便。
大中型沼气工程为加大微生物与原料的接触面积，多采用完全混合式厌氧反应器，上流式厌氧污泥床反应器、内循环厌氧反应器等。
3、我国沼气发展概况
我国沼气的研究、开发利用和发展起始于20世纪20年代。然而由于种种原因，大部分以失败而告终。80年代，我国制订了《农村家用水压式沼气池标准 >标准图集》，《农村家用水压式沼气池质量检查验收标准》、《农村家用水压式沼气池施工操作规程》和《农村沼气发酵工艺操作堆积》等国家标准。实现了沼气建设稳步、健康发展。
河南酒精总厂（现为天冠集团）主要采用薯类、玉米作为原料生产食用酒精，年排放废醩液80多万吨。该厂于20世纪80年代末建立了2座5000m3厌氧消化罐，1万m3沼气储气柜，形成日产沼气45800m3的生产能力。目前，南阳沼气生产已建成8万立方米储气柜，敷设地下供气管道120公里，日产混合气14万立方米，可供4万户12万人生活用气。南阳市也因此成为名副其实的亚洲最大的沼气城。
我国要大力发展生物质能，把清洁、高效、安全、可持续的又是最具发展潜力的生物质能作为可再生能源的重中之重。集中最优势力量攻克生物质能技术，并为其发展和销售出台一系列优惠和鼓励政策。让中国成为可再生能源利用大国！
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