生物燃气生产技术研究进展

生物燃气生产技术研究进展1　概述　　进入21世纪以来，煤炭、石油、天然气等化石燃料的不可再生性，以及石油炼制产业引起的温室效应、酸雨、粉尘污染等种种环境问题，引起人们普遍关注，极大地推动了风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等可再生能源产业的研究和发展。生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第4位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。在我国，生物质能占全部能源消耗总量的20%。但长期以来，生物质能在我国商业用能结构中的比率极小，其主要是作为一次能源在农村利用，约占农村总能耗的70%左右。　　美国国会对于生物质定义：生物质在一个可循环的基础上可利用，包括能量作物、农业食物和饲料作物剩余物、水生植物、木材和木材残余物、动物废物和其它废物材料。生物质利用光合作用固定大气中的CO2，同时在生物质的燃烧和微生物分解过程中，产生的CO2又排放到大气中，经过光合作用，大气中的CO2再次被植物吸收固定，形成循环。因此以生物质为基础的产业结构是可持续发展的。全球范围内，每年通过光合作用生产1.7×1011t生物质，然而却只有3.5%得到利用。目前，以可再生生物质为基础的生物炼制产业正在全球范围内积极发展。生物炼制利用生物质，借助生物、化学、物理等加工技术手段，得到燃料、化学品、材料、农产品等多种产物，用于生活和工农业生产。 　　生物炼制作为一个相对比较年轻的研究领域，系统的研究和开发主要是在欧洲进行的；而工业领域的发展则主要是在美国。美国生物质技术顾问委员会开展了一个关于生物能量、生物燃料和生物产物的长期计划和目标，基于生物质的运输燃料将从2001年占美国燃料消耗的0.5%。增长到2030年的20%。从2006年1月1日起，我国开始施行《中华人民共和国可再生能源法》，将大大促进可再生能源的开发利用，增加能源供应，改善能源结构，保障能源安全，保护环境，实现经济社会的可持续发展。在生物炼制中，基于生物原料的燃料包括固体、液体和气体3种形式，生物柴油、乙醇、甲醇、甲烷和氢气等是目前世界上广泛关注的几种能源。本文将氢气和甲烷等气体能源统称为生物燃气。与液体生物能源相比，生物燃气具有分离成本低、发酵生产和分离纯化容易等特点，容易实现产业化应用。　　因为氢气本身无毒，燃烧后仅生成水，所以被认为是理想的清洁能源。氢气不但是一种优质燃料，还是石油、化工、化肥和冶金工业的重要原料。所有气体中，氢气最轻，导热性最好；除核燃料外，氢的发热值是所有化石燃料和生物燃料中最高的；氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求，刮。通过生命周期分析，在所有燃料中氢气有最高的原料灵活性，来源于可再生生产途径的氢气环境友好，不涉及温室气体排放，最终实现化石能源到可再生能源的平稳转换。 　　“油井到车轮”分析表明生物甲烷是最有能效的燃料之一。这一分析的依据是测算生产自1ha土地生物质的燃料能够使汽车运行的最大距离。研究表明，生物甲烷燃料汽车能行驶生物柴油3倍的距离，也比燃料乙醇长50%。甲烷还可作为良好的化学原料，可通过甲烷氧化菌利用甲烷生产甲醇等。　　此外，相比液体燃料来讲，氢气和甲烷作为气体更容易分离，会大大降低生物能源的生产和分离成本。因此，利用生物质生产氢气和甲烷具有良好的工业应用前景。利用生物质进行生物燃气的生产加工主要有热化学和生物转化两种方法。生物厌氧转化过程相比热化学方法有更低的能量消耗需求，相反的是，富能的最终产物氢气或者甲烷被生产，被称为“双重能量效益(dualenergybenefit)”。　　DavidB.Levin等人根据加拿大每年的森林和农业生物量进行了甲烷和氢气的估计。基于2001年和2003年统计的森林和农业生物量，加拿大每年产生近1.45×108t的生物量。理论上，该生物量包含碳约6.38×107t、能量约2.28×109CJ。用传统技术进行生物量的厌氧消化，每年可以产生CH4约1.14×1010m3(8.21×106t)，其热值相当于4.56×108CJ。而用新的制氢技术转化这些生物量，每年可以产生H21.47×1010m3(1.32×106t)，相当于1.88×108CJ的热值。据估计，我国生物质资源实物，包括林木生物质、农业秸秆、畜粪和城市垃圾，蕴藏量为6.98×109t。如果将这些生物质资源全部用来生产生物燃气，估计可以生产CH43.95×10t，其热值相当于2.20×1010CJ；如果用来生产氢气，可以得到H26.35×107t，相当于9.05×109CJ的热值。因此，生物质生产生物燃气的技术的研发具有重要的战略意义。 　　废弃生物质原料价格本身比较低廉。利用生物质通过厌氧生物转化，生产生物燃气的生产技术核心是如何提高生物燃气的转化率和生产速率，以最大限度降低成本，和化石能源以及其他生物能源(生物酒精、生物柴油等)相竞争。主要涉及两方面的问题：一是生物质的预处理，另一个就是生物燃气的高效生物转化工艺。　　2　生物质的预处理　　生物质都是以大分子状态存在，不能被微生物直接吸收利用，必须被分解成可溶于水的小分子化合物，即多糖分解成单糖或二糖，才能进入微生物细胞内，进行以后的一系列的生物化学反应。可循环利用生物质中，农业食物废弃物、有机生活垃圾、动物粪便等含有大量结构比较简单、比较容易处理的碳水化合物。然而农作物秸秆、木材废弃物等木质纤维生物质却难以处理，主要由纤维素、半纤维素和木质素三大部分组成。半纤维素和纤维素微纤维的氢键形成一个网络，形成植物细胞壁的结构骨架。在一些细胞壁中，木质素进一步提高其韧度。纤维素和半纤维素是可发酵糖的来源，而细胞壁中木质素的存在，是影响细胞或酶水解的重要因素。　　生物质在自然生态循环中无时无刻不在发生转化利用过程，大部分植物残体进入土壤而完成能量与物质循环。这是一个极缓慢而人类又无法直接获得所需要能量和物质的过程，在经济上是一个无效的循环过程。而从生态学、酶学和化学酸水解的角度看，在工艺原理上，木质纤维素生物质也是不难降解成小分子的，但一旦变成工业生产，就会出现技术经济难以过关的问题。 　　来自富纤维素生物质经济生产的4个障碍是：(1)虽然生物质原料价格低，但是分布分散，使得收集代价高；(2)由于纤维原料具有结晶结构以及木质素，使得预处理困难；(3)纤维素链难以破坏为葡萄糖等单糖；(4)木质素和半纤维素组成具有不均一性，没有通用的前处理工艺。　　木质纤维原料在利用之前，必须通过预处理技术改变或去除其物化结构和组成的阻碍，使得微生物或者酶能够对其中纤维素和半纤维素进行充分的利用。　　木质纤维生物质水解和前处理分为物理、化学、生物或这些方法的组合。　　2.1　生物质预处理的目标　　生物质预处理应尽可能保存戊糖(半纤维素)片断，而且要限制降解产物的形成(抑制发酵微生物生长，最小化能量需求和限制费用)。另外预处理目标还包括低的前处理催化剂费用或廉价的催化剂循环，和更高附加值木质素**物的产生。这些都作为评价预处理好坏的基础。预处理还必须考虑其对于下游工艺费用、操作费用、资本费用和生物质费用的影响。　　2.2　生物质的物理和化学预处理手段　　表1为不同预处理方法对于木质纤维生物量的化学组成和化学／物理结构的影响，概括了蒸汽爆破、液体热水、稀酸、石灰和氨等物理或化学预处理手段的关键特征。 　　中国科学院过程工程研究所的陈洪章研究员等人，研究了蒸汽汽爆、固态发酵分级处理和快速热解相结合的方法对秸秆进行处理，结果表明预处理可以更好地充分利用生物质资源。　　2.3　生物质的生物预处理手段　　生物质的化学预处理手段大量使用酸、氧化剂、敏化剂等化学试剂.选择性差，降解过程有许多副产物产生，且降解反应条件较为苛刻，后处理困难。而酶催化将纤维素水解成葡萄糖，选择性高，反应条件温和，环境友好，是理想的洁净工艺。常用的葡萄糖水解酶主要有3种：内切—口—葡聚糖酶，外切—6—葡聚糖酶和—6—葡糖苷酶。半纤维具有和纤维素相似的化学反应。但由于酶的制造成本高，限制了其在生物质水解中的工业化应用。 　　虽然木质素是一种难于降解的高分子化合物，但还是有一些真菌和细菌作用于木质素，有的真菌还能彻底降解木质素为C02。目前用于生物降解机理研究的微生物主要是一类称之为白腐菌的担子真菌，涉及最重要的酶有3类：木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶。GabrieleSchober等人以厨房残余物为原料，利用白腐真菌ehaetomiumcellulolvticum在温度为37℃和pH为6.0条件下进行预处理，通过厌氧／好氧／厌氧降解步骤，96%的挥发性固体得以减少。但利用真菌降解木质素的最大缺点是真菌生长慢、降解需要的时间长。　　3　生物燃气的生产　　3.1　利用生物质发酵生产甲烷 　　在微生物发酵产甲烷状态下，有机物经一系列生化过程，最终被分解为以CO2为最高氧化态和以CH4为最低还原态的碳化物。生物质发酵产甲烷的生态系统由水解液化、产酸和产甲烷三阶段组成。所有的产甲烷菌属于古细菌，对氧高度敏感，使其成为难于研究的细菌之一。例如，甲烷八叠球菌暴露于空气中时会很快死亡，其数量半衰期仅为4min。在实际甲烷发酵体系中，较多使用的是厌氧颗粒污泥等混合菌群体系。在厌氧污泥的微生态颗粒中，产甲烷菌在颗粒核心，很容易得到低氧化还原电位环境保护。甲烷发酵过程是多种细菌协同完成的微生物学过程，本质上涉及电子流的流动。在中性pH条件下，大约70%甲烷由乙酸分解形成，而30%甲烷衍生自H2和CO2或甲酸。在较高温度(60-70℃)条件下，多数甲烷衍生自H2和CO2，因为更高的温度条件下，乙酸厌氧分解为H2+C02。在低温(<15t)条件下，乙酸分解产生甲烷的贡献高于70%。　　要提高甲烷发酵的效率，首先应注意原料与微生物之间的一致性。这在利用难降解有机物为原料时尤其重要。其次，要注意活性污泥中产甲烷菌的数量，特别是食乙酸产甲烷菌的数量。因为在通常情况下，发酵性细菌和产氢产乙酸菌的繁殖速度较快，而产甲烷菌特别是食乙酸产甲烷菌繁殖较慢，在沼气池启动和运转过程中往往称为限制因子。此外，为厌氧消化微生物创造良好生长条件，如合适的温度、pH等，防止有毒物质的进入，特别是控制负荷以维持酸化和甲烷化速度的平衡，都是厌氧发酵反应器正常运转的重要因素。　　RudiantoAmiaa等人用白腐真菌ceriporiopsissubvermisvora进行预处理对日本雪松甲烷发酵，增加甲烷生产。用真菌的另一个有利条件是它们对盐和金属离子的高忍耐性。Hammi Take等人用不同的方法预处理日本雪松碎屑，包括精炼处理、汽蒸处理、担子菌真菌类生物处理和蒸汽爆**理，之后进行甲烷气体的转化，结果表明蒸汽爆破是非常有效的用于生产甲烷气体的前处理方法。蒸汽爆破在蒸汽压力为4.51MPa，蒸煮时间为5rain，是最有效的前处理方法。而生物法处理方法优于物理处理方法，和汽蒸处理方法比较，效果相差不大。北京航空航天大学杨玉楠等人利用白腐菌生物预处理强化秸秆发酵产甲烷，秸秆的结构受到破坏，木质素含量降低，从而大大缩短了厌氧发酵周期，提高了甲烷转化效率。但利用真菌进行生物质预处理速度慢，影响整个发酵过程的时间。　　到目前为止，分离鉴定的产甲烷菌已有200多种。存在于沼泽、湖泊、海洋沉积物及瘤胃动物的胃液等自然生态系统中，也存在于废水处理、堆肥和污泥消化等非自然的生态系统中。从分类学上讲，产甲烷菌属于古细菌的水生古细菌门(Euryarchaeota)，已鉴定的产甲烷菌分属于3个纲的5个目中。对于产甲烷菌的筛选，要考虑3个方面：一是严格的厌氧环境要求，必然导致在厌氧操作技术上带来一定的难度，如果从自然界当中筛选出微好氧的复合菌或纯菌，必然会对整个甲烷生成过程起到革命性的促进作用；二是发酵温度，对于不同的地域和季节，温度不同，需要筛选在不同温度下产甲烷活力高的菌；三是发酵原料，甲烷发酵原料包括农业剩余物、秸秆、杂草、树叶、家畜家禽粪便、农业生产有机废物和水生植物等，针对不同的原料，组分有很大的不同，特别是组分比较复杂的木质纤维素类生物质，更需要从自然界中筛选和分离高效的微生物菌种。　　迄今为止，有多种产甲烷菌基因组测序完成。基因组信息使人们对产甲烷菌的细胞结构、进化、代谢及环境适应性有了更深的理解，更好地指导对产甲烷菌的基因改造，得到“超强”产甲烷菌，以减小甲烷生成过程时间和增大甲烷生成转化率。一般而言，一种产甲烷菌只具有一种甲烷合成路径，但具有多细胞结构的甲烷八叠球菌同时含有3种甲烷合成路径，而且至少可以利用9种甲烷合成的底物。Alexei I.Slesarev等人通过基因组分析，预测出嗜氢嗜热产甲烷菌的基本代谢途经。甲烷生物合成过程中，甲烷的形成伴随着细胞膜内外化学梯度的形成。这种化学梯度驱动ATP酶产生细胞内能量通货——ATP。根据甲烷合成的代谢路径，进行代谢通量等分析，可以考虑外在因素(pH、温度等)和代谢路径的操作(增强、删除或增加新的路径)，从物质和能量角度去促进甲烷的生成。但是关于产甲烷菌的基因操作和代谢工程研究还鲜有报道。　　对甲烷发酵反应器的设计，从系统的角度必须考虑政策依据、总体布局设计、工艺流程设计(确定最佳适用的工艺流程：包括预处理、沼气发酵、后处理等几部分)、装置的选型和设计、输气系统设计、储气罐设计、沼气脱硫、安全防火等各方面。在发展中国家(像印度)，批式和半连续厌氧发酵系统是两个广泛应用的技术，用于废物有机组分的生物能量的转变。批式发酵系统最简单，易操作，具有低的设备和相关维修费用。为了取得快速的和有效的厌氧消化，一些工艺得到发展，比如上流式厌氧过滤工艺(UAFP)，上流式厌氧污泥床反应器(UASB)，厌氧流化床法(AAFEB)，和厌氧流化床反应器(AFBR)，来增加细胞停留，还有种两阶段消化工艺来优化酸生成和甲烷生成。但是这些反应器较多地用于污水处理中。 　　对于高强度固体废物(COD>1000mZ／L)，中等温度(25-40℃)条件下，到目前为止甲烷生成过程的发展中，UASB反应器是最有效的技术，其中形成的包含产酸菌和产甲烷菌的微生物微粒是关键因素。H.L.Xu等人设计了一个耦合固／液生物反应器，包括废物进行酸化的固体废物反应器和甲烷生成的UASB反应器，来增强两阶段发酵过程。K.Takeno等人报道了将泥浆沉积物进行厌氧酸化发酵处理，利用UASB系统，进行有机物的去除和甲烷的生成；另外研究了半连续，循环的，两阶段反应器系统，对于高速泥浆沉积物的厌氧处理，其中要考虑盐对产甲烷菌的影响。H.Bouallagui等人利用两阶段厌氧批式反应器(ASBR)工艺进行食物和蔬菜废物厌氧处理。该工艺为两个阶段，最大的有利条件在于第一阶段有机负载速度缓冲，创造一个对于甲烷生成更稳定的进料速度。另外，该反应器固有操作灵活性，表征在循环时间和序列方面高度过程灵活性，不需要分离澄清器并能保留反应器中更高浓度的低速增长的厌氧细菌。高固含量废物降解和悬浮固体去除率达93.5%。西南交通大学杨巧艳等模拟生物反应器填埋场进行了产甲烷特征的研究。　　Rosa-ratlrttMeraz等人将类分形方程用于甲烷生产计算，提出的类分形动力学方程考虑了发酵过程的非均匀性质(例如水解的营养朝着甲烷生成区域的无效传输，固液界面)。沈阳航空工业学院冯磊等人将有机垃圾通过生物厌氧消化制取甲烷，并建立了产气量和有机垃圾固体量的一元线性关系。有效的甲烷发酵动力学及发酵过程模型的建立，可以用于指导反应器设计、最优操作条件选择和反应器放大模拟等过程优化操作。　　3.2　利用生物质发酵生产氢气 　　现代生物制氢的研究始于20世纪70年代能源危机，生物制氢技术包括光驱动过程和厌氧发酵两种路线。前者利用藻类或者光合细菌直接将太阳能转化为氢气，但是由于光利用效率很低。光反应器设计困难、光照采取等因素，难以推广应用。而后者采用的是产氢菌厌氧发酵，包括丁酸发酵、丙酮—丁醇发酵以及乙醇发酵，它的优点是产氢速度快，反应器设计简单，利用的底物范围广，且能够利用可再生资源和废弃有机物进行生产。　　能够在代谢过程中产生分子氢的发酵细菌，包括兼性厌氧菌和专性厌氧菌，主要有肠杆菌科(Enterobacteriaceae)、梭菌属(Clostridium)、巨型球菌属(Megasphaera)、韦荣氏球菌属(Veillonella)、互养球菌属(Syntrophococcus)、线形醋菌属(Acetomicrobium)、醋微球菌属(Acetomicrobium)、醋弧菌属(Acetivibrio)、拟杆菌属(Bacteroides)、闪烁杆菌属(Ferviclobacterium)、瘤胃球菌属(Ruminococcus)、真杆菌属(Eubacterium)、粪球菌属(Coprococcus)等。这些细菌能够将底物分解制取氢气。氢气的生成主要涉及甲酸脱氢和NADH产氢途径。 　　关于发酵制氢有着数不清的研究文章。而关于发酵制氢研究较多的发酵底物仍然是葡萄糖、淀粉、糖蜜废水、污泥、结晶纤维素等。利用的微生物主要是纯菌培养或者厌氧活性污泥，其中涉及到培养条件的优化、代谢途径的调控等。与之培养对应的反应器包括固定床反应器、CSTR反应器、UASB反应器、流化床反应器等，其中涉及到利用活性炭、海藻糖、丝瓜络、膨胀粘土等作为细胞固定化载体。而对于利用生物质进行产氢发酵的生产，相比甲烷发酵来讲，研究历史要短的多。对于生物质的预处理，和甲烷发酵有很多的共同点，共同目的都是如何通过物理、化学或者生物的方法改变生物质的结构，将多糖转变为低分子物质，便于微生物代谢利用。　　希腊GeorgiaAntonopoulou等人用甜高梁作为发酵底物，混合微生物体系作为发酵菌群，在HRT为12h条件下，甜高粱可以生产10.4L／kg的氢气，而且产氢的发酵流出物可以用来生产甲烷。美国NREL机构的RohitDatar等人将玉米秸秆通过酸和蒸汽爆破结合处理的方式后，将含有混合糖的水解产物用来产氢发酵，可以得到3.0的氢气摩尔转化率。　　对于利用生物质生产氢气，除了必要有效的预处理手段外，目前有3方面的技术被逐渐重视和发展起来。一是细菌细胞表面展示技术，在细胞表面展示不同功能的蛋白，构建多功能的生物催化剂，利用单个细胞完成以前需要多种细胞协同完成的工作，细胞表面工程技术可以在微生物细胞表面固定化羧甲基纤维素酶和6—葡萄糖苷酶，实现在纤维素发酵生产中的应用。二是多功能微生物引入或者复合菌群的构建，热纤维梭菌(clostridiumthermocellum)为嗜温菌，含有纤维小体结构，纤维小体是结合于细胞表面包含内葡聚酶、木聚糖酶、几丁质酶等多个酶的单元结构，能够有效降解纤维素。同时，热纤维梭菌可以产氢。另外，有研究将能够降解纤维素的菌和产氢菌进行共培养。三是细胞荧光定量技术在厌氧产氢体系的应用与发展，有助于更好地理解厌氧产氢混合体系，以指导发酵制氢菌种的选择与工艺优化。　　利用固体生物质产氢的反应器体系报道很少。韩国的Sun-KeeHan等人利用浸出床反应器(1eaehing-bedreactor)降解食品废物生产氢气，研究不同稀释率条件对氢气生产和代谢物的影响。 　　3.3　利用生物质发酵联产氢气和甲烷　　氢气和甲烷作为两种重要的能量载体，都是非常重要的能源和化工原料。DavidB.Levin等人将生物质分别生产氢气和甲烷进行了比较研究。结果表明，生产甲烷可以得到更大的能量回收率。尽管H2在所有燃料中有最大的单位质量热值(142CJ／t)，但它的密度低(0.09kg／m3)，导致其低的体积热值(0.0127CJ／m3)；CH4的单位质量热值(55.6CJ／t)比H2低，但是密度更大(0.72kg,／m3)，导致其更高的单位体积热值(0.040CJ／m3)。CH4对H2的单位体积热值比为3.15，比氢气将有更多的能量。实际体系中，底物发酵的甲烷表观产率(0.225-0.475m3／kg)大于氢气表观产率(0.193-0.287m3／kg)。如果利用生物质生产甲烷，能量回收率可以达到13%-42%；而生成氢气，能量回收率为5%-10%。表明利用生物质生产CH4，比氢气是更有效的转变技术。但是，氢气生产比甲烷更加迅速，只需要6-10h来转变糖为氢气，而转变成CH4则需要10-15天。另外，非常重要的一方面，高值和清洁的H2可再生来源有其特有的优点，即可同燃料电池的可再生燃料群体进行联系。这种情形下，人们对H2生产的偏爱超过CH4。　　在过去很长一段时间内，很多科研工作者都把氢气和甲烷两者生产进行各自孤立的研究。但是，从化学工程经济学和反应动力学角度考虑，利用甲烷发酵过程中产生氢气，氢气发酵的产物可以作为甲烷发酵的底物等特点，完全可以将两者联产，最终得到的效益(能量回收率及总反应速度)将远远大于单个氢气的发酵生产或单个的甲烷发酵生产。 　　DaweinLiu等人从家庭固体废物中联合生产氢气和甲烷的两阶段工艺的成功得到示范。在第一个生产阶段，挥发性固体(VS)的氢气产率为43mL／g，第二阶段甲烷生成500mL／g，甲烷生产高于一阶段工艺21%。氢气反应器用甲烷喷射导致氢气生产加倍。pH是影响氢气生产阶段发酵路径关键因素。这个系统中氢气生产最佳pH是5.0-5.5。该研究结果在动态发酵系统中也得到了直接的证据，表明氢气增加，反映出液相中乙酸盐／丁酸盐比率增加。　　Sun-KeeHan等人基于食物废弃物组分中不同组分发酵最优条件不同，设计了一个新的两阶段过程Biocell生物发酵系统，被发展用来从食物废物中生产氢气和甲烷，基于相分离、反应器旋转模式和连续批式技术。该Biocell工艺由4个浸出床反应器组成用于氢气回收和后处理，和一个UASB反应器用于甲烷回收。浸出床反应器在旋转模式下操作在降解阶段两天的间隔。所加挥发性固体的氢气和甲烷的产值分别是0.31m3／kg和0.21m3／kg。此外，后处理的输出物可被用作土壤改良。　　4　结束语 　　不仅仅在于氢气或者甲烷发酵这一生物过程，在很多生物转化过程中，生物质是可被微生物利用的，但是普遍存在转化周期长、利用率低的问题，不适于工业化应用。近年来，分子生物学和基因组学、蛋白组学、蛋白质工程、代谢工程等现代分子生物技术飞跃发展，为研究者改造微生物及其酶系提供了有力的工具。现在研究者可以在实验室中模拟自然进化的关键步骤——突变、重组和筛选，在较短时间内完成漫长的自然进化过程。　　目前关于利用生物质生产生物燃气的反应器，还主要是停留在厌氧废水处理反应器水平上。对于厌氧生物技术接下来的挑战之一是它应用性的扩展，特别是面对大量的木质纤维素等固态资源。因此需要创新的更有效的微生物种群构建及其反应器的设计。　　对于生物质的降解，单一的菌群难以达到良好的效果，必须进行高效的复合菌群的构建。对微生物群落结构的解析，可以更清楚了解菌群之间协作降解生物质和生物燃气产生机理。近年来用于微生物生态的现代分子生物学技术的发展，可以更好地观察生物群落的结构和功能。16SrRNA-targeted寡核苷酸杂交，16SrRNA基因克隆库的分析，16SrRNA基因的聚合酶链反应(PCR)单链构象多态性(SSCP)分析，免疫分析和极性脂质脂肪酸分析等一系列技术将大大促进对混合微生物群落的认知，将有利于指导稳定、高效的降解生物质产生生物燃气的混合群落的构建。　　我国是农业大国，发展可持续工业和农村经济、解决“三农”问题离不开工业和农业的深度融合，生物燃气技术是其中的一个重要途径。在生物燃气发酵生产过程中，不仅仅聚焦于氢气或者甲烷生产本身，必须考虑整个过程从原料开始到最终的生物燃气和废渣的利用，考虑生物燃气生产的规模化效应，特别是结合农村地区的特征，从系统工程角度去考虑生产和产物综合利用问题。随着生物学、化学、工程学、数学和经济学等一系列学科的快速发展，必将进一步促进生物质发酵生产生物燃气的发展，并逐步解决其中的关键问题。