微生物工业经历了数千年的发展，在人们生活和国民经济中发挥越来越重要的作用。基因工程、细胞工程、代谢工程等现代生物技术赋予微生物工程新的内容，是微生物工程发展的推动力，成为当前微生物工程主要的发展趋势。
一、基因工程技术
基因工程（gene engineering）是20世纪70年代以后发展起来的一门新技术。其基本原理是采用人工方法把来自于不同生物体的遗传物质（DNA）分离出来，在体外进行剪切、合成和拼接，使遗传物质重新组合。然后将重组DNA通过载体（微生物质粒、噬菌体、病毒等）转入受体细胞，进行无性繁殖，并使所需要的基因在受体细胞内表达，产生出人类所需的新的产物，或创建新的生物类型。这种创造新生物并给予新生物以特殊功能的过程称为基因工程，也称为基因（DNA）重组技术。
基因工程在微生物工程中的应用包括两个方面，一是改造传统的微生物工业，研究目标产物的基因结构、基因调控和表达方式，对生产菌进行基因重组、转殖，使之高效表达，从而大幅度提高原有微生物工业的生产水平；二是生产转基因产品，特别是动、植物细胞产品。虽然通过动、植物细胞培养可获得各种动、植物细胞产品，但动、植物细胞培养存在培养基成分复杂、生长速率慢、对环境条件敏感、极易污染等缺点。而微生物细胞具有结构简单、繁殖迅速、容易培养等特点，使之成为良好的转基因对象。大量实验表明，将动、植物细胞的基因转入微生物细胞（细菌、酵母），通过微生物发酵的方法生产，要比动、植物细胞的培养方便得多。如胰岛素、生长激素、细胞因子等许多动、植物和人类细胞产品都是用转基因微生物的方法生产的。
二、微生物资源的开发
众所周知，微生物种类繁多，目前全世界已发现的微生物种类不到实数的2%。分离、检测、发现未知的微生物，开发已发现微生物的使用价值，是微生物资源开发利用的前提和基础。从青霉素的工业化生产开始，人类大规模利用微生物资源的历史不过60年。虽然已取得了极其辉煌的成果，但微生物资源开发利用的潜力仍然很大，前景十分宽广。
（一）微生物制药
微生物制药是微生物工程应用最广、成绩最显著、发展最迅速、潜力也最大的领域。目前由微生物生产的各种药物已超过1000个，年销售额达300多亿美元，为人类的保健事业做出了不可磨灭的贡献。但仍然有大量“不治之症”，如心血管病、癌症、艾滋病等许多常见多发病无良药可治。利用微生物工程从各方面改进医药的生产，研究开发新的医药产品，以进一步改善医疗手段和提高人类的医疗水平，仍然是微生物工程的研究热点。
（二）环境生物工程
环境污染是世界性的难题，环境生物工程在防治各种污染中将起重要作用。众所周知，油轮海上倾油可引起大面积海域污染，国外虽然采用“超级细菌”（含有多个降解烃类的质粒）进行海面浮油处理，但其效果尚待改进。化学农药对土壤的污染虽可用具有专一性降解能力的特种细菌处理，但作用缓慢。相对而言，采用可被降解的生物农药是较为先进的方法。此外，河流、湖泊水域的污染防治、酸雨危害以及城市垃圾处理等，也都是亟待解决的难题。
（三）新能源的开拓
随着化石能源的逐年减少，再生能源的研制与开发已备受关注。我国探明的原油储量为33亿t（2000年），世界排名第11位，占世界总量的2.3%，人均储量为世界平均水平的10.6%，按目前开采速度可采约20年。由此可见，开发新能源，特别是可再生能源具有十分重要的战略意义。
氢气是无污染的清洁能源，燃烧后不产生二氧化碳、硫化物、氮氧化物等有害物质，国外的燃氢汽车已研制成功。产氢的微生物甚多，值得重视的是光合细菌，该菌可利用工业废气产氢。
酒精是可代替石油的一种可再生能源。在汽油中掺入一定比例的酒精可提高汽油的辛烷值，减少尾气中CO、NO等污染物的排放量。酒精燃烧所产生的二氧化碳和作为原料的生物量生长所消耗的二氧化碳的数量基本持平，不会额外增加大气中二氧化碳的浓度，这对减少大气污染和控制全球“温室效应”有重要意义，因此，燃料酒精被称做“清洁燃料”。自20世纪70年代以来，世界上很多国家通过立法积极推广燃料酒精的应用，其中美国的汽油醇计划和巴西的酒精汽油计划使世界酒精产量迅速增长。1975年至1995年间，世界酒精产量净增近2倍，主要原因是燃料酒精的大规模应用，目前燃料酒精占世界酒精产量的60%以上。在我国，发酵酒精的生产成本大大高于汽油价格，成为制约燃料酒精发展的主要障碍。进行酒精浓醪发酵的研究，降低发酵酒精生产的能耗和成本，是发展燃料酒精的关键所在。
三、发酵过程优化与控制
发酵过程优化的目的是使细胞生理调节、细胞环境、反应器特性、工艺操作条件与反应器控制之间这种复杂的相互关系尽可能地简化，并对这些条件和相互关系进行优化，使之最适于特定发酵过程的进行。目前，发酵过程的优化与控制主要涉及如下四个方面的研究内容。
①微生物细胞生长过程：细胞生长反应过程的研究是发酵过程优化的重要基础内容。研究细胞的生长反应，不仅要清楚地了解微生物从培养基中摄取营养物质的情况和营养物质通过代谢途径转化后的去向，还要确定不同环境条件下微生物代谢产物的分布。
②微生物反应的化学计量：微生物利用底物进行生长，同时合成代谢产物。运用基于化学计算关系的代谢通量分析方法，可提出微生物代谢途径的可能改善方向，为过程优化奠定基础。
③生物反应动力学：生物反应动力学是发酵过程优化研究的核心内容，主要研究生物反应速率及其影响因素，在此基础上建立动力学模型，进而确定发酵过程的最佳生产条件。
④生物反应器工程：包括生物反应过程的参数检测与控制。生物反应器的形式、结构、操作方式、物料的流动与混合状况、传递过程特征等是影响生物反应器宏观动力学的重要因素。在工程设计中，化学计量式、微生物反应和传递现象都是需要解决的问题。参数检测与控制是发酵过程优化最基本的手段，只有及时检测各种反应组分浓度的变化，才有可能对发酵过程进行优化，使微生物发酵过程在最佳状态下进行。
四、生物分离新技术
生物分离技术是生物技术的一个重要组成部分。生物产品通过微生物发酵过程、酶反应过程和动、植物细胞大量培养过程获得，从这些发酵液、反应液和培养液中分离、精制有关产品的过程称为生物分离工程或称为下游加工过程（down stream processing）。
在发酵产品的生产中，分离和精制过程所需的费用占成本的很大部分。例如，传统发酵工业中的抗生素和氨基酸等产品，其分离和精制部分的投资占整个工厂投资的60%左右，生产成本占30%左右；而对重组DNA产品，分离与精制所占的生产成本达80%～90%，而且这种偏向还有继续加剧的趋势。
传统发酵产品（如有机酸、有机溶剂、氨基酸、抗生素等）大多为小分子物质，性能比较稳定，其分离技术源于化学工程中的单元操作。20世纪80年代，随着重组DNA和杂交瘤技术的发展，能够获得过去无法得到的、分子结构复杂的大分子生物活性物质，大大增加了生物产品分离与精制的难度，使得传统发酵产品加工方法中的许多单元操作不能适用。自第一个基因工程药物人胰岛素在1982年投产后，人们开始重视下游加工过程的研究，开发了许多生物分离新技术、新材料和新设备，如双水相萃取、反胶束萃取、超临界萃取、凝胶萃取、膜过滤、液膜过滤、膜蒸馏、渗透蒸发、凝胶过滤、亲和色谱、离子色谱、离子交换色谱、径向色谱、等电点聚焦色谱、电泳分离等等。在这些分离技术中，许多是各种分离纯化技术相互结合、交叉形成的子代分离技术。它们既具有亲代分离技术的特点，又具有选择性好、效率高和适合于生物活性物质分离等优点。此外，将下游加工（分离）过程与产物生成过程结合起来（如原位分离、萃取发酵等），以解决生物产品生产过程中的产物抑制和不稳定性，是生物产品分离技术的又一发展方向。
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