沼氣發(fā)酵的原理

【專家解說】：沼氣發(fā)酵的原理 沼氣發(fā)酵又稱厭氧消化 ，是指各種有機物在一定的水分、溫度、厭氧條件下 ，被各類沼氣發(fā)酵微生物 分解轉(zhuǎn)化 ，最終生成沼氣的過程?！　?(說明：① I、I I為三階段理論，②I、II、II、IV、為四類群理論 ) 沼氣發(fā)酵過程的液化階段 　　用作沼氣發(fā)酵原料的有機物種類繁多，如禽畜糞便、作物秸稈、食品加工廢物和廢水，以及酒精廢料 沼氣發(fā)酵中食物鏈和能量分配圖等，其主要化學(xué)成分為多糖、蛋白質(zhì)和脂類。其中多糖類物質(zhì)是發(fā)酵原料的主要成分，它包括淀粉、纖維素、半纖維 素、果膠質(zhì)等。這些復(fù)雜有機物大多數(shù)在水中不能溶解，必須首先被發(fā)酵細菌所分泌的胞外酶水解為可溶 性糖、肽、氨基酸和脂肪酸后，才能被微生物所吸收利用。發(fā)酵性細菌將上述可溶 性物質(zhì)吸收進入細胞后，經(jīng)過發(fā)酵作用將它們轉(zhuǎn)化為乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇類及一定量的氫、二氧化碳。在沼氣發(fā)酵測定過程中，發(fā)酵液中的乙酸、丙酸、丁酸總量稱為中揮發(fā)酸(TVA)。蛋白質(zhì)類物質(zhì)被發(fā)酵性細菌分解為氨基酸，又可被細菌合成細胞物質(zhì)而加以利用，多余時也可以進一步被分解生成脂肪酸、氨和硫化氫等。蛋白質(zhì)含量的多少，直接影響沼氣中氨及硫化氫的含量，而氨基酸分解時所生成的有機酸類，則可繼續(xù)轉(zhuǎn)化而生成甲烷、二氧化碳和水。脂類物質(zhì)在細菌脂肪 酶的作用下，首先水解生成甘油和脂肪酸，甘油可進一步按糖代謝途徑被分解，脂肪酸則進一步被微生物分解為多個乙酸。 沼氣發(fā)酵過程的產(chǎn)酸階段 　　產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌 　　發(fā)酵性細菌將復(fù)雜有機物分解發(fā)酵所產(chǎn)生的有機酸和醇類，除甲酸、乙酸和甲醇外 ，均不能被產(chǎn)甲烷菌所利用，必須由產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌將其分解轉(zhuǎn)化為乙酸、氫和二氧 化碳。 　　 耗氫產(chǎn)乙酸菌 　　耗氫產(chǎn)乙酸菌也稱同型乙酸菌，這是一類既能自養(yǎng)生活能異養(yǎng)生活的混合營養(yǎng)型細菌。它們既能利用 Hz+c0z生 成 乙酸 ，也能代謝產(chǎn)生乙酸。通過上述微生物的活 動，各種復(fù)雜有機物可生成有機酸和Hz/c0z等。 沼氣發(fā)酵過程中的產(chǎn)甲烷階段 　　產(chǎn)甲烷菌的類群 　　產(chǎn)甲烷菌包括食氫產(chǎn)甲烷菌和食乙酸產(chǎn)甲烷菌兩大類群。在沼氣發(fā)酵過程中，甲烷 的形成是由一群生理上高度專業(yè)化的古細菌一產(chǎn)甲烷菌所引起的，產(chǎn)甲烷菌包括食 氫產(chǎn)甲烷菌和食乙酸產(chǎn)甲烷菌，它們是厭氧消化過程食物鏈中的最后一組成員，盡 管它們具有各種各樣的形態(tài)，但它們在食物鏈中的地位使它們具有共同的生理特性。它們在厭氧條件下將前三群細菌代謝終產(chǎn)物，在沒有外源受氫體的情況下把乙酸 和 H2/CO2。轉(zhuǎn)化為氣體產(chǎn) 生-CH4/CO2，使有機物在厭氧條件下的分解作用以順利完成。目前已知的甲烷產(chǎn)生過程由以上兩組不同的產(chǎn)甲烷菌完成。 　　 ① 由C02和H2產(chǎn)生甲烷反應(yīng)為 ：C02+4H2—CH4+ H20 　　 ② 由乙酸或乙酸化合物產(chǎn)生甲烷反應(yīng)為： 　　CH3C00H—CH4+CO2 ; CH 3COONH4+ H20—CH4+ NH4 HCO3 　　 產(chǎn)甲烷菌的生理特性 　　 ① 產(chǎn)甲烷菌的生長要求嚴格厭氧環(huán)境 　　產(chǎn)甲烷菌廣泛存在于水底沉積物和動物消化道等極端厭氧的環(huán)境中。 　　 ② 產(chǎn)甲烷菌食物簡單產(chǎn)甲烷菌只能代謝少數(shù)幾種碳素底物生成甲烷。 　　 ③ 產(chǎn)甲烷菌適宜生存在pH值中性條件下 　　 ④ 產(chǎn)甲烷菌生長緩慢 　　有人按生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程將發(fā)酵過程分為: 水解作用 　　由棱菌屬、擬桿菌屬等細菌將碳水化合物和蛋白質(zhì)等大分子有機質(zhì)降解為小分子有機化合物，如葡萄糖、 沼氣罐使用安裝范例 氨基酸等； 發(fā)酵作用 　　由梭菌屬、擬桿菌屬及其他細菌（如乳酸菌類、丙酸桿菌屬）進一步將水解的產(chǎn)物降解為小分子的醇類、有機酸類、二氧化碳、氫氣、氨氣等； 產(chǎn)乙酸和產(chǎn)氫作用 　　把發(fā)酵作用所產(chǎn)生的小分子醇類和一些脂肪酸降解為乙酸、甲酸、二氧化碳和氫。人們對這類細菌了解尚少，甚至連種、屬都還沒有明確。但已肯定這類細菌所產(chǎn)生的氫對其自身進一步生長繁殖有抑制作用。因此，產(chǎn)乙酸和氫的細菌，必須與能利用氫的細菌，如產(chǎn)甲烷細菌和伍氏乙酸桿菌等共同生存； 產(chǎn)甲烷作用 　　由產(chǎn)甲烷細菌將前3階段所產(chǎn)生的氫氣、二氧化碳以及甲酸、乙酸、甲醇和甲胺類等轉(zhuǎn)化為甲烷。產(chǎn)甲烷細菌形態(tài)多樣，但生理特性卻大致相同，在缺氧條件下，均以甲烷為主要代謝產(chǎn)物。 　　沼氣發(fā)酵微生物之間的生態(tài)關(guān)系 　　在沼氣發(fā)酵過程中，不產(chǎn)甲烷細菌和產(chǎn)甲烷細菌之間，相互依賴，互為對方創(chuàng)造與維持生命活動所需要的良好環(huán)境條件，但它們之間又互相制約，在發(fā)酵過程中總處于平衡狀態(tài)。它們之間的主要關(guān)系表現(xiàn)在下列幾方面： 　?、俨划a(chǎn)甲烷細菌為產(chǎn)甲烷細菌提供生長和產(chǎn)甲烷所需要的基質(zhì) 　　②不產(chǎn)甲烷細菌為產(chǎn)甲烷細菌創(chuàng)造了適宜的氧化還原電位條件 　?、鄄划a(chǎn)甲烷細菌為產(chǎn)甲烷細菌清除了有害物質(zhì) 　?、墚a(chǎn)甲烷細菌又為不產(chǎn)甲烷細菌的生化反應(yīng)解除了反饋抑制 　　⑤不產(chǎn)甲烷細菌和產(chǎn)甲烷細菌共同維持環(huán)境中適宜的pH值