沼气发酵的原理

【专家解说】：沼气发酵的原理 沼气发酵又称厌氧消化 ，是指各种有机物在一定的水分、温度、厌氧条件下 ，被各类沼气发酵微生物 分解转化 ，最终生成沼气的过程。　　 (说明：① I、I I为三阶段理论，②I、II、II、IV、为四类群理论 ) 沼气发酵过程的液化阶段 　　用作沼气发酵原料的有机物种类繁多，如禽畜粪便、作物秸秆、食品加工废物和废水，以及酒精废料 沼气发酵中食物链和能量分配图等，其主要化学成分为多糖、蛋白质和脂类。其中多糖类物质是发酵原料的主要成分，它包括淀粉、纤维素、半纤维 素、果胶质等。这些复杂有机物大多数在水中不能溶解，必须首先被发酵细菌所分泌的胞外酶水解为可溶 性糖、肽、氨基酸和脂肪酸后，才能被微生物所吸收利用。发酵性细菌将上述可溶 性物质吸收进入细胞后，经过发酵作用将它们转化为乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类及一定量的氢、二氧化碳。在沼气发酵测定过程中，发酵液中的乙酸、丙酸、丁酸总量称为中挥发酸(TVA)。蛋白质类物质被发酵性细菌分解为氨基酸，又可被细菌合成细胞物质而加以利用，多余时也可以进一步被分解生成脂肪酸、氨和硫化氢等。蛋白质含量的多少，直接影响沼气中氨及硫化氢的含量，而氨基酸分解时所生成的有机酸类，则可继续转化而生成甲烷、二氧化碳和水。脂类物质在细菌脂肪 酶的作用下，首先水解生成甘油和脂肪酸，甘油可进一步按糖代谢途径被分解，脂肪酸则进一步被微生物分解为多个乙酸。 沼气发酵过程的产酸阶段 　　产氢产乙酸菌 　　发酵性细菌将复杂有机物分解发酵所产生的有机酸和醇类，除甲酸、乙酸和甲醇外 ，均不能被产甲烷菌所利用，必须由产氢产乙酸菌将其分解转化为乙酸、氢和二氧 化碳。 　　 耗氢产乙酸菌 　　耗氢产乙酸菌也称同型乙酸菌，这是一类既能自养生活能异养生活的混合营养型细菌。它们既能利用 Hz+c0z生 成 乙酸 ，也能代谢产生乙酸。通过上述微生物的活 动，各种复杂有机物可生成有机酸和Hz/c0z等。 沼气发酵过程中的产甲烷阶段 　　产甲烷菌的类群 　　产甲烷菌包括食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌两大类群。在沼气发酵过程中，甲烷 的形成是由一群生理上高度专业化的古细菌一产甲烷菌所引起的，产甲烷菌包括食 氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌，它们是厌氧消化过程食物链中的最后一组成员，尽 管它们具有各种各样的形态，但它们在食物链中的地位使它们具有共同的生理特性。它们在厌氧条件下将前三群细菌代谢终产物，在没有外源受氢体的情况下把乙酸 和 H2/CO2。转化为气体产 生-CH4/CO2，使有机物在厌氧条件下的分解作用以顺利完成。目前已知的甲烷产生过程由以上两组不同的产甲烷菌完成。 　　 ① 由C02和H2产生甲烷反应为 ：C02+4H2—CH4+ H20 　　 ② 由乙酸或乙酸化合物产生甲烷反应为： 　　CH3C00H—CH4+CO2 ; CH 3COONH4+ H20—CH4+ NH4 HCO3 　　 产甲烷菌的生理特性 　　 ① 产甲烷菌的生长要求严格厌氧环境 　　产甲烷菌广泛存在于水底沉积物和动物消化道等极端厌氧的环境中。 　　 ② 产甲烷菌食物简单产甲烷菌只能代谢少数几种碳素底物生成甲烷。 　　 ③ 产甲烷菌适宜生存在pH值中性条件下 　　 ④ 产甲烷菌生长缓慢 　　有人按生物化学转化过程将发酵过程分为: 水解作用 　　由棱菌属、拟杆菌属等细菌将碳水化合物和蛋白质等大分子有机质降解为小分子有机化合物，如葡萄糖、 沼气罐使用安装范例 氨基酸等； 发酵作用 　　由梭菌属、拟杆菌属及其他细菌（如乳酸菌类、丙酸杆菌属）进一步将水解的产物降解为小分子的醇类、有机酸类、二氧化碳、氢气、氨气等； 产乙酸和产氢作用 　　把发酵作用所产生的小分子醇类和一些脂肪酸降解为乙酸、甲酸、二氧化碳和氢。人们对这类细菌了解尚少，甚至连种、属都还没有明确。但已肯定这类细菌所产生的氢对其自身进一步生长繁殖有抑制作用。因此，产乙酸和氢的细菌，必须与能利用氢的细菌，如产甲烷细菌和伍氏乙酸杆菌等共同生存； 产甲烷作用 　　由产甲烷细菌将前3阶段所产生的氢气、二氧化碳以及甲酸、乙酸、甲醇和甲胺类等转化为甲烷。产甲烷细菌形态多样，但生理特性却大致相同，在缺氧条件下，均以甲烷为主要代谢产物。 　　沼气发酵微生物之间的生态关系 　　在沼气发酵过程中，不产甲烷细菌和产甲烷细菌之间，相互依赖，互为对方创造与维持生命活动所需要的良好环境条件，但它们之间又互相制约，在发酵过程中总处于平衡状态。它们之间的主要关系表现在下列几方面： 　　①不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长和产甲烷所需要的基质 　　②不产甲烷细菌为产甲烷细菌创造了适宜的氧化还原电位条件 　　③不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除了有害物质 　　④产甲烷细菌又为不产甲烷细菌的生化反应解除了反馈抑制 　　⑤不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中适宜的pH值